信号准平衡传输的原理与应用

摘 要：本文介绍一种既能抗干扰又比较方便实施的“准平衡传输”的电路原理以及在应用上的注意事项，同时应用这个原理对光电隔离信号传输电路进行了合理优化。

关键词：信号传输;抗干扰;平衡传输;地电位;屏蔽

1、前言

在电子电路的信号传输方面， 抗干扰始终是个重要的课题。在电子设备内部，无论是板内还是板间的信号传输，都存在地电位差问题和信号线受到内部辐射和耦合干扰的问题。为了解决这些干扰问题，常用到隔离、屏蔽、合理接地和平衡传输等技术手段。

平衡传输方式中，需要先把待传输信号转换成两路相位相反的信号并进行阻抗匹配后再用平衡传输双线送出去，在目的端把两路信号先用运放跟随器做缓冲，最后再接入平衡——不平衡转换电路。这样的传输方式虽然效果好，但是电路形式还是比较繁琐的。有一种符合平衡传输原则，但电路形式更简洁的信号传输方式在许多工业控制场合应用且效果良好，姑且称之为“准平衡传输”方式，本文的后续部分将详细介绍。

用光电隔离加屏蔽的信号传输方式，可以有效消除地电位干扰和耦合辐射干扰。但是在实践中，很容易因接地不正确而使抗干扰愿望落空。本文也介绍正确的接地方法和优化的连接方案。

2、平衡传输和“准平衡传输”

上图的上半部分是音频信号平衡传输的链路图，传输电缆是带屏蔽层的双绞线。下半部分是简洁得多的准平衡传输的链路，可以仅用贴地走线的无屏蔽双绞线或在PCB板上布出来的紧靠双线来传输信号，就能得到很接近平衡传输的抗干扰效果。

2.1 平衡传输的技术要点

平衡传输的方式能够有抗干扰的效果，概括起来其技术要点如下：

2.1.1  两条信号线的空间结构对称

两条信号线双绞起来，使两条信号线随着双绞的延伸而轮流出现在上下前后左右等所有方向的外侧，因此两条信号线对来自所有方向的耦合与辐射干扰具有相同的机会。这样才能保证两条信号线上所接收到的干扰信号是具有严格同频同相同幅度的共模性质，有利于用差分电路去除。

2.1.2 两条信号线端点的对地阻抗相同

从高频角度来看，每条线都是噪声接收天线，其端点所接收的信号电压大小和相位与该端点的对地阻抗有关。通常端点对地阻抗越大，接收的噪声电压越高。因此，只有当两条信号线的端点对地阻抗也相同的情况下，才能保证两条线所接收到的噪声信号电压同频同相同幅度。

2.1.3 接收电路具有差模通过共模抑制的特性

平衡传输的有用信号是两条线之间的电压差，即差模信号。当信号传输到达目的地后，只要两条线在传输路途中所收到的干扰信号是同频同相同幅度的共模信号，那么使用具有共模抑制功能的差分电路来接收，就能达到理想的抗干扰效果。

2.2  “准平衡传输”与平衡传输的技术要点比较

“准平衡传输”虽然电路形式比平衡传输简洁得多，但还是基本上具备上述平衡传输的三大技术要点的：

2.2.1 “准平衡传输”的信号双线空间对称性

“准平衡传输”常常用布在PCB板上紧靠在一起的两条细线来传输信号，两条细线无论走直线还是转弯过角都是紧靠着一起走的，即使需要跨板传输，也是连接着线排中两条靠在一起的线，这样一直紧靠着走到接收电路的入口处。因此，虽然传输双线没有双绞，但是对于干扰源距离远大于双线距离的情况，双线所接收的干扰信号也很近似为严格的共模信号，可以在接收端被很好地消除。

2.2.2 “准平衡传输”信号双线的端点对地阻抗

图1中，“准平衡传输”的端点有发送端点A、B和接收端点C、D。

A和B是“准平衡传输”信号双线的起点，其中B点是直接接地的。所以B点对地阻抗是零。A点是运放的输出端点，其输出阻抗也是极小的，很接近零，所以端点A、B的对地阻抗很接近相等。

C和D是接收端的端点，如图所示，两个端点的对地阻抗都是2R，是严格相等的。

2.2.3 “准平衡传输”的接收电路特性

如图1所示，“准平衡传输”的接收电路是具有共模抑制能力的差分电路，能有效消除共模干扰信号。

综上所述，“准平衡传输”虽然电路比较简单，但是其技术特征是非常接近严格的平衡传输所具有的技术要点的，所以在实际应用中往往能收到很好的抗干擾效果。

2.3 “准平衡传输”在具体应用中需要特别注意的事项

“准平衡传输”方式中的信号双线在实践中是因地制宜的，可以是双绞线、PCB板上的紧靠细线和跨板的排线等等，所以也经常容易犯一些错误，特别需要注意的事项如下：

2.3.1 发送端双线的起点A、B一定要是运放的输出端点和靠得最近的接地点。

信号双线是从起点就要求对称走线的，因为信号只有在起点处才是干净无干扰的，如果信号从远离起点处才开始讲究对称走线，就等于先让干扰信号进来了。起点处的接地点B最好就是输出运放集成电路的电源地引脚。

2.3.2 传输双线的任何一条线，都不能在到达接收端之前与任何电路有连接点，否则会破坏双线的空间对称性和对地阻抗的同一性，使抗干扰的设想落空。

2.3.3 接收电路的PCB布线要紧凑，所有元件和连接线最好集中在一个小区域，勿使元器件过于分散、连接线过长，否则容易引入额外的干扰。

3、光电隔离传输电路的接地与电路优化

工程应用中，经常用光电隔离器件来规避地电位差和共模干扰信号的影响。这是需要正确的接地才能实现的。光耦器件与变压器类似，是兼具差模放大与共模抑制能力的，所以应用光耦的信号传输电路可以利用本文前述的“准平衡传输”原理来做优化。分述如下：

3.1 光电隔离电路的正确接地方式

图2中，（a）、（b）两种情况分别是当光耦位于发送侧和接收侧时，正确的接地方式。两者的共同点是，光耦的发射二极管负极只能接发送侧的地，而光耦三极管发射极只能接接收侧的地，收发两侧的地电位差就会串入发送回路或接收回路，使光耦的隔离作用完全消失。

3.2 光电隔离电路的优化方案

图2的光电隔离信号传输电路，可以根据“准平衡传输”的基本原理进行优化，并可省去传输电缆的屏蔽层，内部双线使用双绞线并贴地（机架）走线即可，如图3：

图3中，传输的信号双线采用双绞线，空间结构对称;发送侧两个端点对地阻抗都是r/2;接收侧的两个端点对地都是开路;接收的光耦器件只对输入的差模信号有输出，对共模信号无输出。因此，图3的电路完全符合“准平衡传输”方式的技术特征，可以获得比较满意的抗干扰效果。

作者简介：

何连成（1965-）男，汉族，籍贯：福建厦门， 本科学历，电子专业高级工程师，厦门广电集团首席工程师， 主要研究方向：中波广播发射、自动化控制。