金属材料通信技术发展现状及趋势

不论就发射还是抗扰而言，单端信号通信技术的EMC性能都会非常差，所以最好只限用于低频、低数据传输率或短距离的应用。通常在满足下列的情况下，它们的应用不应会有什么大问题。那就是只要它们仅局限在一个PCB上，而该PCB又带有一个安置在所有线条下面的完整地参考面，而又不需要任何连接器或电缆的话。总而言之，单个PCB产品的性价比通常是最佳的。

为了获得良好的信号完整性和EMC性能，高频或长距离信号应以平衡信号进行发送或接收（有时，就是在PCB上也应如此）。这个问题将是本小节中讨论的主要问题。

图1-1-9～图1-1-11所示为用一根电缆将一个转换器的毫伏级输出连接到一个放大器的具体例子。三个图分别图示了最差、较好和最佳的三种具体做法。

图1-1-9 通信中差劣实践的实例

一般来讲，把一根电缆的屏蔽连接到一个电路的0V是非常错误的做法。这正如仅在电缆的一端通过一根尾线把电缆屏蔽接地是错误的一样。一些较老的教科书中，把电缆分为低频和高频两种类型。而就每一种类型，又有它自己的屏蔽-搭接规则。但是，如今的电磁环境已被RF“污染得”如此严重（这正像前面所指出的，即便是“慢”的运算放大器也会对高于500MHz的信号解调），以致许多信号都会受到来自产品内部的数字处理器的RF共模噪声所“污染”。所以，现今的所有电缆都应以高频型进行处理和对待。

图1-1-9～图1-1-11还显示了三个不同性能层次的、用于连接一个转换器的系统，从图1-1-9所示的性能最差的系统及图1-1-10所示的较好系统到图1-1-11所示的最优系统。但下述系统的性能将会更好。即在图中转换器的屏蔽罩内安置一个A—D转换器，然后以高电平的编码数据（带有错码纠正能力）通过图中的相同电缆发送到产品进行解码。一个最为完善的系统将会采用光纤来代替金属电缆传送数字数据。这类系统在工业中的应用正日益增加和普及化。

图1-1-10 通信中较好的实践实例

图1-1-11 通信中最佳的实践实例

在大规模或工业规模生产的产品中，电缆散热是必须考虑的一个问题。其最好的解决办法就是把通信电缆与一个与之平行走线的地导体（PEC）排在一起，以分流大部分低频大电流（因为这类低频大电流总是沿着具有较低电阻的通路进行流通的）。从而不会使电缆一端的屏蔽连接电平被“提升”。也就是说，电缆的屏蔽效果不再会由于该端的电平“提升”而遭受损害。作为一种设计技术，我们并不推荐在电缆屏蔽的一端串联一个电容的做法。这是因为要使一个电容搭接在整个频率范围都有效的工作是相当困难的。

就低频信号而言（比如说低于100kHz），为了抗扰的原因，在通信连接线中采用较高的电压电平较好。但是，当信号频率高于10MHz时，高电压会导致高电平发射，此时往往推荐采用较低的电压作为最佳的折中办法[比如使用发射极耦合逻辑（ECL），低电压差分信号（LVDS），以及通用串行总线（USB）]。在信号频率高到什么程度时采用较低的电压，则取决于电缆的长度、类型和EMC性能（特别是它的纵向变换损耗），当然还取决于发射和接收电路的设计。

就高速模拟或数字信号来讲，传输线技术恐怕算是最基本的技术了。但对该技术的依赖程度，则还要取决于它们的连接长度和通信信号的最高频率。

通常就EMC而言，最好的电缆类型是它的每一根信号导体都有着它自己的专用回路导体，而且任何所使用的电缆屏蔽都仅是用来控制干扰而设立的。虽然有些电缆需要单独的成对信号导体，但总体来讲，并不推荐使用同轴电缆。非常重要的一点是要在整个所关心的频率范围内获得一个良好的平衡。这就意味着，它具有一个良好的共模抑制比（CMRR）和由此而改善的发射和抗扰性能。虽然平衡发送/接收IC是很好的选择，但对隔离变压器进行附加的电隔离也将会受益匪浅（高到它们被击穿的那一点为止）。并且还要将共模范围延伸到远远超过DC电源总线。

