本專題將對屏蔽與防護(hù)電路中的常見問題進(jìn)行匯總。通過討論干擾型噪聲，分析噪聲源、耦合通道與接收器三環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，并以屏蔽為核心講解抑制干擾的方法。上一期我們討論了容性耦合噪聲和靜電屏蔽指導(dǎo)原則，本期我們將進(jìn)行Analog and Digital shield short和磁場感應(yīng)噪聲的內(nèi)容闡述。
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Analog and Digital shield short：
下面舉例說明違反最后兩條原則的可能后果（PS——Analog and Digital shield short）：下圖所示屏蔽系統(tǒng)配置不當(dāng)——精密電壓源V1的屏蔽體與數(shù)字邏輯門的屏蔽體直接相連，該情況可能出現(xiàn)在模擬信號和數(shù)字信號共用一根電纜傳輸?shù)拇笙到y(tǒng)中。
圖9 不同屏蔽體相連出現(xiàn)瞬變電壓
邏輯電路輸出端的階躍電壓變化以容性耦合方式進(jìn)入屏蔽體，從而在2英尺長的公共屏蔽返回路徑中產(chǎn)生電流，該電流進(jìn)而產(chǎn)生模擬屏蔽和數(shù)字屏蔽所共有的屏蔽電壓，下圖為其等效電路，其中V(t)表示TTL邏輯門輸出的階躍信號、擺幅為5V，Ro2表示邏輯門輸出電阻，大小為13 Ω，Cws表示電纜屏蔽層與纜芯之間電容，大小為 470pF，Rs和Ls表示連接屏蔽體與系統(tǒng)地之間的2英尺導(dǎo)線電阻和電感，分別為0.1 Ω和1μH。
圖10 產(chǎn)生屏蔽電壓的等效電路
屏蔽電壓 Vs(t) 既可以根據(jù)常規(guī)電路分析技術(shù)計算，也可以按照所給參數(shù)先構(gòu)建電路、再精確測量。下圖為屏蔽層電壓計算所得響應(yīng)波形，初始為幅值5V尖峰，諧振頻率為7.3 MHz，阻尼時間常數(shù)為0.15μs。該曲線可以充分反映屏蔽體上的電壓特征，以及對模擬輸入端的容性耦合情況。采用寬帶示波器觀察該電壓時得到噪聲“尖峰”，該瞬變電壓將快速衰減的高峰值波形耦合到模擬系統(tǒng)中。
圖11 圖10電路的理論響應(yīng)波形
模擬與數(shù)字屏蔽體連接特性仿真測試電路與波形、數(shù)據(jù)分別如下圖所示：模擬與數(shù)字屏蔽體互連一點(diǎn)接地、數(shù)字信號在0V和5V之間變化時時模擬信號V(A1)阻尼變化，最大值約為2V，周期為193.8ns、與計算值150ns誤差約為25%；模擬與數(shù)字屏蔽體各自連接模擬地與數(shù)字地時輸出模擬信號V(A2)保持恒定，不受數(shù)字信號干擾。
a、模擬與數(shù)字屏蔽體互連后一點(diǎn)接地
b、模擬與數(shù)字屏蔽體各自連接模擬地與數(shù)字地
c、參數(shù)設(shè)置
屏蔽體連接仿真測試電路
（等待實際測試）
測試波形與數(shù)據(jù)
即使純數(shù)字系統(tǒng)，如果存在上述情況，在相距較遠(yuǎn)的電路之間同樣可能引起噪聲干擾，常使系統(tǒng)出現(xiàn)莫名其妙的故障。當(dāng)存在多種屏蔽連接而且上文所述原則不能直接套用時，需要進(jìn)行全面分析，選擇理論噪聲最小方案。
