可降低纜線系統(tǒng)輻射的帶纜線平衡器集成電路

隨著具有平衡纜線損耗效應(yīng)的集成電路的出現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計師有能力在很長的銅纜線上，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)發(fā)送。在通信系統(tǒng)設(shè)計中，為了得到最佳性能，重要的是控制纜線和連接器的輻射。集成電路平衡纜線損耗效應(yīng)的能力是系統(tǒng)互連的主要成本影響。用光纖鏈路只是考慮距離和速度，現(xiàn)在可以用銅纜線架設(shè)。這樣可以避免光纖模塊的高成本?，F(xiàn)在，市場上可用“銅模塊”直接替代光纖模塊。這些銅模塊包含Maxim公司的纜線平衡器。用平衡器器件能夠在長纜線上接收3.2Gbps數(shù)據(jù)，而且信號失真非常小。圖1示出經(jīng)過115英尺的信號，用平衡器和不用平衡器之間的比較。所得結(jié)果是：用平衡器的信號改善是驚人的。Maxim公司的平衡器家族包括工作速率高達(dá)12.5Gbps的器件。

圖1 通過115英尺纜線平衡器前后的3.2Gbps信號

在高位率，“銅”纜線互連部件必須很好地起到傳輸通道作用。它們應(yīng)該具有確定性的信號完整性以及傳送到接收器的最 大功率而無漏失。纜線互連部件的信號漏失成為到外界的EMI（電磁干擾）。而且，當(dāng)希望設(shè)備以從FCC和EC標(biāo)準(zhǔn)的EMC時，這會變得重要起來。

本文討論降低輻射的簡單方法，而纜線平衡能延長傳輸長度和降低系統(tǒng)成本。

把設(shè)備的不同部分連接在一起的纜線和連接器能防止干擾和降低對輻射能量敏感的相互效應(yīng)。下面討論可降低纜線系統(tǒng)輻射的一些方法：

1、 平衡的系統(tǒng)

2、 鐵氧體珠

3、 雙絞纜線

4、 纜線屏蔽

5、 纜線/背板端接連接器

平衡的系統(tǒng)

一下平衡纜線系統(tǒng)由兩條線構(gòu)成，這兩條線相對第3條線或地傳輸正和負(fù)（雙極）信號。然而，由于差分線驅(qū)動器不是理想的，所以，將會有一定量的不希望的信號出現(xiàn)，如噪聲、來自電源的交流聲和信號線上的溫度影響。差分接收器抑制這些共用信號的能力用稱之為共模抑制比（CMRR）的性能因數(shù)來表示。CMRR是差分模式增益與共模增益之比，通常用dB表示。在平衡系統(tǒng)中影響性能的還有另一個因數(shù)，它是由兩條信號線可能的長度差引起的信號間的歪斜。這種長度差將導(dǎo)致差分信號沿不能對準(zhǔn)，并在地系統(tǒng)中產(chǎn)生小的尖峰。

不包含平衡輸出的系統(tǒng)可以在輸出用變壓器（見圖2）產(chǎn)生平衡輸出。變壓器通常放置在靠近系統(tǒng)輸出的地方。如所用放大器不夠理想，并存在模式轉(zhuǎn)換問題，則小量初級電流將做為差分模式電流呈現(xiàn)在輸出。在高頻，這種模式轉(zhuǎn)換是最普遍的。變壓器的另一因數(shù)是從初級到次級的電容。電容將會增加高頻能量到輸出的共模耦合，這會增加輻射。采用變壓器的另一好處是變壓器能提供系統(tǒng)間的DC隔離，系統(tǒng)地之間可能有電勢差。