平衡结构的双绞对或双轴电缆，通常具有最佳的发射和抗扰性能，而且其性价比也最为合算。但要注意的是，此时即便是存在很小的绞合差异也都会对电缆的性能变化有着重要的影响（甚至包括用作绝缘体的彩色填充料的介电常数）。在高性能电路中，平衡是如此的重要，甚至需要使在相同层次上的PCB布局的几何平衡（镜像）。

变压器以及平衡发送/接收IC的性能都会受到由于RF所造成的失衡而变差。它们往往要求增设一个串联的共模扼流圈来保持在整个所研究的频率范围内的良好平衡。这个CM扼流圈总是设置在要么最靠近电缆，要么最靠近产品边缘的连接器。

所有诸如变压器隔离、平衡驱动和接收，以及CM扼流圈都将有助于我们从所使用的电缆获得最佳EMC性能。

图1-1-12中显示的两个例子都能被用来为任何速度或频率范围的数字或模拟信号通信提供良好的发射和抗扰性能。

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图1-1-12 用于高速数据的设计良好的实例图中没有显示（但有可能需要）传输线匹配电阻、RF滤波、瞬态抑制

这些电路是理想化的。其中的一个平衡发送或接收电路（一个例子是来自一个变压器，另一个例子则为一个带有平衡输出和输入的IC）通过一个扼流圈被连接到一个平衡通信媒体（双轴或双绞线电缆）。

图1-1-13所示为一个如Ethernet（以太网）这样一个高速数据的例子。图中的曲线显示的是为了在整个频率范围内获得良好平衡，应如何通过设计一个扼流圈的CMRR来配合所使用的变压器。一个类似的设计技术则被用于平衡IC的设计。

一个专用音频通信连接线中的信号频率向下往往可以延伸到20Hz，甚至更低。因此，隔离变压器的体积将会变得十分庞大。它的绕组间的庞大寄生电容会在频率达到1MHz以前就会使它的CMRR下降到零。因此，为了提供频率下降到100kHz或更低时所要求的CMRR，所需要的CM扼流圈也就会变得较大。要找到一个能在频率范围为100kHz～1000MHz之间提供良好的CMRR的扼流圈是相当困难的。因此，往往需要选用两个具有不同频率响应的扼流圈加以串联来覆盖整个频率范围。

在使用同轴电缆来代替双绞对或双轴电缆的地方，EMC和信号的完整性将会受到损害。图1-1-14所示的技术将能够帮助我们从所使用的电缆中获得它们可能的最佳性能。

图1-1-13 基于整个频率范围来选择磁性元件以获得最佳补偿

图1-1-14 使用同轴电缆的电路性能较差

由于这个电路没有采用隔离变压器，在频率较低时，它的抗扰性往往会变得更差。

由于许多通信至今仍采用低频或低转换率，所以它们的信号并不易引起发射或遭受干扰。举例来讲，一个8位A—D或D-A转换器就不像一个12位的同类转换器那么敏感，而一个16位或更高位数的转换器将的的确确地变得十分敏感了。

为了节省成本，这些信号通常是使用多导体电缆中的单根导线进行传送的。图1-1-15显示的就是这样的例子（一个RS232应用的实例）。

图1-1-15 用于低速数据通信的电路实例

图中未显示RF滤波器，浪涌和ESD保护，和传输线匹配，但也许是需要的。

当一个导体有N股芯线的话，在将它们连接到电子设备时，最好是在它的每一端都串接一个带有N个绕组的CM扼流圈。图1-1-15所示就是一个8股电缆使用了一个带有7个绕组的扼流圈。因为根据RS232标准，电缆中的一个芯线被指定用于“机柜接地”（因为RS232一般仅使用于短距离通信的情况，所以这个机架接地引线通常不太可能携载很大的电流，因而也就不太可能要求一个PEC）。

RS232之所以仅适用于短距离的情况，是因为当它们以发射形式辐射它们能量的同时，它的单端信号会迅速地丧失它们的完整性。所以，图1-1-15（以及图1-1-14下部所示的例子）看起来相当容易，但在真正应用于单端信号时，则将要求注意所使用的CM扼流圈、电缆和连接器的质量。

使用输出沿非常慢的驱动器（推荐对转换速率进行限制）将能大大地降低发射问题。另一个方法是，为了降低它们的高频成分，对标准驱动器进行无源滤波。