最近在做一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我不得不對(duì)幾組電子電線進(jìn)行重新布線，讓它們遠(yuǎn)離越野車的發(fā)電機(jī)，因?yàn)?a href="http://m.makelele.cn/tags/電容/" target="_blank">電容耦合產(chǎn)生的噪聲可從發(fā)電機(jī)進(jìn)入電線。這個(gè)項(xiàng)目讓我想起了在通過電線、帶狀線纜或板對(duì)板連接器路由相互之間相鄰信號(hào)時(shí)所遇到的類似情況。

正如采用絕緣體隔離的任何其它導(dǎo)體一樣，任何相鄰布線的兩條電線都會(huì)在其之間產(chǎn)生電容。根據(jù)所用的線規(guī)和絕緣體材料，大部分標(biāo)準(zhǔn)帶狀線纜及電線會(huì)在電線之間產(chǎn)生 10 至 50 pF/ft 的電容，如下圖 1 所示。

圖 1. 帶狀線纜中相鄰電線間的電容

由于信號(hào)會(huì)相互干擾，兩條信號(hào)線之間的電容會(huì)引起信號(hào)延遲、噪聲耦合或瞬態(tài)電壓。

圖 2 是電纜電容在通用雙線開漏通信總線中引起大量瞬態(tài)電壓的實(shí)例。右圖是“開始”命令與左圖前幾個(gè)時(shí)鐘脈沖的放大圖。

圖 2. 帶狀線纜的電容耦合

使用三英尺長(zhǎng)的線纜路由兩個(gè)相鄰?fù)ㄐ判盘?hào)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)圖 2 中的結(jié)果。這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)信號(hào)間的電容超過 50pF。

由于該電容的存在，在一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生變化時(shí)，可導(dǎo)致另一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生電壓瞬變。其產(chǎn)生的原因是，當(dāng)一個(gè)信號(hào)電平發(fā)生變化時(shí)線纜電容需要瞬態(tài)電流在信號(hào)間流動(dòng)。

靜態(tài)信號(hào)上出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓強(qiáng)度取決于線纜電感以及信號(hào)驅(qū)動(dòng)器提供所需瞬態(tài)電流的能力。在這種情況下，由于耦合引起的瞬態(tài)電壓非常高，超過了可導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞的邏輯電平閥值，因此通信無法成功進(jìn)行。

在信號(hào)間安放一根或多根 GND 線，會(huì)減少其間的電容，如圖 3 所示。這種方法可降低信號(hào)間的電容，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致來自每個(gè)信號(hào)的 GND 電容。GND 電容會(huì)引起信號(hào)延遲與數(shù)字邊界環(huán)繞，但只要影響不太嚴(yán)重，通常不會(huì)導(dǎo)致通信故障。

圖 3. 采用 GND 分離信號(hào)

圖 4 顯示了在我對(duì)其進(jìn)行修改 — 在信號(hào)線之間添加兩個(gè) GND 信號(hào)后的通信信號(hào)效果。改動(dòng)后信號(hào)間電容降至約 10pF。這樣，瞬態(tài)電壓得到了顯著降低，通信獲得了成功。

圖 4. 通過降低電容實(shí)現(xiàn)成功的通信

總之，在設(shè)計(jì)線纜、電線以及 PCB 路由設(shè)計(jì)方案時(shí)要注意雜散電容耦合的影響。在需要較長(zhǎng)線纜的應(yīng)用中，應(yīng)選擇電容較低的線纜，并通常需要在兩個(gè)可能相互耦合的信號(hào)間加入一個(gè)或多個(gè) ac GND 信號(hào)。