圖2 輸出的變壓器轉(zhuǎn)換

鐵氧體珠

若小的鐵氧珠或環(huán)沿差分信號線滑動，則它將起到縱向變壓器的作用，能降低共模電流。它們的性能如同一個減小的變壓器。鐵氧體珠或環(huán)對衰減高頻差分（如開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬態(tài)變化和其他高頻信號）是有用的。往往在電源內(nèi)和用于視頻監(jiān)視器的纜線上能看到它們，它們用于降低系統(tǒng)的EMI。鐵氧體珠在低阻抗電路中工作得最好。在50MHz左右，珠阻抗高達(dá)500Ω。也應(yīng)該小心，珠磁芯不能變成飽和，因?yàn)檫@將降低其有效性。用多對纜線時，會增加纜線對之間的串?dāng)_。圖3示出珠插入損耗隨負(fù)載阻抗和匝數(shù)的變化。

圖3 鐵氧體珠插入損耗與頻率的關(guān)系

雙絞纜線

雙絞線可使差分模式輻射大大降低，而共模輻射不受影響。用差分信號傳輸與單端傳輸相比其輻射降低20~30dB。每當(dāng)從纜線輻射電磁場時，雙絞線消除來自雙絞相鄰線的磁場。結(jié)果是，若雙絞線處于同方向，則耦合到相鄰線對的場接近于零。對大多數(shù)纜線，在單捆線中含有多對雙絞線，雙絞線之間扭曲率是變化的。這種衰化將有助于消除線扭曲過程中一點(diǎn)點(diǎn)不對稱所引起的耦合結(jié)果。做為一個例子可查看典型的Category5纜線的扭曲率，Category5纜線用于大多數(shù)Ethernet網(wǎng)絡(luò)中，可看到扭曲率的變化。

纜線屏蔽

在控制輻射中一個比較重要的因數(shù)是纜線屏蔽。此關(guān)鍵參數(shù)決定輻射性能，它表示纜線所用屏蔽的有效性。傳輸阻抗表示流經(jīng)屏蔽表面的電流與跨接在表面另一端的電壓關(guān)系。此電壓是由流經(jīng)屏蔽厚度擴(kuò)散電流引起的（圖4）。

圖4 傳輸阻抗圖示一極化率和輻射

在網(wǎng)狀屏蔽罩中漏電感也會有影響。最好屏蔽效果的最優(yōu)罩是薄層圍住固態(tài)管屏蔽，如半剛性同軸電纜。 圖5示出幾種不同軸電纜的傳輸阻抗。

圖5 不同類型纜線的傳輸阻抗

采用屏蔽雙絞線或屏蔽雙導(dǎo)線饋電線的屏蔽平衡線，可使輻射進(jìn)一步降低，這是因?yàn)槠帘尾辉儆米龇祷赝?。流?jīng)屏蔽的唯一電流是由平衡線不對稱引起的。因此，輻射降低量為屏蔽電流與信號線上總信號電流的百分比值。

纜線/背板端接連接器

纜線部件最后到負(fù)載或源的連接和纜線性能同等重要。連接器能提供良好的屏蔽和到系統(tǒng)地的低阻抗連接是非常重要的。連接器畢竟與信號通路串聯(lián)。連接器電阻與頻率關(guān)系示于表1。

表1 連接器電阻與頻率關(guān)系

連接器類型 DC~10MHz 100MHz 1GHz

BNC連接器 1~3mΩ 10 mΩ 100 mΩ

N連接器 《0.1mΩ 1 mΩ 10 mΩ

屏蔽多觸點(diǎn)連接器 10~50mΩ 10~50 mΩ 300 mΩ

Pigtail 5cm Z=“3” mΩ+j0.3Ω×FMHz 《=相同 《=

在背板應(yīng)用中，需要高速密集端接連接器。有不少制造商生產(chǎn)連接器系統(tǒng)，這些連接器系統(tǒng)可有效地工作在高達(dá)12Gbps信號率范圍。這些連接器包含差分對和地系統(tǒng)，能提供良好的可控制阻抗和屏蔽。Teradyne和Molex公司生產(chǎn)一系列連接器，型號為VHDM、VHDM-HSD和Gbx。他們的產(chǎn)品把地板集成到連接器外殼中，使其具有控制阻抗和高水平屏蔽。

IEC的Tutorial具有這些連接器的性能，適用于網(wǎng)站。

帶纜線平衡器集成電路的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)把本方討論的方法結(jié)合在一起來滿足性能和輻射要求，這是可能的。

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