从EMI防治观点来看双绞线
我们知道合于标准的话筒线、DMX512、AES线、网线、HDMI...都是双绞线,那为什么是双绞线?
---肯定是为了更好的传输!
那究竟有那些点是需要注意的?而且双绞线能起到那些效果?
为什么有些电缆导体是对绞的,而有些则不是?绞线是电缆结构的一个细节,很简单!
但令人惊讶的是,许多工程师并不真正了解它的优势。大多数人都认为对绞对电磁干扰(EMI)有好处,但当被问到时,他们通常不知道为什么能有效。
在电缆中绞合线对有四大好处。
两个很明显”obvious”。
两个很微妙”subtle”。
当两条相邻的导线承载信号并以相反方向返回电流时,绞合可提高性能。对于电源和返回电流,同样有用。
01 磁场消除 磁场向外发射MagneticField Emissions
在以相反方向承载电流的两条平行导线之间的空间中,磁场是相加的。如果电线没有对绞,电线附近的磁场将是非零的。更高的电流幅度和更大的导线之间的距离会产生更大的磁场。
这样一来与该磁场相交的电路回路(例如同一束中的另一对未绞合的线对)将经历感应电压。
当电线绞在一起时,相邻半绞中的磁场方向相反并趋于抵消。更密的对绞提供更好的场抵消。
在这一段对绞长度上,从电线发出的净磁场接近于零,因此相邻的电路回路感应到的电压将接近于零。
磁场敏感性MagneticField Susceptibility
如上所述,未绞合的线对会形成一个电路回路,如果暴露在磁场中,则会产生感应电压。电缆末端的电路遭遇到不对绞的线对,会看到更多的感应噪声,因此更容易受到影响。
而将导线绞合在一起会导致入射磁场在相邻的半绞中感应出具有相反极性的电压。最终效应是降低感应电压并提高抗噪性。
02 减少电场拾取和辐射 电场发射ElectricField Emissions
大多数情况下,电路的线对之间存在电位差。电源和回路之间可能有交流或直流电压,差分信号对携带重复交换极性的电压,单端信号在低电位差(数字信号 0)和高电位差(数字信号1)之间交替。
电场起源于具有最高电位的导体并终止于具有最低电位的导体。
更高的电压差会产生更强的电场。
电线之间的距离越大,产生的边缘就越宽。
如果电场在附近的导体上终止,就会感应出电流。
当承载电压的线对绞在一起时,由于来自相邻半绞的电场线方向相反,并趋向于相互抵消。更多的对绞交互抵消改善了电场。在它们的长度上,从电线发射的净电场接近于零,因此相邻电路受到的影响较小。
电场敏感性ElectricField Susceptibility
就像对绞可以降低辐射一样,对绞可以提高对电场拾取的免疫力(*1)。暴露在与电线不平行的电场中的线对将在电线上产生感应电流。如果将导线绞在一起,则每个相邻半绞中的感应电流方向相反,因此净效应接近于零感应电流,并提高了电路抗干扰程度。
(*1)翻译编按:这边的论述是不当的应改为:对绞可以提高对电场拾取的”均匀度”两线透过对绞均匀的收到一样的”共模干扰”这在后面可以被差动放大组件所排除。
03 将电线保持在一起
微妙但重要Subtle,but important
对绞具有自动将电线紧紧拉在一起的额外好处。并保持它们之间的距离均匀,彼此间的距离是电线绝缘层厚度的两倍。
线对的特性阻抗与线芯之间分离直接相关。通过在其长度上保持导线之间的均匀间距,特性阻抗将是恒定的,这是对信号完整性非常重要的特性。
从线对发射并耦合到线对的电场和磁场与线缆之间的距离直接相关。因此最大限度地减少电线分离,能最大限度地减少排放和拾取。
04 平衡共模阻抗
更微妙,也很重要。
线对通常在导体表面(conductingsurface),接地平面附近布线。
无论是汽车、飞机、设备机架、电缆桥架和金属外壳中的任何安装的线束都是如此。
如果一根导线比另一根更靠近地平面,则两根导线对地的射频阻抗将不同。它们的共模阻抗将是不平衡的。
即使两根导线彼此均匀地间隔开并且它们的末端电路经过优化设计和平衡,整个电路也将是不平衡的。
在共模不平衡的电路中,差分信号当中的一部分,即两根导线之间的信号,将会混入共模噪声,即信号导体和接地层之间的噪声。除了造成信号完整性下降之外,来自电线的辐射会更高,终端电路更容易受到噪声的影响。
另一方面,如果电线被对绞,在它们单位长度上取平均值,因为电线与地平面的距离将相同。它们的共模阻抗将被平均,电路将表现出更低的辐射发射和更强的噪声拾取抗干扰程度。
05 为什么不是所有的电线都对绞?
与双绞线相比,非双绞线占用的空间更小且更短。无对绞更便宜(无捻入,省成本)。在有优势的电磁环境中可能不需要双绞线,非双绞线可能是合适的选择。但在大多数应用中,对绞却能以最低的成本提供了显著的好处。
为每条信号线提供专用返回线return wire(通常是屏蔽层)并不总是可行的。当两根、三根或更多信号线共享一条回线时,将信号线与返回线绞合在一起比起完全不绞合仍然是有益的。只要确保通过双绞线组的净信号电流名义上为零。对绞提供的阻抗平衡部分磁场场抵消、环路面积减少对于电路仍是有益的。