实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡

中心议题：
    *  平衡的定义
    *  平衡的特性
    *  平衡缆线

本系列讲座共12篇，剩下6篇在文章最后：
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010427
实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010428
实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010432

平衡的定义

平衡是强化噪讯时重要的性质，传输信号必需有往与返两条信号线，处理信号必需在信号线途径插入电子组件，形成所谓的「电子电路」，该电路同样必需设置可以使信号折返原点的结构。如图1所示由信号线与电子组件构成的电路，它的往与返任何定义下都是对等时称为「平衡」。
　
图1 平衡的定义

在平衡电路如果有非对等部位时称为「不平衡」，不平衡的电路则称为「不平衡电路」。上述平衡与不平衡属于模拟性概念，所有平衡的程度具有所谓的「平衡度」问题。世间并没有完全的平衡，完全平衡物理上必需通过相同场所，这种情况实际上不可能存在。实际上被视为平衡的情况概称为平衡，实用上如果被认为欠缺平衡度时，就成为不平衡。

电子电路内的一般信号线的信号折返线，通常都使用共通的大地线 (ground line)，由于「往线」独立，「返线」共通，因此大地线属于「不平衡」，信号线为「平衡」，所以信号线必需有往与返2条线的结构。图2是平衡与不平衡具体实例，图2(a)是一般RC滤波器，它的「往」设有电阻，因此属于不平衡；图2(b)的「往」与「返」对等，因此属于平衡。

噪讯对策用滤波器的噪讯与信号频宽非常接近时，滤波器必需要有敏锐(sharp)的特性与极高的精度，不过一般噪讯对策用滤波器，却不要求敏锐的特性与精确的特性值。插入滤波器的部位要求高平衡时，基于提高平衡度的考虑，「往」与「返」的阻抗值必需一致，相同理由第2章信号模式的图7一般模式消除用滤波器，同样为了提高一般模式的消除率，因此要求极高的平衡度。
　
图2 滤波器的平衡与不平衡
 
平衡的特性

接着探讨平衡时的效应。此处假设来自外部的噪讯，被施加于平衡的信号线，根据上述定义所谓平衡是指2条线对等，因此等值的噪讯等于同时渗透到2条线内(图3)，此时噪讯变成一般模式噪讯(common mode noise)。
 　
图3 外来噪讯

来自外部的噪讯被施加于不平衡的信号线时，随着不平衡的差异，渗透的噪讯大小也不相同，亦即除了一般模式噪讯之外，标准模式噪讯(normal mode noise)也会渗透至信号线内部。由于标准模式噪讯性并不比一般模式噪讯好，因此「平衡」反而比较有利。 至于平衡度，根据使用目的与用途定义即可，并没有特定的定义规范，通常平衡度被定义成如下:

「承受来自外部的噪讯，在渗透的噪讯之中，假设标准模式成份为EN，一般模式成份为EC的话，平衡度=EC/(EC+EN)」

如图4与图5所示，一般模式信号在平衡电路中，直接以一般模式传输，‧如果是平衡时，由于阻抗(impedance)为Z1=Z2，因此阻抗造成的电压下降相同，成为V3=V4，维持一般模式。
 

如果不平衡时，由于Z1≠Z2，因此阻抗造成的电压下降值相异，成为V3≠V4，该差异成份则转化成标准模式。

如果是平衡时，由于阻抗为Z3=Z4，因此V3=V4，维持一般模式。

如果不平衡时，由于Z3≠Z4，V3≠V4，部份化为标准模式。

由此可知不平衡时，一般模式会转化成标准模式，不过一般都不希望发生这种情况。
　
图4 平衡与不平衡时的传输比较(串联电路)
　
图5 平衡与不平衡时的传输比较(并联电路)

