差速器共模噪聲的來(lái)源及原因

USB、HDMI和以太網(wǎng)等高速數(shù)據(jù)傳輸接口由于其卓越的抗噪性而使用差分信號(hào)。即便如此，仍會(huì)出現(xiàn)一些噪音。要去除它，我們需要了解它的來(lái)源和原因。

噪聲是一種干擾電子電路中所需信號(hào)的不必要干擾，會(huì)將誤差引入系統(tǒng)。我們采取的抑制噪聲分量的對(duì)策取決于它是共模還是差模。在本文中，我們將了解共模噪聲如何干擾差分信號(hào)。然后，我們將討論差分互連中共模噪聲的來(lái)源，重點(diǎn)討論時(shí)序偏斜。

在我們談?wù)撛胍糁埃屛覀兿葋?lái)看看差速器是如何工作的。

差速器：核心概念

在差分配置中，一對(duì)線路傳輸振幅相等但極性相反的信號(hào)，如圖1所示。由差分對(duì)表示的信號(hào)電平是兩條信號(hào)線的電壓之間的差。

通過差分鏈路傳播的波形。

圖1。通過差分鏈路傳播的波形。圖片由Steve Arar提供

高速數(shù)據(jù)傳輸接口——USB、HDMI、以太網(wǎng)和DDR，舉幾個(gè)例子——通常使用差分信號(hào)。這種數(shù)據(jù)傳輸方法比單端傳輸具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，特別是在高頻下。

抗噪聲性

差分配置的主要優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)外部噪聲具有更高的抗擾度。如果外部噪聲平等地耦合到兩條線路，則它表現(xiàn)為共模信號(hào)，不會(huì)改變兩條線路之間的電壓差。因此，共模噪聲在接收機(jī)處被固有地去除。

然而，現(xiàn)實(shí)世界中的差分線仍然會(huì)受到共模噪聲的影響。這有兩個(gè)原因，第一個(gè)原因是外部噪聲不一定等同地耦合到兩條線路。

考慮與差分路徑平行布線的單端PCB跡線。單端跡線向更近的信號(hào)線引入更大的噪聲。在這種情況下，由于不相等的耦合，一些噪聲被轉(zhuǎn)換為差分模式。在這一點(diǎn)上，不能再通過取兩條信號(hào)線的電壓差來(lái)消除噪聲。

我們還從基礎(chǔ)電子學(xué)課程中了解到，我們的電路在檢測(cè)差分信號(hào)的同時(shí)抑制共模信號(hào)的能力有限。該性能維度的特征在于電路的共模抑制比（CMRR）規(guī)范。因此，雖然接收機(jī)可以抑制共模分量，但不能完全消除共模分量。

盡管存在這些問題，差分信令仍然是減少共模噪聲對(duì)系統(tǒng)性能影響的一種非常有效的方法。此外，差分傳輸具有超出抗噪聲能力的優(yōu)點(diǎn)。

其他優(yōu)點(diǎn)：較少的輻射和地面反彈

差分鏈路使用兩條匹配的線路，這兩條線路攜帶大小相等但極性相反的信號(hào)。事實(shí)上，兩條信號(hào)線發(fā)出相等但相反的磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)會(huì)破壞性地干擾，產(chǎn)生比單端信號(hào)低得多的雜散輻射（圖2）。

差分鏈路中兩條匹配線路的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生破壞性干擾。

圖2:兩條匹配線的磁場(chǎng)發(fā)生破壞性干擾。圖片由Altium提供

差速配置也不太容易受到地面反彈的影響。為了理解這一點(diǎn)，請(qǐng)注意，這兩條信號(hào)線充當(dāng)彼此的返回電流路徑。因此，與單端配置不同，理想的差分鏈路沒有通過板接地平面的返回電流。圖3說(shuō)明了差異。

單端（頂部）和差動(dòng)（底部）變速器中的電流。

圖3。對(duì)于差分鏈路，沒有電流流過接地平面。圖片由STMicroelectronics提供

理想情況下，我們打算沿著互連傳輸純差分信號(hào)。在實(shí)踐中，該信號(hào)將被共模噪聲破壞。在我們研究這種噪聲的來(lái)源之前，讓我們先來(lái)看看共模信號(hào)可能采取的潛在路徑。

