在平常的低頻數(shù)模混合電路應用中，最容易出現(xiàn)的是共路耦合干擾，而不是串擾。下面就以一個很容易出問題的設計應用為例帶大家分析一下共路耦合干擾。
應用情景：
系統(tǒng)分為A、B兩部分，A部分輸出視頻信號給B，再經(jīng)由B板輸出；B板為A板提供電源（開關電源，DC12V，紋波幅度200mV，50KHz）。
四根線捆在一起，長為30cm，為方便計算將其等效為如下四芯線模型（假設A板GND與AGND鋪銅連接――即只有GND，B板GND與AGND隔離）：
干擾分析：
先對線間串擾進行分析，串擾分容性串擾和感性串擾。按情景粗略估計容性串擾和感性串擾值都比較小，但這里還是通過簡化模型計算來計算一下串擾值的大小，好與共路耦合干擾做一下對比。
先分析一下容性串擾值（只分析12V對Vo的容性串擾值）。
簡化后的模型如下：
12V電源線與Vo之間的互電容為C12；Vo線兩端分別是A板源阻抗RS和B板目標阻抗RL，均為75歐；Vo對地電容為C2。聚乙稀材料相對介電常數(shù)為2.3，考慮到中間的氣隙，使用1.8代替2.3。（對容性串擾，為方便畫圖，將干擾源畫到A板側，無影響。）
C2＝1.8*0.3m*3.38/(0.14*log(4*2mm/0.5mm)) =10.8pF
C12=C2＝10.8pF（近似估算）
串擾電壓VSC＝V1*Z2/（Z1+Z2）
Z2=|(-j/(2π*50k*10.8pF)||75||75)|=37.5
Z1=|-j/(2π*50k*10.8pF)|=294k
串擾電壓值為200mV*37.5/294k=25.6uV
這樣小的串擾電壓不至于對1V峰峰值的視頻信號造成有害干擾。（信噪比為20log(0.5V/25.6uV)=86dB，而一般攝相機輸出信噪比為50dB，所以容性串擾對信號的影響可以忽略不計的。）
下面分析一下感性串擾：
把模型簡化為兩個環(huán)形線圈的互感引起的干擾，將兩環(huán)路的電感分別等效到視頻信號和12V上。
兩個線圈之間的互感是（沒有找到公式，自己大概推導一下――具體步驟就不寫了）：
M12＝μ*0.3m*ln((1.414*2mm+0.5mm/2)/(2mm-0.5mm/2))/π
=4*(10的負7次方)*π/π*ln1.759
=0.226uH
B板負載RP等效為50歐電阻并100uF電容（等效串聯(lián)電阻ESR計為0.5歐），則12V與地構成的回路中電流交流成分幅度值為：
I1＝200mV/(50||(0.5-j/(50kHz*2*3.14*100uF)))=200mV/(50||(0.5-j0.03))=400mA
可見通過電容的交流電流還是比較大的，而這里對電流交流成分起決定性作用的是電容的ESR值。低ESR的電容有更好的濾波效果。
那么可以得出感性串擾電壓值為：
VSL＝I1*M12＝400mA*0.226uH=0.09uV
感性串擾引起的干擾比容性串擾值還要小很多，更不會引起可見的視頻干擾。（注：并不是任何場合都是感性串擾小于容性串擾，而且也不一定都是很小的值，當頻率升到100M左右數(shù)量級的時候這些值就會比較大了，而且那時感性串擾往往會比容性串擾更明顯。）
下面就有請我們今天的主角登場吧――共路耦合干擾。
對于A板，我們可以單點接地，也可以視情況做全面鋪銅而不區(qū)分GND和AGND，處理得當?shù)脑捫Ч蛦吸c接地接近。而對B板，我們可以選擇單點連接、整板鋪銅或是斷開。如果單從單板設計角度來考慮，單點接地和整板鋪銅都是沒有問題的。但在這個系統(tǒng)中，B板地布的再好，只要AGND和GND連這就會導致共路干擾！唯一的選擇就是GND和AGND在B板上不連接！
看一下在B板GND和AGND單點連接或鋪銅連接的情況：
可以看到開關噪聲從12V輸出后有三條返回路徑，L1＝L2＝L3＝L4。
每根線自感按半匝線圈估算，一匝線圈電感值約為0.253uH，則每根線電感為0.13uH。對50kHz信號呈現(xiàn)阻抗為j2*3.14*50k*0.13uH＝j40 mΩ。另外線路本身驅膚效應及導線本身電阻引進的阻抗也差不多在30-50 mΩ，也按40 mΩ算，則總的阻抗值為40*1.414＝56 mΩ。不要小看這56 mΩ哈，看它給我們帶來了什么？？！
