現(xiàn)在我們討論幾種可以解決由系統(tǒng)噪聲和EMI引起的許多常見問題的技術(shù)。
保持電流回路最短
低速信號電流沿阻抗最小，即最短的路徑返回源端。而高速信號則是沿電感最小的路徑返回：這樣的最小的回路面積位于信號線的下面，如圖1所示。
圖１：高速信號與低速信號電流的比較。
因此，高速信號設(shè)計的目標(biāo)之一就是為信號電流提供最小的電感回路。這可以利用電源平面和地平面來實現(xiàn)。電源平面通過形成自然的高頻退耦電容將寄生電感降到最小。而地平面形成一個屏蔽面，即眾所周知的鏡像平面，能夠提供最短的電流回路。
一種有效的PCB布線方法就是將電源平面和地平面靠在一起。這樣形成了高平板電容和低阻抗，有利于降低噪聲和輻射。為了屏蔽，最好的選擇是：關(guān)鍵信號最好布到靠近地平面一邊，而其余的則應(yīng)靠近電源平面一側(cè)。
在高速視頻系統(tǒng)中，保持回路短的目的意味著視頻地不能被隔離。而必須被隔離的音頻地，絕不能在數(shù)據(jù)輸入點處短接到數(shù)字地上，如圖2所示。
圖2：音頻地隔離。
電源隔離和鎖相環(huán)
如何實現(xiàn)最佳供電是控制噪聲和輻射的最大挑戰(zhàn)。動態(tài)負(fù)載開關(guān)環(huán)境很復(fù)雜，包括的因素有：進入和退出低功率模式；由總線競用和電容器充電所引起的很大的瞬態(tài)電流；由于退耦和布線不合理引起較大的電壓下降；振蕩器使線性調(diào)節(jié)器輸出過載。
圖3給出了一個設(shè)計電流回路的實例，其中利用了電源線退耦。該例中的退耦電容盡可能靠近DSP。如果沒有退耦，動態(tài)電流回路將較大，這將加大電源電壓的降幅，從而產(chǎn)生電磁輻射。
圖3：電源退耦。
為PLL供電時，電源隔離是非常重要的，因為PLL對噪聲非常敏感，并且對于穩(wěn)定系統(tǒng)來說，要求抖動非常低。你還需要選擇模擬的還是數(shù)字的PLL，模擬PLL對噪聲的敏感度比數(shù)字PLL要低。
圖4：PLL電源隔離。
如圖4所示的具有低截至頻率的∏型濾波器經(jīng)常被用來將PLL與系統(tǒng)中的其他高速電路隔離開。一個較好的辦法是利用一個低壓差（LDO）電壓調(diào)整器來獨立產(chǎn)生PLL的電源電壓，如圖5所示。該方法雖增加了成本，但確保了低噪聲和優(yōu)異的PLL性能。
圖5：利用LDO實現(xiàn)PLL電源的隔離。
串?dāng)_及傳輸線效應(yīng)
信號間的干擾，即串?dāng)_，可以通過電磁輻射在印制線間傳播。這也可能由電源和地平面上的無用信號以電氣的形式產(chǎn)生。串?dāng)_與印制線間距的平方成反比。因此，為了將串?dāng)_減到最小，單端信號的布線間距應(yīng)至少是印制線寬度的2倍。對于像以太網(wǎng)和USB這類的差分信號，印制線間距需要與印制線寬度相同，目的是能夠與差分阻抗相匹配。關(guān)鍵信號可以用地和電源平面進行屏蔽，或者在改板時增加與信號并行的地線。
有些信號還產(chǎn)生引起串?dāng)_的高頻諧波。由于輻射的能量正比于信號的上升和下降時間，較慢的上升或下降時間引起的干擾將較小。圖6顯示出視頻干擾的實例，這些干擾可能由內(nèi)部時鐘的輻射所引起。在北美地區(qū)第二頻道中，18.432MHz的音頻時鐘的三次諧波，將產(chǎn)生如圖中左側(cè)所示的干擾。通過在音頻時鐘印制線上增加一個串聯(lián)電阻來放慢時鐘的上升和下降時間，減小了干擾，其結(jié)果如圖6中的右側(cè)所示。不過，設(shè)計師需要了解定時裕度，以便于將上升和下降沿降低到系統(tǒng)所允許的限度內(nèi)。
圖6：解決音視頻串?dāng)_。
