差速器共模噪声的来源及原因

USB、HDMI和以太网等高速数据传输接口由于其卓越的抗噪性而使用差分信号。即便如此，仍会出现一些噪音。要去除它，我们需要了解它的来源和原因。

噪声是一种干扰电子电路中所需信号的不必要干扰，会将误差引入系统。我们采取的抑制噪声分量的对策取决于它是共模还是差模。在本文中，我们将了解共模噪声如何干扰差分信号。然后，我们将讨论差分互连中共模噪声的来源，重点讨论时序偏斜。

在我们谈论噪音之前，让我们先来看看差速器是如何工作的。

差速器：核心概念

在差分配置中，一对线路传输振幅相等但极性相反的信号，如图1所示。由差分对表示的信号电平是两条信号线的电压之间的差。

通过差分链路传播的波形。

图1。通过差分链路传播的波形。图片由Steve Arar提供

高速数据传输接口——USB、HDMI、以太网和DDR，举几个例子——通常使用差分信号。这种数据传输方法比单端传输具有多个优点，特别是在高频下。

抗噪声性

差分配置的主要优点是其对外部噪声具有更高的抗扰度。如果外部噪声平等地耦合到两条线路，则它表现为共模信号，不会改变两条线路之间的电压差。因此，共模噪声在接收机处被固有地去除。

然而，现实世界中的差分线仍然会受到共模噪声的影响。这有两个原因，第一个原因是外部噪声不一定等同地耦合到两条线路。

考虑与差分路径平行布线的单端PCB迹线。单端迹线向更近的信号线引入更大的噪声。在这种情况下，由于不相等的耦合，一些噪声被转换为差分模式。在这一点上，不能再通过取两条信号线的电压差来消除噪声。

我们还从基础电子学课程中了解到，我们的电路在检测差分信号的同时抑制共模信号的能力有限。该性能维度的特征在于电路的共模抑制比（CMRR）规范。因此，虽然接收机可以抑制共模分量，但不能完全消除共模分量。

尽管存在这些问题，差分信令仍然是减少共模噪声对系统性能影响的一种非常有效的方法。此外，差分传输具有超出抗噪声能力的优点。

其他优点：较少的辐射和地面反弹

差分链路使用两条匹配的线路，这两条线路携带大小相等但极性相反的信号。事实上，两条信号线发出相等但相反的磁场，这些磁场会破坏性地干扰，产生比单端信号低得多的杂散辐射（图2）。

差分链路中两条匹配线路的磁场会发生破坏性干扰。

图2:两条匹配线的磁场发生破坏性干扰。图片由Altium提供

差速配置也不太容易受到地面反弹的影响。为了理解这一点，请注意，这两条信号线充当彼此的返回电流路径。因此，与单端配置不同，理想的差分链路没有通过板接地平面的返回电流。图3说明了差异。

单端（顶部）和差动（底部）变速器中的电流。

图3。对于差分链路，没有电流流过接地平面。图片由STMicroelectronics提供

理想情况下，我们打算沿着互连传输纯差分信号。在实践中，该信号将被共模噪声破坏。在我们研究这种噪声的来源之前，让我们先来看看共模信号可能采取的潜在路径。

差分互连中的共模传播

双导体连接不能承载共模信号。这种互连只能支持差模信号。然而，因为我们的PCB也包括接地连接，所以我们的互连实际上是多导体而不是两导体。

接地平面与两条差分信号线一起形成多导体互连，可以传输共模和差分模式信号。图4显示了这种设置的共模和差模信号的电场的一般模式。

地平面上方双导体互连中共模和差模信号的电场。

图4。接地平面上方两导体互连的横截面。图片由D.Jackson提供

我们可以看到，三导体结构可以同时支持差模和共模信号。对于共模信号，两条信号线有效地充当单线，回流电流通过接地平面流回源极。

图5显示了一个更一般的示例。这里，电路板靠近金属底盘放置。

带有金属框架的电路板中的共模噪声。

图5。带有金属框架的电路板中的共模噪声。图片由TDK提供

在这种情况下，流过信号线的共模噪声电流通过机箱返回到源。然后，它通过流过信号线和机箱之间的杂散电容来完成环路。共模噪声是通过杂散电容和附近信号线之间的磁耦合引入的。由于电容耦合随着频率的增加而增加，所以更高频率的信号更有可能产生共模噪声。

作为共模噪声源的倾斜

共模噪声的另一个来源是差分链路的两条线路之间的偏斜。Skew是应该对齐的两个波形的定时的差异。如图6所示，它会导致波形失去对称性，并产生共模分量。

两条信号线之间的定时偏斜产生共模噪声。

图6。信号线D+和D-之间的倾斜产生共模噪声。图片由Steve Arar提供

两个迹线之间的长度不匹配和/或D+和D-信号的上升和下降时间的差异导致两个信号之间的偏斜。此外，偏斜可能由多种来源产生，包括：

热噪声。

地面反弹。

相声。

PCB结构。

虽然我们可以减少歪斜，但我们不能完全消除它。例如，让我们考虑一下PCB基板的纤维编织结构的变化是如何产生歪斜的。

纤维编织效应

PCB层压板和芯由浸有树脂的编织玻璃制成。这种编织结构可能导致高速电路板中的时序偏斜。要了解原因，请考虑图7中的编织玻璃PCB材料。

高倍率的编织玻璃PCB材料。

图7。编织玻璃PCB材料的高倍率图像。图片由Isola提供

图中的迹线（1）和（2）具有不同的有效介电常数，因此具有不同的信号速度。在缓慢上升时间（>1ns）和低频（<1GHz）下，纤维编织效应可能可以忽略不计。然而，在需要相位匹配的快速互连和高频RF系统中，纤维编织方式会显著影响系统性能。

有关减轻纤维编织效应的不同方法的总结，请参阅Altium网站上的“纤维编织效应如何影响高频信号完整性”。

共模滤波器

理想情况下，我们应该尽量避免通过差分链路传输共模信号——共模分量会增加接收器的噪声、链路的辐射和地面反弹效应。事实上，共模噪声可能会发生，尽管我们的初衷是好的，无论它是由迹线之间的失配引起的，还是由外部噪声源耦合到差分线引起的。

为了解决共模噪声的问题，我们使用共模滤波器。这些器件为共模电流创建了高阻抗路径，同时允许差模信号在很大程度上不受影响地通过。我们将在未来的文章中更详细地讨论共模滤波器。