那么落在RL兩端的50kHz信號幅度為：
VL=V1*(Z4||Z2)/(Z1+ZP+(Z4||Z2))*(RL/(RL+ Z1+RS))
=200mV*28mΩ/(560 mΩ+j60 mΩ)*(75Ω/150Ω)
=5mV
對于一個電源來說，5mV不算什么了不起，不過，對弱信號來說這已經(jīng)是一個很“可觀”的噪聲（如果終端顯視器75歐阻抗匹配電阻未拉入的話將是10mV）。信號的信噪比一下子變?yōu)?0log(500mV/5mV)＝40dB。另外再考慮實際有效視頻信號占的幅度峰峰要小于1V（1V包含同步頭），實際的信噪比還會更低一些。這樣的干擾強度已經(jīng)對視頻信號起到影響！視頻信號行頻為1/64us=15625Hz，干擾源頻率為50kHz，可以在監(jiān)視器上看到淡淡的細紋，細紋間隔大致為6個行（間掃）。另外，只要干擾源頻率不是場頻的整數(shù)倍，我們就能在監(jiān)視器上看到滾動的橫紋。這些都是經(jīng)過我驗證過的。
引記：
通過這些相關的計算可以對容性串擾、感性串擾和共路干擾有一個更加深入的理性的認識。從定性到定量，可以讓我們更好的理解這些干擾在我們設計中扮演的角色，也讓我們能夠更從容的處理我們的設計。如果不能過渡到量化這一階段來，我們接觸越多的東西只會變得更加迷茫，很多設計中的規(guī)則我們都知道什么樣好，什么樣不好，但當多條規(guī)則沖突的時候我們可能就會手足無措，如何取舍？這就需要我們對這些沖突起到的影響量化。
舉個簡單的例子，大家都說布線盡可能少走過孔，因為過孔會引入信號畸變。可是通過信號線增加過孔換層反可以增強信號回路的連續(xù)性。比如下面這個例子，三根線信號均為100M的數(shù)據(jù)線：
對左圖來說看起來比較順暢，也是大多數(shù)人比較傾向的布線方式，右圖下面的信號“憑白”增加了兩個過孔，貌似不太順眼。其實左圖存在著嚴重的回流障礙，可以看到黃線所示為兩條信號回路的電流完整路徑（從上方繞行的回流較遠，電流小很多，忽略掉），存在共路問題。一方面是共路阻抗會引起共路干擾，另一方面兩個電流環(huán)嵌套，存在比較大的互感，在100M的數(shù)據(jù)線上互感噪聲是很可觀的，如果豎線引起的缺口長5cm，寬3mm的話，互感噪聲達到幾百mV是很容易的，如果是一組數(shù)據(jù)線的話，足以使干擾達到1V以上，可能導致數(shù)據(jù)的錯誤或時序紊亂；而右圖通過增加兩個過孔則使兩個電流路徑分離開，沒有了嵌套的電流環(huán)，共路問題也得到極大改善！
那么，在100M的數(shù)據(jù)線上增加過孔不會導致信號畸變嗎？這就是上面我談到的量化的問題。如果你對過孔做一下模型分析的話，可以發(fā)現(xiàn)我們通常用的過孔可以簡化等效為一些電感和電容的組合，其自諧振頻率在5G-10G左右，對200M以下的信號影響還是很小的，最多就是引入幾十ps的沿錯位和少量的信號失真，相對信號回路分割來說，影響要小得多。
大家往往對數(shù)模混合電路和高頻電路有一些恐懼感，其實里面涉及到的東西也不是很復雜，主要就是模型提取及簡化，再一個就是一些簡單的計算。不要太迷信于別人的經(jīng)驗，別人也是道聽途說得來的，很多是通過反復制版湊出來的經(jīng)驗，是理論的擦邊球，并沒有切中要害的。真正的從理論上深入分析才能獲得更大的進步，對一個新的PCB設計也能做到一版成功。當一天你看到板子上兩根線能大概心算出其間干擾強度的時候，再做板就很容易做出取舍了。
注：
文中計算公式以及模型的建立做了簡化處理。另外可能按不同公司算出來會有一些差異，但應當不會相差50%，因為這里最關心的不是具體的值，因為很多原因，計算出來的值總會跟實際值有很大差異，我們最關心的是它們之間的相對關系。這點，我們的模型和計算已經(jīng)足以說明問題。 |