與串?dāng)_相關(guān)的是傳輸線效應(yīng)，這種效應(yīng)在高速印制線變成產(chǎn)生輻射干擾的發(fā)射器時產(chǎn)生。通常，當(dāng)信號的上升時間小于傳播延遲的2倍時，印制線才發(fā)射信號。這就暗示出了一個經(jīng)驗，即為了減小傳播延遲，印制線的長度應(yīng)盡可能短。另一個是合理的信號端接將減慢信號的上升時間，從而將反射引起的過沖和欠沖減到最小。圖7顯示了如何利用并行端接來校正電平并將傳輸線效應(yīng)減到最小。
圖7：利用端接將傳輸線效應(yīng)減到最小。
設(shè)計師可能會質(zhì)疑，既然芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了電阻，在外部端接負(fù)載電阻是否還有其重要性。實際上，除了控制傳輸線效應(yīng)外，外部電阻還可以實現(xiàn)信號完整性的精密調(diào)整。DSP無法與電路板阻抗完全匹配，因此端接負(fù)載可以減小源電流，以及上升和下降時間。
與外部端接負(fù)載電阻一樣，外部的上拉和下拉電阻也是重要的。對于無連接的引腳來說，雖然內(nèi)部的上拉和下拉電阻是足夠的，但高速開關(guān)噪聲能夠傳過來，并會誤觸發(fā)連接端上的內(nèi)部邏輯。
控制EMI
能夠輻射到系統(tǒng)外的輻射被認(rèn)為是EMI，這可能使設(shè)計無法通過FCC認(rèn)證。有兩種可能的輻射：一種是發(fā)射源是一條直線型的信號印制線，或者電纜的共模輻射，另一種是其信號和回路構(gòu)成一個大電流環(huán)路的差分模式輻射。共模輻射隨著頻率的升高而降低，而差分模式輻射則隨著頻率的升高而增強，直到其飽和點。這兩種模式的輻射如圖8和9所示。
圖8：共模輻射。
圖9：差模輻射。
如何處理EMI取決于輻射源。對于共模輻射，當(dāng)EMI來自外部電纜時（例如圖8所示的情況），可以在電纜上加一個扼流圈。如果導(dǎo)致EMI的是內(nèi)部傳輸線，則通常用端接負(fù)載的方式，不過在信號印制線間加入一條地線也有助于減小輻射。另一種可能的方案是將信號的印制線長度減短至小于信號波長（或信號頻率的倒數(shù)）的1/20。例如，為了避免傳輸輻射，500MHz的印制線應(yīng)該短于1.18英寸。
對于差分模式輻射，所輻射的能量是電流、環(huán)路面積和頻率的函數(shù)。減小輻射的方法包括：端接負(fù)載來降低源電流，用合適的電流通道來提供可以減小回路面積的回路，或者降低頻率。#p#分頁標(biāo)題#e#
在計算退耦電阻時，還應(yīng)考慮動態(tài)電流。高速電流可能隨時變化，這種瞬變也會引起輻射。此外，改變電容器的值時要防止自諧振限制頻率范圍。PCB分層是一個好方案，因為電源層對高頻形成自然的退耦，而地層則提供最短的回路。把高速信號隔離起來，并使其遠(yuǎn)離其他信號。如果可能的話，不要把地層隔開。盡管噪聲和輻射是由系統(tǒng)設(shè)計中的復(fù)雜的無用功能引起的，但通過上述的一些簡單方法還是可以控制的。
本文小結(jié)
高速的DSP視頻系統(tǒng)中有許多潛在的噪聲和輻射源，它們可以擾亂系統(tǒng)的工作，或者使設(shè)計通不過FCC的認(rèn)證。所幸的是，對噪聲和輻射的規(guī)劃和掌握可以幫助系統(tǒng)設(shè)計師將這些問題減到最小。早期的努力將節(jié)省大量的調(diào)試工作和后期的麻煩。PCB布局和回路退耦是設(shè)計師可以限制系統(tǒng)噪聲和EMI的兩種常用技術(shù)。具備了這些技術(shù)，DSP視頻設(shè)計師就能有效地解決系統(tǒng)的噪聲和輻射。
作者：Thanh Tran
高級技術(shù)專家
TI公司
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