如何避免在DSP系统中出现噪声和EMI问题

串扰及传输线效应

　　信号间的干扰，即串扰，可以通过电磁辐射在印制线间传播。这也可能由电源和地平面上的无用信号以电气的形式产生。串扰与印制线间距的平方成反比。因此，为了将串扰减到最小，单端信号的布线间距应至少是印制线宽度的2倍。对于像以太网和USB这类的差分信号，印制线间距需要与印制线宽度相同，目的是能够与差分阻抗相匹配。关键信号可以用地和电源平面进行屏蔽，或者在改板时增加与信号并行的地线。

　　有些信号还产生引起串扰的高频谐波。由于辐射的能量正比于信号的上升和下降时间，较慢的上升或下降时间引起的干扰将较小。图6显示出视频干扰的实例，这些干扰可能由内部时钟的辐射所引起。在北美地区第二频道中，18.432MHz的音频时钟的三次谐波，将产生如图中左侧所示的干扰。通过在音频时钟印制线上增加一个串联电阻来放慢时钟的上升和下降时间，减小了干扰，其结果如图6中的右侧所示。不过，设计师需要了解定时裕度，以便于将上升和下降沿降低到系统所允许的限度内。

图6：解决音视频串扰。

　　与串扰相关的是传输线效应，这种效应在高速印制线变成产生辐射干扰的发射器时产生。通常，当信号的上升时间小于传播延迟的2倍时，印制线才发射信号。这就暗示出了一个经验，即为了减小传播延迟，印制线的长度应尽可能短。另一个是合理的信号端接将减慢信号的上升时间，从而将反射引起的过冲和欠冲减到最小。图7显示了如何利用并行端接来校正电平并将传输线效应减到最小。

图7:利用端接将传输线效应减到最小。

　　设计师可能会质疑，既然芯片内部已经集成了电阻，在外部端接负载电阻是否还有其重要性。实际上，除了控制传输线效应外，外部电阻还可以实现信号完整性的精密调整。DSP无法与电路板阻抗完全匹配，因此端接负载可以减小源电流，以及上升和下降时间。

　　与外部端接负载电阻一样，外部的上拉和下拉电阻也是重要的。对于无连接的引脚来说，虽然内部的上拉和下拉电阻是足够的，但高速开关噪声能够传过来，并会误触发连接端上的内部逻辑。

控制EMI

　　能够辐射到系统外的辐射被认为是EMI，这可能使设计无法通过FCC认证。有两种可能的辐射：一种是发射源是一条直线型的信号印制线，或者电缆的共模辐射，另一种是其信号和回路构成一个大电流环路的差分模式辐射。共模辐射随着频率的升高而降低，而差分模式辐射则随着频率的升高而增强，直到其饱和点。这两种模式的辐射如图8和9所示。

图8：共模辐射。

图9：差模辐射。

　　如何处理EMI取决于辐射源。对于共模辐射，当EMI来自外部电缆时(例如图8所示的情况)，可以在电缆上加一个扼流圈。如果导致EMI的是内部传输线，则通常用端接负载的方式，不过在信号印制线间加入一条地线也有助于减小辐射。另一种可能的方案是将信号的印制线长度减短至小于信号波长(或信号频率的倒数)的1/20。例如，为了避免传输辐射，500MHz的印制线应该短于1.18英寸。

　　对于差分模式辐射，所辐射的能量是电流、环路面积和频率的函数。减小辐射的方法包括：端接负载来降低源电流，用合适的电流通道来提供可以减小回路面积的回路，或者降低频率。

　　在计算退耦电阻时，还应考虑动态电流。高速电流可能随时变化，这种瞬变也会引起辐射。此外，改变电容器的值时要防止自谐振限制频率范围。PCB分层是一个好方案，因为电源层对高频形成自然的退耦，而地层则提供最短的回路。把高速信号隔离起来，并使其远离其他信号。如果可能的话，不要把地层隔开。尽管噪声和辐射是由系统设计中的复杂的无用功能引起的，但通过上述的一些简单方法还是可以控制的。

本文小结

　　高速的DSP视频系统中有许多潜在的噪声和辐射源，它们可以扰乱系统的工作，或者使设计通不过FCC的认证。所幸的是，对噪声和辐射的规划和掌握可以帮助系统设计师将这些问题减到最小。早期的努力将节省大量的调试工作和后期的麻烦。PCB布局和回路退耦是设计师可以限制系统噪声和EMI的两种常用技术。具备了这些技术，DSP视频设计师就能有效地解决系统的噪声和辐射。