3-1. 簡介

 

如今筆記本電腦已經越來越纖薄流暢。在上世紀90年代，個人電腦就像大號便當盒
，似乎很難相信它們曾經那麼笨重。接口部分也很大

，並為鼠標
、打印機和其他設備配備了各種類型的專用連接器。後來改成了通用接口
，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量，從而實現了連接器的小型化。然而，當簡單地加速信號頻率時，EMI噪聲也會相應增加，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。本文將介紹差分傳輸特征和噪聲抑製方法。

 

3-2. 差分傳輸中的噪聲抑製

 

連接電纜後
，無論是否使用差分傳輸，都容易從電纜發出噪音。

 

3-2-1. 什麼是差分傳輸？

 

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，並降低了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suo示shi，由you於yu消xiao除chu了le外wai部bu施shi加jia的de噪zao聲sheng
，因yin此ci即ji使shi減jian小xiao信xin號hao振zhen幅fu，也ye不bu大da可ke能neng發fa生sheng故gu障zhang。減jian小xiao振zhen幅fu不bu僅jin進jin一yi步bu降jiang低di了le噪zao聲sheng，而er且qie有you利li於yu信xin號hao加jia速su。

 

 

3-2-2. 抑製共模噪聲

 

盡管信號的差分傳輸噪聲水平低，但發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產生的共模噪聲。如圖2-3所(suo)示(shi)，此(ci)噪(zao)聲(sheng)沿(yan)相(xiang)同(tong)方(fang)向(xiang)流(liu)過(guo)所(suo)有(you)導(dao)體(ti)。例(li)如(ru)，當(dang)通(tong)過(guo)電(dian)纜(lan)傳(chuan)導(dao)時(shi)，電(dian)流(liu)的(de)磁(ci)通(tong)量(liang)不(bu)會(hui)由(you)於(yu)這(zhe)種(zhong)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)而(er)抵(di)消(xiao)，因(yin)此(ci)會(hui)從(cong)信(xin)號(hao)線(xian)和(he)屏(ping)蔽(bi)層(ceng)產(chan)生(sheng)強(qiang)烈(lie)的(de)輻(fu)射(she)噪(zao)聲(sheng)。

 

為了應付共模噪聲，通過諸如在信號線上安裝鐵氧體磁珠來抑製噪聲電流、以(yi)及(ji)在(zai)電(dian)源(yuan)線(xian)上(shang)安(an)裝(zhuang)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)器(qi)來(lai)抑(yi)製(zhi)紋(wen)波(bo)噪(zao)聲(sheng)等(deng)方(fang)法(fa)
，來(lai)減(jian)少(shao)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)處(chu)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)的(de)產(chan)生(sheng)。另(ling)外(wai)
，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)加(jia)強(qiang)連(lian)接(jie)到(dao)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)和(he)機(ji)箱(xiang)等(deng)金(jin)屬(shu)的(de)接(jie)地(di)（GND）來降低傳導GND的共模噪聲。

 

 

但若將IC內產生的共模噪聲傳導到差分傳輸線，則還必須在電纜接點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
，而不會因為濾波器而影響信號。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(suo)示(shi)，由(you)於(yu)信(xin)號(hao)電(dian)流(liu)引(yin)起(qi)的(de)磁(ci)通(tong)量(liang)被(bei)抵(di)消(xiao)，並(bing)且(qie)不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)阻(zu)抗(kang)
，因(yin)此(ci)線(xian)圈(quan)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)信(xin)號(hao)波(bo)形(xing)。同(tong)時(shi)
，由(you)於(yu)增(zeng)加(jia)了(le)因(yin)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)所(suo)引(yin)起(qi)的(de)磁(ci)通(tong)量(liang)且(qie)產(chan)生(sheng)了(le)阻(zu)抗(kang)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)。

 

由於上述原因
，共模扼流線圈是適用於差分傳輸的濾波器。

 

 

3-2-3. 通過偏移抑製噪聲

 

到目前為止
，出於討論的目的，我們是將差分傳輸波形視為理想波形。但實際上
，有時會發生所謂的“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，會出現噪聲問題。D +和D-信號波形的總和不再為0，並且由於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。

 

 

共模扼流線圈的結構與變壓器相同，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，使用共模扼流線圈並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zhi此ci，我wo們men已yi經jing介jie紹shao了le差cha分fen傳chuan輸shu的de噪zao聲sheng抑yi製zhi。理li想xiang的de共gong模mo扼e流liu線xian圈quan僅jin消xiao除chu共gong模mo扼e流liu線xian圈quan的de噪zao聲sheng
，而er不bu會hui影ying響xiang信xin號hao波bo形xing，但dan遺yi憾han的de是shi
，實shi際ji的de元yuan件jian無wu法fa如ru此ci運yun行xing。因yin此ci
，必bi須xu檢jian查zha共gong模mo扼e流liu線xian圈quan對dui信xin號hao波bo形xing的de影ying響xiang以yi及ji共gong模mo噪zao聲sheng抑yi製zhi效xiao果guo。為wei此ci，以yi下xia章zhang節jie將jiang介jie紹shao如ru何he表biao示shi共gong模mo扼e流liu線xian圈quan特te性xing以yi及ji這zhe些xie特te性xing對dui信xin號hao波bo形xing的de影ying響xiang。

 

3-3-1. 表示組件的電氣特性

 