以下圖所示系統(tǒng)為例，圖中測量電路和信號源參考電位不同，屏蔽體應(yīng)如何連接：(A)測量系統(tǒng)輸入低端、(B)系統(tǒng)輸入地、(C)信號源地、(D)信號源低端。選擇A錯誤，因為噪聲電流將會進(jìn)入信號傳輸線，VG1所引起的噪聲電流通過C4返回，其路徑如圖13a所示。B也不正確，如圖13b所示，兩個噪聲源VG1和VG2串聯(lián)，兩條信號線之間形成噪聲源：信號源阻抗與C2并聯(lián)，然后與C1串聯(lián)。選擇C同樣不理想，VG1在兩條信號線之間產(chǎn)生電壓，對系統(tǒng)干擾機(jī)制與 (B) 相同，如圖13c所示。給定條件下D是最佳選擇，等效電路如圖 13d所示，該選擇也符合上文接地原則——屏蔽體連接到信號源參考電位。
圖12 不同接地系統(tǒng)
a. 返回路徑A
b. 返回路徑B
c. 返回路徑C
d. 返回路徑D
圖13 等效電路
磁場感應(yīng)噪聲
磁場形式的噪聲會在導(dǎo)體或電路中感生電壓，因為磁場能夠穿透導(dǎo)電材料，所以與電場相比，磁屏蔽難度更大。對于磁感應(yīng)噪聲，利用屏蔽體包裹導(dǎo)體，然后將屏蔽體單點(diǎn)接地的典型方式幾乎無濟(jì)于事。
磁場 (B) 在屏蔽體中傳播時其幅值按照指數(shù)規(guī)律衰減，如下圖所示。屏蔽材料的“趨膚深度”δ定義為磁場強(qiáng)度衰減為其大氣磁場的 37% () 時材料所需穿透深度。表1列出幾種材料在不同頻率條件下的 δ 典型值，從中可知3種材料的δ值均隨頻率升高而降低，由3種材料制成的屏蔽體在高頻條件下效果更好。由吸收損耗曲線可知鋼的δ值都比銅和鋁至少低一個數(shù)量級，所以鋼更適合用作磁屏蔽。
圖14 磁場強(qiáng)度與穿透深度
取相同厚度的銅和鋼、選擇兩種厚度進(jìn)行不同頻率下的吸收損耗特性測試，結(jié)果如下圖 所示。測試表明：當(dāng)頻率高于200Hz時1/8英寸厚的鋼就足以有效吸收磁場；當(dāng)頻率高于1MHz時只要0.5mm厚的銅就能獲得很好屏蔽效果。不過低頻條件下，包括50~60Hz的電力頻段（低頻磁耦合噪聲的主要來源），上述材料性能顯然很差。
圖15 兩種厚度的銅和鋼在不同頻率下對磁場的吸收損耗
表1 趨膚深度δ與頻率的關(guān)系
圖16 高導(dǎo)磁合金及其它材料在不同頻率下的磁場衰減特性
為改善低頻磁屏蔽效果，應(yīng)考慮采用高導(dǎo)磁率的磁性材料（即高導(dǎo)磁合金）制作屏蔽體。圖16給出厚度為30mil的高導(dǎo)磁合金與其它幾種材料在不同頻率下的性能對比。從圖中可知：與其它材料相比，頻率低于1kHz時高導(dǎo)磁合金的性能最優(yōu)；而當(dāng)頻率為100kHz時高導(dǎo)磁合金的性能最差；但是高導(dǎo)磁合金使用并不方便，而且如果受到強(qiáng)磁場作用而達(dá)到磁飽和，該種材料將不再具備任何優(yōu)勢。
從上文可知：單靠改良耦合介質(zhì)的特性達(dá)到屏蔽磁場目的非常困難，因此低頻條件下將以下幾種手段結(jié)合使用最有效：盡量降低干擾磁場強(qiáng)度、盡量縮小接收器環(huán)路面積以及通過優(yōu)化布線盡量減少耦合，下面為指導(dǎo)原則：
a、接收電路應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離磁場源；
b、避免沿磁場平行方向布線，布線方向應(yīng)與磁場方向垂直；
