差分傳輸中的噪聲抑制

3-1. 簡介

如今筆記本電腦已經(jīng)越來越纖薄流暢。在上世紀(jì)90年代，個人電腦就像大號便當(dāng)盒，似乎很難相信它們曾經(jīng)那么笨重。接口部分也很大，并為鼠標(biāo)、打印機(jī)和其他設(shè)備配備了各種類型的專用連接器。后來改成了通用接口，使其大幅小型化。

通過加快信號傳輸速度來減少信號線的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)了連接器的小型化。然而，當(dāng)簡單地加速信號頻率時，EMI噪聲也會相應(yīng)增加，這是一個矛盾。采用差分傳輸為解決這個問題做出了重要貢獻(xiàn)。本文將介紹差分傳輸特征和噪聲抑制方法。

3-2. 差分傳輸中的噪聲抑制

連接電纜后，無論是否使用差分傳輸，都容易從電纜發(fā)出噪音。

3-2-1. 什么是差分傳輸？

差分傳輸總體上說也就是將兩條信號線作為一對傳輸線。如圖2-1所示，電流沿兩條線反向流動。因此，如圖2-2（a）所示抵消了磁通量，并降低了EMI噪聲。

另外，差分傳輸通過信號線之間的電勢差確定邏輯。因此，如圖2-2（b）所示，由于消除了外部施加的噪聲，因此即使減小信號振幅，也不大可能發(fā)生故障。減小振幅不僅進(jìn)一步降低了噪聲，而且有利于信號加速。

3-2-2. 抑制共模噪聲

盡管信號的差分傳輸噪聲水平低，但發(fā)自電纜的噪聲輻射仍是一個問題。一個主要原因是電子電路內(nèi)產(chǎn)生的共模噪聲。如圖2-3所示，此噪聲沿相同方向流過所有導(dǎo)體。例如，當(dāng)通過電纜傳導(dǎo)時，電流的磁通量不會由于這種共模噪聲而抵消，因此會從信號線和屏蔽層產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射噪聲。

為了應(yīng)付共模噪聲，通過諸如在信號線上安裝鐵氧體磁珠來抑制噪聲電流、以及在電源線上安裝旁路電容器來抑制紋波噪聲等方法，來減少噪聲源處共模噪聲的產(chǎn)生。另外，可以通過加強(qiáng)連接到印刷電路板和機(jī)箱等金屬的接地（GND）來降低傳導(dǎo)GND的共模噪聲。

但若將IC內(nèi)產(chǎn)生的共模噪聲傳導(dǎo)到差分傳輸線，則還必須在電纜接點(diǎn)處安裝濾波器作為對策。使用共模扼流線圈可減少共模噪聲，而不會因?yàn)闉V波器而影響信號。圖2-4示例，將共模扼流線圈安裝到USB 3.1 gen2上，針對5GHz基本信號頻率，降低了10GHz二次諧波的輻射噪聲。

從共模扼流線圈中產(chǎn)生的磁通量的方向，便可以知道共模扼流線圈能夠抵消共模噪聲而不影響信號的原因。如圖2-5所示，由于信號電流引起的磁通量被抵消，并且不會產(chǎn)生阻抗，因此線圈不會影響信號波形。同時，由于增加了因共模噪聲所引起的磁通量且產(chǎn)生了阻抗，從而降低了共模噪聲。

由于上述原因，共模扼流線圈是適用于差分傳輸?shù)臑V波器。

3-2-3. 通過偏移抑制噪聲

到目前為止，出于討論的目的，我們是將差分傳輸波形視為理想波形。但實(shí)際上，有時會發(fā)生所謂的“偏移”，將波形分為上升和下降信號，如圖2-6所示。

偏移的出現(xiàn)意味著信號D +和D-不再對稱。這意味著流過兩條信號線的電流不對稱、磁通量不能正確抵消，會出現(xiàn)噪聲問題。D +和D-信號波形的總和不再為0，并且由于波形振鈴引起的信號失真也會增加。

共模扼流線圈也是減少引發(fā)此類偏移的有效方法。圖2-7為通過安裝共模扼流線圈來改善偏移的示例。

共模扼流線圈的結(jié)構(gòu)與變壓器相同，因此它是利用電動勢平衡信號線之間的電流，以改善偏移度，如圖2-8所示。但請注意，使用共模扼流線圈并不能改善波形的上升和下降時間。

3-3. 共模扼流線圈所需的特性

至此，我們已經(jīng)介紹了差分傳輸?shù)脑肼曇种?。理想的共模扼流線圈僅消除共模扼流線圈的噪聲，而不會影響信號波形，但遺憾的是，實(shí)際的元件無法如此運(yùn)行。因此，必須檢查共模扼流線圈對信號波形的影響以及共模噪聲抑制效果。為此，以下章節(jié)將介紹如何表示共模扼流線圈特性以及這些特性對信號波形的影響。

3-3-1. 表示組件的電氣特性

S參數(shù)特用于表示電子組件的特性。S參數(shù)表示輸入和輸出信號到電路的端子對（端口）之間的信號關(guān)系。圖3-1顯示了如何測量具有兩個信號端子組件的S參數(shù)。例如，當(dāng)信號被輸入到端口1時，從端口2輸出的信號振幅與相位差之比表示為S21。當(dāng)發(fā)生損失時，S21的極性變?yōu)樨?fù)極。同時，當(dāng)插入損失為正時，表示正在發(fā)生損失。S21相當(dāng)于插入損失，但請留意極性相反。S11表示信號輸入到端口1時從端口1輸出的信號，因此它等于反射系數(shù)。

