信號準平衡傳輸的原理與應用

摘 要：本文介紹一種既能抗干擾又比較方便實施的“準平衡傳輸”的電路原理以及在應用上的注意事項，同時應用這個原理對光電隔離信號傳輸電路進行了合理優化。

關鍵詞：信號傳輸;抗干擾;平衡傳輸;地電位;屏蔽

1、前言

在電子電路的信號傳輸方面， 抗干擾始終是個重要的課題。在電子設備內部，無論是板內還是板間的信號傳輸，都存在地電位差問題和信號線受到內部輻射和耦合干擾的問題。為了解決這些干擾問題，常用到隔離、屏蔽、合理接地和平衡傳輸等技術手段。

平衡傳輸方式中，需要先把待傳輸信號轉換成兩路相位相反的信號并進行阻抗匹配后再用平衡傳輸雙線送出去，在目的端把兩路信號先用運放跟隨器做緩沖，最后再接入平衡——不平衡轉換電路。這樣的傳輸方式雖然效果好，但是電路形式還是比較繁瑣的。有一種符合平衡傳輸原則，但電路形式更簡潔的信號傳輸方式在許多工業控制場合應用且效果良好，姑且稱之為“準平衡傳輸”方式，本文的后續部分將詳細介紹。

用光電隔離加屏蔽的信號傳輸方式，可以有效消除地電位干擾和耦合輻射干擾。但是在實踐中，很容易因接地不正確而使抗干擾愿望落空。本文也介紹正確的接地方法和優化的連接方案。

2、平衡傳輸和“準平衡傳輸”

上圖的上半部分是音頻信號平衡傳輸的鏈路圖，傳輸電纜是帶屏蔽層的雙絞線。下半部分是簡潔得多的準平衡傳輸的鏈路，可以僅用貼地走線的無屏蔽雙絞線或在PCB板上布出來的緊靠雙線來傳輸信號，就能得到很接近平衡傳輸的抗干擾效果。

2.1 平衡傳輸的技術要點

平衡傳輸的方式能夠有抗干擾的效果，概括起來其技術要點如下：

2.1.1? 兩條信號線的空間結構對稱

兩條信號線雙絞起來，使兩條信號線隨著雙絞的延伸而輪流出現在上下前后左右等所有方向的外側，因此兩條信號線對來自所有方向的耦合與輻射干擾具有相同的機會。這樣才能保證兩條信號線上所接收到的干擾信號是具有嚴格同頻同相同幅度的共模性質，有利于用差分電路去除。

2.1.2 兩條信號線端點的對地阻抗相同

從高頻角度來看，每條線都是噪聲接收天線，其端點所接收的信號電壓大小和相位與該端點的對地阻抗有關。通常端點對地阻抗越大，接收的噪聲電壓越高。因此，只有當兩條信號線的端點對地阻抗也相同的情況下，才能保證兩條線所接收到的噪聲信號電壓同頻同相同幅度。

2.1.3 接收電路具有差模通過共模抑制的特性

平衡傳輸的有用信號是兩條線之間的電壓差，即差模信號。當信號傳輸到達目的地后，只要兩條線在傳輸路途中所收到的干擾信號是同頻同相同幅度的共模信號，那么使用具有共模抑制功能的差分電路來接收，就能達到理想的抗干擾效果。

2.2? “準平衡傳輸”與平衡傳輸的技術要點比較

“準平衡傳輸”雖然電路形式比平衡傳輸簡潔得多，但還是基本上具備上述平衡傳輸的三大技術要點的：

2.2.1 “準平衡傳輸”的信號雙線空間對稱性

“準平衡傳輸”常常用布在PCB板上緊靠在一起的兩條細線來傳輸信號，兩條細線無論走直線還是轉彎過角都是緊靠著一起走的，即使需要跨板傳輸，也是連接著線排中兩條靠在一起的線，這樣一直緊靠著走到接收電路的入口處。因此，雖然傳輸雙線沒有雙絞，但是對于干擾源距離遠大于雙線距離的情況，雙線所接收的干擾信號也很近似為嚴格的共模信號，可以在接收端被很好地消除。