平衡缆线

2条线彼此相隔并不是平衡，如果2条线完全在相同场地通行时，才成为真平衡，不过物理上根本不可能存在。为提高平衡度必需使2条线密贴通行，这种电线称为「平行缆线」。虽然平行缆线的平衡度相当高，不过却不够充足。如图6所示实用上平衡度最高的物体，是2条线相互缠绕的捻合对线(twist pair cable)，虽然捻合对线的2条线并非完全在相同场地，不过它的平均值却与相同场地的值一样。

图6 捻合对线与平行缆线的比较

图7是捻合对线与平行缆线承受外部噪讯的差异比较，图中的绿色线表示从外部施加的磁力线。受到磁力线的影响，电压产生橙色线方向变化，该电压在捻合对线的各线内相互呈抵销方向，因此整体而言不会发生电压(噪讯)，相形之下在并行线，电压在各线却变成相互累加的噪讯。
 　
图7 捻合对线与平行缆线承受噪讯的差异比较
 

　
图8是捻合对线与平行缆线释放噪讯的差异比较，如图所示缆线内流动的电流以橙色表示，受到电流影响产生绿色线的磁力线。捻合对线的场合，邻近捻合对线产生的磁力线相互呈抵销方向，因此缆线附近除外，释放至外部的噪讯强度可以忽视，相形之下在并行线，由于磁力线相互累加，所以会影响到远方。由此可知捻合对线不会变成加害者，即使变成被害者时，它具有强大的抗噪讯特性。此处请读者注意「不会变成加害者，是平行缆线的特征之一」。由于捻合对线的平衡度是所有缆线最高者，因此又称为「平衡缆线」。
 　
图8 捻合对线与平行缆线释放噪讯的差异比较

图9是同轴缆线的结构。同轴缆线属于高频用缆线，它的内部导体与外部导体的轴心一致，亦即平均位置相同，以此观点而言，同轴缆线属于「平衡」，然而实际上同轴缆线的内部导体与外部导体截面积不同，所以并不是真正的「平衡」，只能说同轴缆线的平均位置相同，具备部份平衡特性。通常kHz等级的低频必需视为不平衡，比kHz更高的频率才拥有平衡特性。

如上所述同轴缆线主要是应用在高频领域，在信号的频率范围属于平衡，不过对商用电源等低频而言，同轴缆线则变成不平衡，换言之商用电源频率的标准模式噪讯，会入侵至同轴缆线内部。不过标准模式的商用频率噪讯，可以利用变压器的使用有效去除。

理论上变压器可以使标准模式通过，阻止一般模式通过，然而在高频用变压器，即使是低频信号只要是标准模式就无法通过。
　
图9 同轴缆线的结构

印刷基板上的信号线本身不具备可以支持捻合对线的平衡度，印刷基板要求具备高平衡度时，利用信号的往、返图案并排通行，可以获得与平行缆线同等级的结果。虽然在印刷电路基板却无法制作真同轴缆线，不过却可以制作足够取代同轴缆线的图案，称为「micro strip line」(图10)。
　
图10 micro strip line

图10中的Ground plane是指平面状的大地(Ground)而言，一般Ground plane的大小相当于该印刷电路基板整体面积，或是对应信号线的图案具备充分面积，micro strip line 与Ground plane成配对(pair)状，基本上Ground plane被归类成信号线的图案，因此micro strip line的信号折返线就是大地。 同轴缆线的外部导体并不是大地，虽然micro strip line可以取代同轴缆线，不过却与同轴缆线不同等，主要原因是同轴缆线在高频领域拥有平衡特性，micro strip line却无法取得平衡特性。

同轴缆线与micro strip line共通物只有:「micro strip line可以使它的特性阻抗变成一定」，亦即micro strip line可以使特性阻抗值变成与同轴缆线相同(一般印刷电路基板即使在相同图案上，特性阻抗会随着所在部位不同)。

micro strip line强化结果变成「strip line」，它是利用两个Ground plane挟持信号图案形成三明治结构。

本系列讲座共12篇，剩下6篇在文章头部：
实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010433
实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010434
实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439