共模扼流線圈有四個端子，因此在表示S參數(shù)時使用四端口S參數(shù)，如圖3-2所示。

現(xiàn)在，這些四端口S參數(shù)存在一個問題，即當(dāng)在信號端子之間輸入相同相位的信號時，難以理解共模特性，而當(dāng)輸入反相信號時，則難以理解差模傳輸特性，如圖3-3所示。因此采用混合模式S參數(shù)（注1）來表示這些特性。

（注1）參考文檔：David E. Bockelman，William R. Eisenstadt，“合并差動和共模散射參數(shù)：理論和模擬”，IEEE Tarns，MTT，第43卷，第7號，第1530-1539頁，1995年7月

這些混合模式S參數(shù)的標(biāo)注方法如圖3-4所示。例如，Scc21表示在將共模信號波輸入到端口1時，從端口2輸出的共模信號波的比率。當(dāng)信號衰減時，極性變?yōu)樨?fù)。因此，極性相反時是插入損失。

Sdd21表示當(dāng)將差模信號波輸入到端口1時，從端口2輸出的差模信號波的比率。換句話說，Sdd21對應(yīng)差模插入損耗。

3-3-2. 選擇共模扼流線圈

現(xiàn)在我們將介紹選擇組件以及表述實(shí)際的共模扼流線圈特性時應(yīng)注意的重點(diǎn)。

圖3-5顯示了兩種共模扼流線圈特性。

我們可以看到，共模扼流線圈A的共模插入損失特性（對應(yīng)于Scc21）在1GHz時占優(yōu)，而在5GHz時，則是共模扼流線圈B占優(yōu)。由于插入損失視共模扼流線圈而異，因此，可依據(jù)問題噪聲的頻率，選擇適用的共模扼流線圈。

選擇組件時，必須注意信號波形。當(dāng)差模插入損失（對應(yīng)于Sdd21）較高時，波形失真會增加。因此，必須在不存在波形失真問題的范圍內(nèi)選擇組件。

通常根據(jù)眼圖評估信號波形。這種評估的示例如圖3-6所示。藍(lán)線是在信號波形被覆蓋時形成的眼圖。之所以稱其為“眼圖”，是因?yàn)槠湫螤铑愃朴谝粚ρ劬Α＜t色區(qū)域是不得出現(xiàn)眼圖的區(qū)域，稱為“遮罩”。選擇差模插入損失小的共模扼流線圈可以使其眼圖不與遮罩重疊。

為了減少差模插入損失，共模扼流線圈調(diào)整了導(dǎo)線和傳輸線之間的特性阻抗。差分傳輸信號線之間的阻抗通常指定為100歐姆，如圖3-7所示。因此，信號線之間的特性阻抗也必須為100歐姆，并且共模扼流線圈要符合該要求。此外，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，線路之間的阻抗有時會設(shè)置為90歐姆，因此也存在線路特性阻抗為90歐姆的共模扼流線圈。

至此，我們已經(jīng)闡述了如何在差分傳輸中使用共模扼流線圈，但是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在某些情況下，信號部分包含一個單端傳輸。在這種情況下，重要的是要注意到如果共模扼流線圈的共模阻抗過高，則可能會增加波形失真。

3-4. 印刷電路板GND對差分傳輸噪聲的影響

我們想從噪聲的角度簡要討論印刷電路板GND的設(shè)計。差分傳輸?shù)幕痉椒ㄊ菍蓷l信號線用作一對傳輸線，并在兩條線上沿相反的方向傳導(dǎo)電流。

因此，在構(gòu)建差分傳輸線時，有人可能會認(rèn)為GND作為返回電流路徑，與之無關(guān)。但實(shí)際上，它受到了影響。當(dāng)設(shè)計具有實(shí)際線寬的電路板時，信號線與GND之間的距離（層間距離）比信號線之間的距離短。因此，信號線與GND之間的耦合變得比信號線之間的耦合更強(qiáng)。

為了說明GND的影響，圖4-1顯示了在GND側(cè)設(shè)置縫隙時近磁場的模擬結(jié)果。我們可以看到，引入GND縫隙后，近磁場會增強(qiáng)。這樣，GND設(shè)計也會對噪聲產(chǎn)生影響，因此需要謹(jǐn)慎。例如，出于防靜電目的而進(jìn)行GND隔離會導(dǎo)致噪聲增加。

3-5. 總結(jié)

在本文中，我們介紹了適用于高速信號傳輸?shù)牟罘謧鬏斣肼曇种拼胧?。以下是我們在噪聲抑制方面的總結(jié)。

(1) 差分傳輸線上安裝濾波器

在差分傳輸噪聲抑制中，使用共模扼流線圈可以降低共模噪聲和信號波形偏移引起的噪聲。為了抑制波形失真，請選擇在噪聲頻帶中具有高共模插入損失和低差模插入損失的共模扼流線圈。

(2) 抑制電路中的噪聲源

通過諸如在信號線上安裝鐵氧體磁珠來抑制噪聲電流，以及在電源線上安裝旁路電容器來抑制紋波噪聲等方法，降低噪聲源處共模噪聲的產(chǎn)生。

(3) GND加固

通過加固與電路板、連接器的GND金屬板和屏蔽罩等相連接的GND，來降低GND噪聲水平。

我們對差分傳輸?shù)脑肼曇种频慕榻B到此結(jié)束。