S參數特用於表示電子組件的特性。S參數表示輸入和輸出信號到電路的端子對（端口）之間的信號關係。圖3-1顯示了如何測量具有兩個信號端子組件的S參數。例如，當信號被輸入到端口1時，從端口2輸出的信號振幅與相位差之比表示為S21。當發生損失時，S21的極性變為負極。同時

，當插入損失為正時，表示正在發生損失。S21相當於插入損失，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，因此它等於反射係數。

 

 

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

 

 

現在

，這些四端口S參can數shu存cun在zai一yi個ge問wen題ti
，即ji當dang在zai信xin號hao端duan子zi之zhi間jian輸shu入ru相xiang同tong相xiang位wei的de信xin號hao時shi，難nan以yi理li解jie共gong模mo特te性xing，而er當dang輸shu入ru反fan相xiang信xin號hao時shi，則ze難nan以yi理li解jie差cha模mo傳chuan輸shu特te性xing，如ru圖tu3-3所示。因此采用混合模式S參數（注1）來表示這些特性。

 

（注1）參考文檔：David E. Bockelman，William R. Eisenstadt

，“合並差動和共模散射參數：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參數的標注方法如圖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。當信號衰減時，極性變為負。因此，極性相反時是插入損失。

 

Sdd21表示當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對應差模插入損耗。

 

 

3-3-2. 選擇共模扼流線圈

 

現在我們將介紹選擇組件以及表述實際的共模扼流線圈特性時應注意的重點。

 

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（對應於Scc21）在1GHz時占優，而在5GHz時，則是共模扼流線圈B占優。由於插入損失視共模扼流線圈而異，因此
，可依據問題噪聲的頻率，選擇適用的共模扼流線圈。

 

選擇組件時，必須注意信號波形。當差模插入損失（對應於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範圍內選擇組件。

 

通常根據眼圖評估信號波形。這種評估的示例如圖3-6所示。藍線是在信號波形被覆蓋時形成的眼圖。之所以稱其為“眼圖”，是因為其形狀類似於一對眼睛。紅色區域是不得出現眼圖的區域，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
，共模扼流線圈調整了導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，並且共模扼流線圈要符合該要求。此外，根據標準，線路之間的阻抗有時會設置為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(zhi)此(ci)，我(wo)們(men)已(yi)經(jing)闡(chan)述(shu)了(le)如(ru)何(he)在(zai)差(cha)分(fen)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)使(shi)用(yong)共(gong)模(mo)扼(e)流(liu)線(xian)圈(quan)
，但(dan)是(shi)根(gen)據(ju)標(biao)準(zhun)，在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)
，信(xin)號(hao)部(bu)分(fen)包(bao)含(han)一(yi)個(ge)單(dan)端(duan)傳(chuan)輸(shu)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)要(yao)注(zhu)意(yi)到(dao)如(ru)果(guo)共(gong)模(mo)扼(e)流(liu)線(xian)圈(quan)的(de)共(gong)模(mo)阻(zu)抗(kang)過(guo)高(gao)，則(ze)可(ke)能(neng)會(hui)增(zeng)加(jia)波(bo)形(xing)失(shi)真(zhen)。

 

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的設計。差分傳輸的基本方法是將兩條信號線用作一對傳輸線
，並在兩條線上沿相反的方向傳導電流。

 

因此
，在構建差分傳輸線時，有人可能會認為GND作為返回電流路徑，與之無關。但實際上
，它受到了影響。當設計具有實際線寬的電路板時
，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。

 

為了說明GND的影響
，圖4-1顯示了在GND側設置縫隙時近磁場的模擬結果。我們可以看到，引入GND縫隙後
，近磁場會增強。這樣，GND設計也會對噪聲產生影響，因此需要謹慎。例如，出於防靜電目的而進行GND隔離會導致噪聲增加。

 

 

3-5. 總結

 

在本文中，我們介紹了適用於高速信號傳輸的差分傳輸噪聲抑製措施。以下是我們在噪聲抑製方麵的總結。

 

(1) 差分傳輸線上安裝濾波器

 

在zai差cha分fen傳chuan輸shu噪zao聲sheng抑yi製zhi中zhong
，使shi用yong共gong模mo扼e流liu線xian圈quan可ke以yi降jiang低di共gong模mo噪zao聲sheng和he信xin號hao波bo形xing偏pian移yi引yin起qi的de噪zao聲sheng。為wei了le抑yi製zhi波bo形xing失shi真zhen，請qing選xuan擇ze在zai噪zao聲sheng頻pin帶dai中zhong具ju有you高gao共gong模mo插cha入ru損sun失shi和he低di差cha模mo插cha入ru損sun失shi的de共gong模mo扼e流liu線xian圈quan。

 

(2) 抑製電路中的噪聲源

 

通(tong)過(guo)諸(zhu)如(ru)在(zai)信(xin)號(hao)線(xian)上(shang)安(an)裝(zhuang)鐵(tie)氧(yang)體(ti)磁(ci)珠(zhu)來(lai)抑(yi)製(zhi)噪(zao)聲(sheng)電(dian)流(liu)，以(yi)及(ji)在(zai)電(dian)源(yuan)線(xian)上(shang)安(an)裝(zhuang)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)器(qi)來(lai)抑(yi)製(zhi)紋(wen)波(bo)噪(zao)聲(sheng)等(deng)方(fang)法(fa)
，降(jiang)低(di)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)處(chu)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)的(de)產(chan)生(sheng)。

 

(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。

 

 

我們對差分傳輸的噪聲抑製的介紹到此結束。

 

 

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