差分互連中的共模傳播

雙導(dǎo)體連接不能承載共模信號(hào)。這種互連只能支持差模信號(hào)。然而，因?yàn)槲覀兊腜CB也包括接地連接，所以我們的互連實(shí)際上是多導(dǎo)體而不是兩導(dǎo)體。

接地平面與兩條差分信號(hào)線一起形成多導(dǎo)體互連，可以傳輸共模和差分模式信號(hào)。圖4顯示了這種設(shè)置的共模和差模信號(hào)的電場(chǎng)的一般模式。

地平面上方雙導(dǎo)體互連中共模和差模信號(hào)的電場(chǎng)。

圖4。接地平面上方兩導(dǎo)體互連的橫截面。圖片由D.Jackson提供

我們可以看到，三導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以同時(shí)支持差模和共模信號(hào)。對(duì)于共模信號(hào)，兩條信號(hào)線有效地充當(dāng)單線，回流電流通過接地平面流回源極。

圖5顯示了一個(gè)更一般的示例。這里，電路板靠近金屬底盤放置。

帶有金屬框架的電路板中的共模噪聲。

圖5。帶有金屬框架的電路板中的共模噪聲。圖片由TDK提供

在這種情況下，流過信號(hào)線的共模噪聲電流通過機(jī)箱返回到源。然后，它通過流過信號(hào)線和機(jī)箱之間的雜散電容來(lái)完成環(huán)路。共模噪聲是通過雜散電容和附近信號(hào)線之間的磁耦合引入的。由于電容耦合隨著頻率的增加而增加，所以更高頻率的信號(hào)更有可能產(chǎn)生共模噪聲。

作為共模噪聲源的傾斜

共模噪聲的另一個(gè)來(lái)源是差分鏈路的兩條線路之間的偏斜。Skew是應(yīng)該對(duì)齊的兩個(gè)波形的定時(shí)的差異。如圖6所示，它會(huì)導(dǎo)致波形失去對(duì)稱性，并產(chǎn)生共模分量。

兩條信號(hào)線之間的定時(shí)偏斜產(chǎn)生共模噪聲。

圖6。信號(hào)線D+和D-之間的傾斜產(chǎn)生共模噪聲。圖片由Steve Arar提供

兩個(gè)跡線之間的長(zhǎng)度不匹配和/或D+和D-信號(hào)的上升和下降時(shí)間的差異導(dǎo)致兩個(gè)信號(hào)之間的偏斜。此外，偏斜可能由多種來(lái)源產(chǎn)生，包括：

熱噪聲。

地面反彈。

相聲。

PCB結(jié)構(gòu)。

雖然我們可以減少歪斜，但我們不能完全消除它。例如，讓我們考慮一下PCB基板的纖維編織結(jié)構(gòu)的變化是如何產(chǎn)生歪斜的。

纖維編織效應(yīng)

PCB層壓板和芯由浸有樹脂的編織玻璃制成。這種編織結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致高速電路板中的時(shí)序偏斜。要了解原因，請(qǐng)考慮圖7中的編織玻璃PCB材料。

高倍率的編織玻璃PCB材料。

圖7。編織玻璃PCB材料的高倍率圖像。圖片由Isola提供

圖中的跡線（1）和（2）具有不同的有效介電常數(shù)，因此具有不同的信號(hào)速度。在緩慢上升時(shí)間（>1ns）和低頻（<1GHz）下，纖維編織效應(yīng)可能可以忽略不計(jì)。然而，在需要相位匹配的快速互連和高頻RF系統(tǒng)中，纖維編織方式會(huì)顯著影響系統(tǒng)性能。

有關(guān)減輕纖維編織效應(yīng)的不同方法的總結(jié)，請(qǐng)參閱Altium網(wǎng)站上的“纖維編織效應(yīng)如何影響高頻信號(hào)完整性”。

共模濾波器

理想情況下，我們應(yīng)該盡量避免通過差分鏈路傳輸共模信號(hào)——共模分量會(huì)增加接收器的噪聲、鏈路的輻射和地面反彈效應(yīng)。事實(shí)上，共模噪聲可能會(huì)發(fā)生，盡管我們的初衷是好的，無(wú)論它是由跡線之間的失配引起的，還是由外部噪聲源耦合到差分線引起的。

為了解決共模噪聲的問題，我們使用共模濾波器。這些器件為共模電流創(chuàng)建了高阻抗路徑，同時(shí)允許差模信號(hào)在很大程度上不受影響地通過。我們將在未來(lái)的文章中更詳細(xì)地討論共模濾波器。