利用雙絞線與低通濾波器抑制RFI和EMI有效方案

　　引言

　　“The Twist”指雙絞線，Alexander Graham Bell于1881年申請該項專利。而該項技術一直沿用到今天，原因是它提供了諸多便利。此外，隨著現場可編程門陣列(FPGA)器件處理能力的逐漸強大，結合電路仿真及濾波器設計軟件，使得雙絞線在數據通信領域的應用也越來越普遍。

　　FPGA為設計工程師提供了強大、靈活的控制能力，特別是那些無法獲取專用集成電路(ASIC)的小批量設計項目，可以利用FPGA實現設計;許多大批量生產的產品，在項目設計初期也利用FPGA進行原型開發，并定制芯片之前對新功能進行測試。FPGA的強大之處在于復雜的數字處理功能，而一些模擬信號則會受限于數字噪聲的干擾。需要外部提供模擬放大，以及失調、濾波和信號處理，確保FPGA滿足系統的整體需求。

　　本文討論了如何將雙絞線與低通濾波器相結合，抑制射頻干擾(RFI)和電磁干擾(EMI)。我們還介紹了如何利用高精度電阻排設計定制化差分放大器，消除信號干擾并改善FPGA系統的性能。在我們選擇頻響特性時，利用高精度電阻設置增益和共模抑制比。

　　雙絞線的重要性

　　雙絞線對數據通信有著重大意義，能夠大幅降低串擾、RFI和EMI.

　　互聯網和計算機的普及帶動了雙絞線應用的普及，許多人誤以為雙絞線是項新發明，實際情況并非如此。圖1所示是Alexander Graham Bell早在1881年就已申請的專利副本，他描述了多對雙絞線之間的相互影響。

　　圖1. Alexander Graham Bell于1881年獲得美國專利244，426

　　Bell先生指出：多個電路通過兩條線連接——一條直通線和一條返回線，構成一個金屬線導電回路。當金屬線導電回路置于其它電路附近時，如果周邊電路在兩條線上感應信號不同，則金屬線所連接的電話及其它電氣設備就會感應干擾信號;顯而易見，如果在直通線和返回線上產生相同影響，則其中一條導線產生的電流將抵消另一條導線產生的電流。如果兩條導線與干擾電流的感應關系相同，或將兩條導線置于與上述電路相同的距離(確保其它條件完全相同)，則可避免干擾。

　　這些經過125年歷史驗證的真理，為現代的差分信號原理奠定了基礎。圖2所示，導線A的電流所產生的磁場會在導線B中產生所不期望的電流。

　　圖2.導線之間的串擾：導線A中電流所產生的磁場在導線B產生所不期望的電流。

　　圖中導線之間的電容表示雜散分布電容，當增大串擾信號的頻率時，電容耦合將更為明顯。圖3中，我們觀察到Bell先生提出的“抵消”效應。當在雙絞線兩側施加相等的干擾信號時，干擾信號將被抵消。射頻環境下，雜散電容會耦合導線之間的能量。同理，由于雙絞線的干擾相等、方向相反，RFI趨于抵消。以差分形式接收雙絞線信號將增強“抵消”效應。

　　圖3.當對雙絞線兩側施加相等的干擾信號時，導線之間的串擾被抵消。

　　也可以利用屏蔽導體將雙絞線包裹起來，起到靜電屏蔽作用。屏蔽增大了雜散電容，作用相當于低通濾波器，進一步衰減RF干擾。導線的阻性和感性為串聯元件，分散電容對地形成低通濾波器。當通信鏈路僅傳輸低頻信號時，例如電話音頻或其它窄帶信號，這一特性有助于改善傳輸效果。