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設計I/O電路時,有兩個地方很重要,那就是:功能子系統和「安靜區域(quiet area)」。底下將分別說明。
功能子系統
每一個I/O應該被視為PCB的不同區塊,因為它們各自具有獨特的功能與應用。為了避免在子系統之間產生射頻耦合,所以必須做分割。一個功能子系統包含了一堆組件,以及相關的支持電路。組件與組件相互緊鄰,可以縮短走線繞線的長度,并提高各功能區塊的效能。每一位硬件和PCB工程師通常會試著將組件集合在一起,但是由于各種原因,有時這是行不通的。在布線(layout)時,I/O子系統的處理方式和其它PCB區塊不一樣,這通常是經由布線切割達到的。
布線切割加強了訊號的質量和功能的完整性,因為這樣可以防止產生具有高頻寬的發射器,例如:背板互連、視訊裝置、數據接口、以太控制器、SCSI裝置、CPU、毀損的串行或平行、視訊、音頻、異步/同步通訊端口、軟盤控制器、前端顯示器、區域和廣域網絡控制器…等。每一個I/O子系統必須被當成不同的PCB一樣。
安靜區域
「安靜區域」是和數字電路、模擬電路、供電和接地平面隔離的區域。這種隔離可以避免其它PCB區塊內的噪聲源,破壞了敏感電路。例如:來自數字區塊的供電平面噪聲,滲入至模擬裝置(模擬區塊)、音頻裝置(音頻區塊)、I/O濾波器、互連電路…..等的供電接腳,如附圖一。
圖一:安靜區域
每一個I/O埠(或區塊)必須有一個切割的(安靜)接地或功率平面。低頻I/O埠可以使用靠近于連接器的高頻電容(通常是470 pF至1,000 pF)來回避(bypass)。
PCB上的走線繞線必須控制好,以免再次耦合的射頻電流流入纜線的屏蔽(shield)內。一個干凈的(安靜)接地必須位于全部纜線離開系統的點上。供電和接地平面必須同等對待,因為這兩種平面都是射頻返回電流的可能路徑。從交換裝置到I/O控制電路的射頻返回電流,會將高頻寬的交換式射頻噪聲帶至I/O纜線和互聯機路中。
為了建立一個安靜的區域,所以必須做分割。這個安靜區域可能是:
1. 100%與I/O訊號隔離,訊號不管是進入或離開都必須透過一個隔離的變壓器。
2. 數據線路(data line)必須過濾。
3. 透過一個高阻抗共模電感來過濾,或者使用一個鐵粉芯導線(ferrite bead-on-lead)來保護。
分割的主要目的是要把不干凈的供電、接地平面和其它功能區域,與干凈或安靜的區域分開。
隔離和分割
隔離和分割是指組件、電路、供電平面從其它功能裝置、區域和子系統中分開。若允許射頻電流以輻射或電導方式,被傳送至電路板的其它部位,這不僅會造成EMI問題,也會破壞應有的正常功能。
隔離是使電路板上的某區域之所有平面沒有銅線存在,此沒有銅線存在的區域被稱為「壕溝(moat)」。沒有銅線存在的區域寬度通常是0.05英吋。換句話說,一個隔離的區域是電路板上的一個「孤島」,類似一個具有城池的城堡。只有那些需要與它作業或互連的走線,才能與這個隔離區域相連接。對訊號和走線而言,「壕溝」就是一個隔離地帶,這些訊號和走線與隔離區域、或隔離區域的接口無關。
有兩種方法可以將走線、供電、接地平面連接至這個「孤島」上。第一種方法是使用隔離的變壓器、光學隔離器、或共模數據線過濾器,來跨越「壕溝」。第二種方法是使用「壕溝」上的一個「橋梁」。隔離也被應用在將高頻寬組件與低頻電路分開的場合;此外,它也被應用于使I/O界面維持在低的EMI頻寬----亦即從I/O互連電路傳播出來的射頻頻譜大小。
方法一:隔離
這是使用隔離的變壓器或光學隔離器來達成的。一個I/O區域必須與PCB的其它部位100%隔絕。只有在金屬的I/O連接器上,射頻訊號會和底盤的接地平面結合,而且只有透過一個低阻抗、高質量的保護路徑來接地。此外,必須將底盤的接地平面和這個隔離區域分開。有時由于設計的需要,必須在I/O纜線的屏蔽接地(或編織隔離)至底盤接地之間使用旁路電容,以取代直接連接。屏蔽接地或泄漏線路(drain wire)是指在接口連接器上的一根獨立接腳或線路,和外部I/O纜線的內部泄漏線路與它的聚酯薄膜(mylar foil)屏蔽相連接,聚酯薄膜屏蔽也位于該纜線內部。在任何情況下,都不能使用尾導線(pigtail wire)將BNC連接器的外層與底盤的接地面或任何接地系統 連接在一起。測量結果顯示,同樣在15至200MHz范圍內工作的兩個射頻訊號,一個在尾導線內傳輸,另一個在對BNC連接器外層做360度連接的纜線屏蔽內傳輸,它們之間會有40至50dB的誤差。這除了可以降低射頻輻射以外,同時也可以提高ESD的免疫能力,因為當發生ESD時,它的導線電感值比較小。對大多數應用而言,最好能將纜線屏蔽連接至BNC連接器外層,并且做360度的連接。這個連接器后蓋(backshell)最后和一個隔離壁(bulkhead)面板結合,此隔離壁包含了一個金屬面,可以和底盤的接地面連接。
共模數據線過濾器可以和隔離的變壓器結合,以延伸共模抑制(common-mode rejection)的效果。共模數據線過濾器(通常是螺旋管形)可以在模擬和數字訊號應用中使用。這些過濾器可以將在訊號線至I/O區塊或纜線中傳輸的共模射頻電流降至最小。如果在隔離區域內需要電源和接地,例如:一個鍵盤或鼠標需要+5 VDC,此時可以使用一個鐵粉芯導線來穿越「壕溝」,藉此形成電源走線和一條回傳走線,此回傳走線的寬度是電源走線的三倍。使用一個共模的螺旋管體(toroid)來連接電源和接地,也是一種 合適的方法。必要時,二次側的短路保險絲(為了保護產品的使用安全)可以位于鐵粉芯的任何一邊。有時,必須使用去耦合電容,來移除已經過濾過的I/O電源中的數字噪聲。這個額外的去耦合電容之一端可以位于鐵粉芯的過濾側(輸出端),另一端位于隔離的接地平面上。電源過濾組件可以跨越過「壕溝」,在電路板的最外側邊緣上。電源與接地走線必須彼此相鄰,以減少射頻接地回路的大小;如果它們分別位于「壕溝」的兩側,彼此相對的話,在它們之間就會產生射頻接地回路。范例詳如附圖二所示。
圖二:使用隔離法來跨越「壕溝」
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