3-1. 簡(jiǎn)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(gè)人電腦就像大號(hào)便當(dāng)盒，似乎???難相信它們?cè)?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(hào)傳輸速度來減少信號(hào)線的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)了連接器的小型化。然而，當(dāng)簡(jiǎn)單地加速信號(hào)頻率時(shí)，EMI噪聲也會(huì)相應(yīng)增加，這是一個(gè)矛盾。采用差分傳輸為解決這個(gè)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(hào)線作為一對(duì)傳輸線。如圖2-1所示，電流沿兩條線反向流動(dòng)。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(hào)線之間的電勢(shì)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(hào)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(hào)加速。 3-2-2. 抑制共模噪聲 盡管信號(hào)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(gè)問題。一個(gè)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(shí)，電流的磁通量不會(huì)由于這種共模噪聲而抵消，因此會(huì)從信號(hào)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(hào)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(duì)策。使用共模扼流線圈可減少共模噪聲，而不會(huì)因?yàn)闉V波器而影響信號(hào)。圖2-4示例，將共模扼流線圈安裝到USB 3.1 gen2上，針對(duì)5GHz基本信號(hào)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(hào)的原因。如圖2-5所示，由于信號(hào)電流引起的磁通量被抵消，并且不會(huì)產(chǎn)生阻抗，因此線圈不會(huì)影響信號(hào)波形。同時(shí)，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(shí)會(huì)發(fā)生所謂的“偏移”，將波形分為上升和下降信號(hào)，如圖2-6所示。 偏移的出現(xiàn)意味著信號(hào)D 和D-不再對(duì)稱。這意味著流過兩條信號(hào)線的電流不對(duì)稱、磁通量不能正確抵消，會(huì)出現(xiàn)噪聲問題。 D 和D-信號(hào)波形的總和不再為0，并且由于波形振鈴引起的信號(hào)失真也會(huì)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(dòng)勢(shì)平衡信號(hào)線之間的電流，以改善偏移度，如圖2-8所示。但請(qǐng)注意，使用共模扼流線圈并不能改善波形的上升和下降時(shí)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(huì)影響信號(hào)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(duì)信號(hào)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(duì)信號(hào)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(hào)到電路的端子對(duì)（端口）之間的信號(hào)關(guān)系。圖3-1顯示了如何測(cè)量具有兩個(gè)信號(hào)端子組件的S參數(shù)。例如，當(dāng)信號(hào)被輸入到端口1時(shí)，從端口2輸出的信號(hào)振幅與相位差之比表示為S21。當(dāng)發(fā)生損失時(shí)，S21的極性變?yōu)樨?fù)極。同時(shí)，當(dāng)插入損失為正時(shí)，表示正在發(fā)生損失。 S21相當(dāng)于插入損失，但請(qǐng)留意極性相反。 S11表示信號(hào)輸入到端口1時(shí)從端口1輸出的信號(hào)，因此它等于反射系數(shù)。 共模扼流線圈有四個(gè)端子，因此在表示S參數(shù)時(shí)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(gè)問題，即當(dāng)在信號(hào)端子之間輸入相同相位的信號(hào)時(shí)，難以理解共模特性，而當(dāng)輸入反相信號(hào)時(shí)，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(dòng)和共模散射參數(shù)：理論和模擬”，IEEE Tarns，MTT，第43卷，第7號(hào)，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(hào)波輸入到端口1時(shí)，從端口2輸出的共模信號(hào)波的比率。當(dāng)信號(hào)衰減時(shí)，極性變?yōu)樨?fù)。因此，極性相反時(shí)是插入損失。 Sdd21表示當(dāng)將差模信號(hào)波輸入到端口1時(shí)，從端口2輸出的差模信號(hào)波的比率。換句話說，Sdd21對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)于Scc21）在1GHz時(shí)占優(yōu)，而在5GHz時(shí)，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(shí)，必須注意信號(hào)波形。當(dāng)差模插入損失（對(duì)應(yīng)于Sdd21）較高時(shí)，波形失真會(huì)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(píng)估信號(hào)波形。這種評(píng)估的示例如圖3-6所示。藍(lán)線是在信號(hào)波形被覆蓋時(shí)形成的眼圖。之所以稱其為“眼圖”，是因?yàn)槠湫螤铑愃朴谝粚?duì)眼睛。紅色區(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(hào)線之間的阻抗通常指定為100歐姆，如圖3-7所示。因此，信號(hào)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(shí)會(huì)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(hào)部分包含一個(gè)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(huì)增加波形失真。 3-4. 印刷電路板GND對(duì)差分傳輸噪聲的影響 我們想從噪聲的角度簡(jiǎn)要討論印刷電路板GND的設(shè)計(jì)。差分傳輸?shù)幕痉椒ㄊ菍蓷l信號(hào)線用作一對(duì)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(shí)，有人可能會(huì)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(jì)具有實(shí)際線寬的電路板時(shí)，信號(hào)線與GND之間的距離（層間距離）比信號(hào)線之間的距離短。因此，信號(hào)線與GND之間的耦合變得比信號(hào)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(shí)近磁場(chǎng)的模擬結(jié)果。我們可以看到，引入GND縫隙后，近磁場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)。這樣，GND設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)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(huì)導(dǎo)致噪聲增加。