c、根據(jù)磁場頻率和強(qiáng)度選擇合適屏蔽材料；
a 平衡電流的正確連接
b 錯誤連接形成接地環(huán)路
圖17 雙絞線連接
d、使用雙絞線連接，因為導(dǎo)線中的大電流感生磁場，如果雙絞線中電流大小相等、方向相反，則在雙絞線的每個循環(huán)上各空間方向凈磁場均完全抵消。為保證完全抵消，兩根導(dǎo)線中的電流均不能被分流，比如接地層。上圖b所示電路存在接地環(huán)路，部分電流流經(jīng)地層（大小取決于導(dǎo)線電阻與地電阻比值），與雙絞線形成環(huán)路，該環(huán)路將感生磁場，其強(qiáng)度由i3(i3=i1-i2)決定。
即使不連接A點(diǎn)和B點(diǎn)，問題也可能出現(xiàn)——Rload電路與地之間只要存在一點(diǎn)點(diǎn)不平衡的雜散電容或電阻就會破壞電流平衡，在雙絞線和地層中產(chǎn)生凈電流，從而形成接地環(huán)路和相關(guān)磁場?；谠撛?，總結(jié)經(jīng)驗如下：布設(shè)雙絞線時應(yīng)使其靠近地層，以便平衡各端與地之間電容，并使環(huán)路面積最小。
e、使用屏蔽電纜，讓屏蔽體承載信號源電路的高返回電流，如下圖所示。如果屏蔽體上的電流I2與電纜芯線中的電流大小相等、方向相反，則由這兩個電流感生的磁場將相互抵消，凈磁場強(qiáng)度為0。該實例似乎違背“屏蔽體中不能存在電流”的原則，但是此處同心電纜并非用來屏蔽芯線，而是通過該種特殊結(jié)構(gòu)抵消干擾。
圖18 利用屏蔽體承載噪聲源返回電流
上述方案適合于ATE（自動測試設(shè)備）系統(tǒng)中，可以有效克服受測器件因電源電流較大引起的噪聲干擾，實現(xiàn)精確測量。以下圖所示情形為例，模數(shù)轉(zhuǎn)換器位于測試電纜一端，其高電流邏輯電源的連接即應(yīng)用該項技術(shù)。
圖19 圖18所示電路在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用
f、磁感應(yīng)噪聲大小取決于接收環(huán)路面積，因此只要縮小該環(huán)路面積就可以降低磁耦合引起的感應(yīng)噪聲電壓。下圖示例中，信號源及其負(fù)載通過一對長度為L、間距為D的導(dǎo)線相連，該電路形成D×L的環(huán)路即為環(huán)路面積。
圖20 磁耦合噪聲的接收環(huán)路面積
環(huán)路感生電壓的大小與環(huán)路面積以及環(huán)路與磁場方向夾角的余弦成比例，因此為使噪聲最低，必須環(huán)路與磁場方向垂直、盡量縮小環(huán)路面積。
通過縮短導(dǎo)線長度和/或?qū)Ь€間距可以縮小環(huán)路面積，采用雙絞線或者將導(dǎo)線成對緊扎成線束可以輕松達(dá)到該目的。將電路輸入線和返回線成對捆扎為常用方法，設(shè)計人員必須掌握電流返回信號源所走的實際路徑，不過通常電流的實際返回路徑與原始設(shè)計布局預(yù)期不一致。
導(dǎo)線的移動（例如故障檢修所致）可能使環(huán)路面積及環(huán)路與磁場夾角發(fā)生變化，導(dǎo)致噪聲強(qiáng)度超過導(dǎo)線移動之前的水平而變得不可接受，從而需要檢修，形成惡性循環(huán)；牢記如下根本原則：掌握環(huán)路面積和走向，采取各種措施努力抑制噪聲，而且牢牢固定導(dǎo)線！
本文分享到此，未完待續(xù)！