可降低缆线系统辐射的带缆线平衡器集成电路

随着具有平衡缆线损耗效应的集成电路的出现，系统设计师有能力在很长的铜缆线上，实现高速数据发送。在通信系统设计中，为了得到最佳性能，重要的是控制缆线和连接器的辐射。集成电路平衡缆线损耗效应的能力是系统互连的主要成本影响。用光纤链路只是考虑距离和速度，现在可以用铜缆线架设。这样可以避免光纤模块的高成本。现在，市场上可用“铜模块”直接替代光纤模块。这些铜模块包含Maxim公司的缆线平衡器。用平衡器器件能够在长缆线上接收3.2Gbps数据，而且信号失真非常小。图1示出经过115英尺的信号，用平衡器和不用平衡器之间的比较。所得结果是：用平衡器的信号改善是惊人的。Maxim公司的平衡器家族包括工作速率高达12.5Gbps的器件。

图1 通过115英尺缆线平衡器前后的3.2Gbps信号

在高位率，“铜”缆线互连部件必须很好地起到传输通道作用。它们应该具有确定性的信号完整性以及传送到接收器的最 大功率而无漏失。缆线互连部件的信号漏失成为到外界的EMI（电磁干扰）。而且，当希望设备以从FCC和EC标准的EMC时，这会变得重要起来。

本文讨论降低辐射的简单方法，而缆线平衡能延长传输长度和降低系统成本。

把设备的不同部分连接在一起的缆线和连接器能防止干扰和降低对辐射能量敏感的相互效应。下面讨论可降低缆线系统辐射的一些方法：

1、 平衡的系统
2、 铁氧体珠
3、 双绞缆线
4、 缆线屏蔽
5、 缆线/背板端接连接器

平衡的系统

一下平衡缆线系统由两条线构成，这两条线相对第3条线或地传输正和负（双极）信号。然而，由于差分线驱动器不是理想的，所以，将会有一定量的不希望的信号出现，如噪声、来自电源的交流声和信号线上的温度影响。差分接收器抑制这些共用信号的能力用称之为共模抑制比（CMRR）的性能因数来表示。CMRR是差分模式增益与共模增益之比，通常用dB表示。在平衡系统中影响性能的还有另一个因数，它是由两条信号线可能的长度差引起的信号间的歪斜。这种长度差将导致差分信号沿不能对准，并在地系统中产生小的尖峰。

不包含平衡输出的系统可以在输出用变压器（见图2）产生平衡输出。变压器通常放置在靠近系统输出的地方。如所用放大器不够理想，并存在模式转换问题，则小量初级电流将做为差分模式电流呈现在输出。在高频，这种模式转换是最普遍的。变压器的另一因数是从初级到次级的电容。电容将会增加高频能量到输出的共模耦合，这会增加辐射。采用变压器的另一好处是变压器能提供系统间的DC隔离，系统地之间可能有电势差。

图2 输出的变压器转换

铁氧体珠

若小的铁氧珠或环沿差分信号线滑动，则它将起到纵向变压器的作用，能降低共模电流。它们的性能如同一个减小的变压器。铁氧体珠或环对衰减高频差分（如开关转换瞬态变化和其他高频信号）是有用的。往往在电源内和用于视频监视器的缆线上能看到它们，它们用于降低系统的EMI。铁氧体珠在低阻抗电路中工作得最好。在50MHz左右，珠阻抗高达500Ω。也应该小心，珠磁芯不能变成饱和，因为这将降低其有效性。用多对缆线时，会增加缆线对之间的串扰。图3示出珠插入损耗随负载阻抗和匝数的变化。

图3 铁氧体珠插入损耗与频率的关系

双绞缆线

双绞线可使差分模式辐射大大降低，而共模辐射不受影响。用差分信号传输与单端传输相比其辐射降低20~30dB。每当从缆线辐射电磁场时，双绞线消除来自双绞相邻线的磁场。结果是，若双绞线处于同方向，则耦合到相邻线对的场接近于零。对大多数缆线，在单捆线中含有多对双绞线，双绞线之间扭曲率是变化的。这种衰化将有助于消除线扭曲过程中一点点不对称所引起的耦合结果。做为一个例子可查看典型的Category5缆线的扭曲率，Category5缆线用于大多数Ethernet网络中，可看到扭曲率的变化。

缆线屏蔽

在控制辐射中一个比较重要的因数是缆线屏蔽。此关键参数决定辐射性能，它表示缆线所用屏蔽的有效性。传输阻抗表示流经屏蔽表面的电流与跨接在表面另一端的电压关系。此电压是由流经屏蔽厚度扩散电流引起的（图4）。

图4 传输阻抗图示一极化率和辐射

在网状屏蔽罩中漏电感也会有影响。最好屏蔽效果的最优罩是薄层围住固态管屏蔽，如半刚性同轴电缆。 图5示出几种不同轴电缆的传输阻抗。

图5 不同类型缆线的传输阻抗

采用屏蔽双绞线或屏蔽双导线馈电线的屏蔽平衡线，可使辐射进一步降低，这是因为屏蔽不再用做返回通路。流经屏蔽的唯一电流是由平衡线不对称引起的。因此，辐射降低量为屏蔽电流与信号线上总信号电流的百分比值。

缆线/背板端接连接器

缆线部件最后到负载或源的连接和缆线性能同等重要。连接器能提供良好的屏蔽和到系统地的低阻抗连接是非常重要的。连接器毕竟与信号通路串联。连接器电阻与频率关系示于表1。

表1 连接器电阻与频率关系

连接器类型 DC~10MHz 100MHz 1GHz
BNC连接器 1~3mΩ 10 mΩ 100 mΩ
N连接器 《0.1mΩ 1 mΩ 10 mΩ
屏蔽多触点连接器 10~50mΩ 10~50 mΩ 300 mΩ
Pigtail 5cm Z=“3” mΩ+j0.3Ω×FMHz 《=相同 《=

在背板应用中，需要高速密集端接连接器。有不少制造商生产连接器系统，这些连接器系统可有效地工作在高达12Gbps信号率范围。这些连接器包含差分对和地系统，能提供良好的可控制阻抗和屏蔽。Teradyne和Molex公司生产一系列连接器，型号为VHDM、VHDM-HSD和Gbx。他们的产品把地板集成到连接器外壳中，使其具有控制阻抗和高水平屏蔽。

IEC的Tutorial具有这些连接器的性能，适用于网站。

带缆线平衡器集成电路的经济系统把本方讨论的方法结合在一起来满足性能和辐射要求，这是可能的。