信號(hào)完整性之差分信號(hào)(三)

8 奇模和偶模的概念

（一）奇模和偶模的概念

之前提到過，在一對(duì)差分傳輸線上有可能出現(xiàn)幾種不同的信號(hào)狀態(tài)。如下圖。我們把情況二稱為傳輸線的奇模狀態(tài)，把情況三稱為傳輸線的偶模狀態(tài)。

為什么引入奇模和偶模的概念呢？任何兩根傳輸線之間都會(huì)有串?dāng)_發(fā)生，即使這兩根線是一對(duì)設(shè)計(jì)好的差分線。不過有2種情況，理論上不會(huì)發(fā)生信號(hào)失真，就是情況二和情況三。

先看看情況三，在這種情況下，①兩根信號(hào)線上的電壓信號(hào)完全一致，同高同低。因此dV/dt=0，兩信號(hào)線之間不存在容性耦合電流。②同時(shí)每根信號(hào)線上的dI/dt是一樣的，即兩根線上感性耦合電流是一樣的，LINE+上dI/dt產(chǎn)生的電磁場(chǎng)和LINE-上的dI/dt產(chǎn)生的電磁場(chǎng)一樣，它們之間的相互作用是一致的?？傮w的結(jié)果就是每根信號(hào)線上的電壓模式都一樣，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)失真的傳輸。

再來(lái)看看情況二，LINE+的正信號(hào)在LINE-上會(huì)產(chǎn)生負(fù)向遠(yuǎn)端噪聲脈沖，這將削弱LINE+的傳輸信號(hào)。同時(shí)LINE-的負(fù)信號(hào)在LINE+上會(huì)產(chǎn)生正向遠(yuǎn)噪聲脈沖。LINE+自身削弱的信號(hào)正好等于LINE-在LINE+上產(chǎn)生的正向遠(yuǎn)端噪聲脈沖。兩相互補(bǔ)，此電壓模式能沿差分線實(shí)現(xiàn)無(wú)失真的傳輸。

（二）奇模阻抗和偶模阻抗。

奇模阻抗Zodd：對(duì)于差分信號(hào)傳輸線中任意一根信號(hào)線，當(dāng)差分信號(hào)是奇模狀態(tài)時(shí)，任何一根信號(hào)的阻抗稱為奇模阻抗。數(shù)值上，奇模阻抗是差分阻抗的二分之一，即：

Zdiff=2x Zodd

但是二者并不相同。差分阻抗是差分信號(hào)感受到的阻抗。奇模阻抗是差分線上信號(hào)狀態(tài)是奇模狀態(tài)時(shí)，每根單端信號(hào)線的阻抗。

偶模阻抗Zeven：對(duì)于差分信號(hào)傳輸線中任意一根信號(hào)線，當(dāng)差分信號(hào)是偶模狀態(tài)時(shí)，這一根信號(hào)的阻抗稱為偶模阻抗。傳輸線上傳輸共模信號(hào)時(shí)，傳輸線處于偶模狀態(tài)。數(shù)值上，偶模阻抗是共模阻抗的2倍，即：

Zcomm=1/2x Zeven

共模阻抗是兩根信號(hào)線與返回平面之間的等效電阻。對(duì)于兩條無(wú)耦合的50Ω差分線對(duì)，它們的奇模阻抗和偶模阻抗都是50Ω；它們的差分阻抗是100Ω，共模阻抗是25Ω。

（三）奇模和偶模描述任意差分信號(hào)

一對(duì)差分線上，LINE+的信號(hào)是V1，LINE-的信號(hào)是V2。

Vodd=V1-V2

Veven=1/2 x （V1+V2）

V1=Veven+1/2 x Vodd

V2=Veven-1/2 x Vodd

任何加在差分線上的信號(hào)都可以用奇模電壓分量和偶模電壓分量的組合來(lái)描述。例如LINE+上信號(hào)從0V到1V，LINE-是0V?；谏鲜龉?/p>

Veven=0.5V，Vodd=1V。

這意味著從奇模和偶模的角度看，差分對(duì)的每根信號(hào)上均有0.5V的電壓以偶模方式傳輸。同時(shí)每根信號(hào)上均有1V的電壓以奇模方式傳輸。

它們?cè)谛盘?hào)傳輸過程中相互獨(dú)立、互不干涉。它們?cè)诿扛盘?hào)線上受到的阻抗不同，傳輸速度也有差異。

9共模信號(hào)的端接

在之前的文章《信號(hào)完整性之差分信號(hào)（一）》中提到當(dāng)差分信號(hào)到達(dá)負(fù)載端時(shí)，有反射發(fā)生，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)超過負(fù)載的噪聲容限，減小差分信號(hào)反射的常用辦法是在差分對(duì)末端加入一個(gè)和差分阻抗匹配的電阻。

那么針對(duì)共模信號(hào)？通常源端和負(fù)載端對(duì)共模信號(hào)不是很敏感，但是共模信號(hào)能顯著的增加EMI問題。

共模信號(hào)在差分線的每條線上電壓相同，此信號(hào)在差分傳輸線上感受不到末端的那個(gè)差分匹配電阻（電阻兩端共模信號(hào)差值=0V）。如果共模信號(hào)出現(xiàn)振蕩，什么樣的端接才能解決它呢？

首先要明確一點(diǎn)，端接共模信號(hào)并不能消除共模信號(hào)，只是阻止共模信號(hào)在電路間往返振蕩。

端接共模信號(hào)的一種方法是在每根信號(hào)線與返回平面之間接一個(gè)電阻，這兩個(gè)電阻并聯(lián)的阻值等于共模阻抗。如果共模阻抗是25R，每個(gè)端接電阻值是50R。不過這種方法有個(gè)問題：差分信號(hào)感受到的等效電阻是兩個(gè)電阻的串聯(lián)。只有在Zeven=Zodd時(shí)，奇模信號(hào)看到的阻抗是100R，偶模信號(hào)看到的阻抗是25R，僅僅這種情況下才能同時(shí)滿足差分信號(hào)端接和共模信號(hào)端接。如果LINE+和LINE-的耦合度增加（靠的更近），共模阻抗會(huì)增加，差分阻抗會(huì)減小，沒辦法同時(shí)滿足差分信號(hào)端接和共模信號(hào)端接。

由此提出幾種新的方案來(lái)同時(shí)端接兩種信號(hào)。

方案一：π型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

R1=2*(Zeven*Zodd）/Zeven-Zodd

R2=R3=Zeven

對(duì)于緊耦合的差分線（線寬=線距），奇模阻抗大約在50R，偶模阻抗大約在55R。因此R1=1KR，R2=R3=55R。這種方式可以同時(shí)端接100R的差分阻抗和27.5R的共模阻抗。

方案二：T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

R1=Zodd

R2=1/2*(Zeven-Zodd)

對(duì)于緊耦合的差分線（線寬=線距），奇模阻抗大約在50R，偶模阻抗大約在55R。因此R1=50R，R3=2.5R。這種方式可以同時(shí)端接100R的差分阻抗和27.5R的共模阻抗。

方案三：T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（帶隔直電容）

R1=Zodd

R2=1/2*(Zeven-Zodd)

C=5Tr/Zcomm

在T型端接中加入隔直電容。此結(jié)構(gòu)中，電阻和T型結(jié)構(gòu)保持一致，電容的選擇要保證共模信號(hào)感受到的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于上升時(shí)間，保證再信號(hào)帶寬內(nèi)電容的阻抗小于電阻的阻抗。例如共模阻抗為25R，信號(hào)上升時(shí)間Tr=1ns，那么C=200pF。

當(dāng)然最好的辦法還是仿真。