2.2.2 “準平衡傳輸”信號雙線的端點對地阻抗

圖1中，“準平衡傳輸”的端點有發送端點A、B和接收端點C、D。

A和B是“準平衡傳輸”信號雙線的起點，其中B點是直接接地的。所以B點對地阻抗是零。A點是運放的輸出端點，其輸出阻抗也是極小的，很接近零，所以端點A、B的對地阻抗很接近相等。

C和D是接收端的端點，如圖所示，兩個端點的對地阻抗都是2R，是嚴格相等的。

2.2.3 “準平衡傳輸”的接收電路特性

如圖1所示，“準平衡傳輸”的接收電路是具有共模抑制能力的差分電路，能有效消除共模干擾信號。

綜上所述，“準平衡傳輸”雖然電路比較簡單，但是其技術特征是非常接近嚴格的平衡傳輸所具有的技術要點的，所以在實際應用中往往能收到很好的抗干擾效果。

2.3 “準平衡傳輸”在具體應用中需要特別注意的事項

“準平衡傳輸”方式中的信號雙線在實踐中是因地制宜的，可以是雙絞線、PCB板上的緊靠細線和跨板的排線等等，所以也經常容易犯一些錯誤，特別需要注意的事項如下：

2.3.1 發送端雙線的起點A、B一定要是運放的輸出端點和靠得最近的接地點。

信號雙線是從起點就要求對稱走線的，因為信號只有在起點處才是干凈無干擾的，如果信號從遠離起點處才開始講究對稱走線，就等于先讓干擾信號進來了。起點處的接地點B最好就是輸出運放集成電路的電源地引腳。

2.3.2 傳輸雙線的任何一條線，都不能在到達接收端之前與任何電路有連接點，否則會破壞雙線的空間對稱性和對地阻抗的同一性，使抗干擾的設想落空。

2.3.3 接收電路的PCB布線要緊湊，所有元件和連接線最好集中在一個小區域，勿使元器件過于分散、連接線過長，否則容易引入額外的干擾。

3、光電隔離傳輸電路的接地與電路優化

工程應用中，經常用光電隔離器件來規避地電位差和共模干擾信號的影響。這是需要正確的接地才能實現的。光耦器件與變壓器類似，是兼具差模放大與共模抑制能力的，所以應用光耦的信號傳輸電路可以利用本文前述的“準平衡傳輸”原理來做優化。分述如下：

3.1 光電隔離電路的正確接地方式

圖2中，（a）、（b）兩種情況分別是當光耦位于發送側和接收側時，正確的接地方式。兩者的共同點是，光耦的發射二極管負極只能接發送側的地，而光耦三極管發射極只能接接收側的地，收發兩側的地電位差就會串入發送回路或接收回路，使光耦的隔離作用完全消失。

3.2 光電隔離電路的優化方案

圖2的光電隔離信號傳輸電路，可以根據“準平衡傳輸”的基本原理進行優化，并可省去傳輸電纜的屏蔽層，內部雙線使用雙絞線并貼地（機架）走線即可，如圖3：

圖3中，傳輸的信號雙線采用雙絞線，空間結構對稱;發送側兩個端點對地阻抗都是r/2;接收側的兩個端點對地都是開路;接收的光耦器件只對輸入的差模信號有輸出，對共模信號無輸出。因此，圖3的電路完全符合“準平衡傳輸”方式的技術特征，可以獲得比較滿意的抗干擾效果。

作者簡介：

何連成（1965-）男，漢族，籍貫：福建廈門， 本科學歷，電子專業高級工程師，廈門廣電集團首席工程師， 主要研究方向：中波廣播發射、自動化控制。