如何最大限度減少線纜設計中的串擾

最近在做一個項目時，我不得不對幾組電子電線進行重新布線，讓它們遠離越野車的發電機，因為電容耦合產生的噪聲可從發電機進入電線。這個項目讓我想起了在通過電線、帶狀線纜或板對板連接器路由相互之間相鄰信號時所遇到的類似情況。

正如采用絕緣體隔離的任何其它導體一樣，任何相鄰布線的兩條電線都會在其之間產生電容。根據所用的線規和絕緣體材料，大部分標準帶狀線纜及電線會在電線之間產生 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

由于信號會相互干擾，兩條信號線之間的電容會引起信號延遲、噪聲耦合或瞬態電壓。

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電壓的實例。右圖是“開始”命令與左圖前幾個時鐘脈沖的放大圖。

圖 2. 帶狀線纜的電容耦合

使用三英尺長的線纜路由兩個相鄰通信信號時，會出現圖 2 中的結果。這會導致兩個信號間的電容超過 50pF。

由于該電容的存在，在一個信號產生變化時，可導致另一個信號產生電壓瞬變。其產生的原因是，當一個信號電平發生變化時線纜電容需要瞬態電流在信號間流動。

靜態信號上出現的瞬態電壓強度取決于線纜電感以及信號驅動器提供所需瞬態電流的能力。在這種情況下，由于耦合引起的瞬態電壓非常高，超過了可導致數據損壞的邏輯電平閥值，因此通信無法成功進行。

在信號間安放一根或多根 GND 線，會減少其間的電容，如圖 3 所示。這種方法可降低信號間的電容，但同時會導致來自每個信號的 GND 電容。GND 電容會引起信號延遲與數字邊界環繞，但只要影響不太嚴重，通常不會導致通信故障。

圖 3. 采用 GND 分離信號

圖 4 顯示了在我對其進行修改 — 在信號線之間添加兩個 GND 信號后的通信信號效果。改動后信號間電容降至約 10pF。這樣，瞬態電壓得到了顯著降低，通信獲得了成功。

圖 4. 通過降低電容實現成功的通信

總之，在設計線纜、電線以及 PCB 路由設計方案時要注意雜散電容耦合的影響。在需要較長線纜的應用中，應選擇電容較低的線纜，并通常需要在兩個可能相互耦合的信號間加入一個或多個 ac GND 信號。