静噪基础教程——差分传输中的噪声抑制

toyzzhan

3-1. 简介
如今笔记本电脑已经越来越纤薄流畅。在上世纪90年代，个人电脑就像大号便当盒，似乎很难相信它们曾经那么笨重。接口部分也很大，并为鼠标、打印机和其他设备配备了各种类型的专用连接器。后来改成了通用接口，使其大幅小型化。

通过加快信号传输速度来减少信号线的数量，从而实现了连接器的小型化。然而，当简单地加速信号频率时，EMI噪声也会相应增加，这是一个矛盾。采用差分传输为解决这个问题做出了重要贡献。本文将介绍差分传输特征和噪声抑制方法。

3-2. 差分传输中的噪声抑制
连接电缆后，无论是否使用差分传输，都容易从电缆发出噪音。

3-2-1. 什么是差分传输？
差分传输总体上说也就是将两条信号线作为一对传输线。如图2-1所示，电流沿两条线反向流动。因此，如图2-2（a）所示抵消了磁通量，并降低了EMI噪声。

另外，差分传输通过信号线之间的电势差确定逻辑。因此，如图2-2（b）所示，由于消除了外部施加的噪声，因此即使减小信号振幅，也不大可能发生故障。减小振幅不仅进一步降低了噪声，而且有利于信号加速。

3-2-2. 抑制共模噪声
尽管信号的差分传输噪声水平低，但发自电缆的噪声辐射仍是一个问题。一个主要原因是电子电路内产生的共模噪声。如图2-3所示，此噪声沿相同方向流过所有导体。例如，当通过电缆传导时，电流的磁通量不会由于这种共模噪声而抵消，因此会从信号线和屏蔽层产生强烈的辐射噪声。

为了应付共模噪声，通过诸如在信号线上安装铁氧体磁珠来抑制噪声电流、以及在电源线上安装旁路电容器来抑制纹波噪声等方法，来减少噪声源处共模噪声的产生。另外，可以通过加强连接到印刷电路板和机箱等金属的接地（GND）来降低传导GND的共模噪声。

但若将IC内产生的共模噪声传导到差分传输线，则还必须在电缆接点处安装滤波器作为对策。使用共模扼流线圈可减少共模噪声，而不会因为滤波器而影响信号。图2-4示例，将共模扼流线圈安装到USB 3.1 gen2上，针对5GHz基本信号频率，降低了10GHz二次谐波的辐射噪声。

从共模扼流线圈中产生的磁通量的方向，便可以知道共模扼流线圈能够抵消共模噪声而不影响信号的原因。如图2-5所示，由于信号电流引起的磁通量被抵消，并且不会产生阻抗，因此线圈不会影响信号波形。同时，由于增加了因共模噪声所引起的磁通量且产生了阻抗，从而降低了共模噪声。

由于上述原因，共模扼流线圈是适用于差分传输的滤波器。

3-2-3. 通过偏移抑制噪声
到目前为止，出于讨论的目的，我们是将差分传输波形视为理想波形。但实际上，有时会发生所谓的“偏移”，将波形分为上升和下降信号，如图2-6所示。

偏移的出现意味着信号D +和D-不再对称。这意味着流过两条信号线的电流不对称、磁通量不能正确抵消，会出现噪声问题。 D +和D-信号波形的总和不再为0，并且由于波形振铃引起的信号失真也会增加。

共模扼流线圈也是减少引发此类偏移的有效方法。图2-7为通过安装共模扼流线圈来改善偏移的示例。

共模扼流线圈的结构与变压器相同，因此它是利用电动势平衡信号线之间的电流，以改善偏移度，如图2-8所示。但请注意，使用共模扼流线圈并不能改善波形的上升和下降时间。

3-3. 共模扼流线圈所需的特性
至此，我们已经介绍了差分传输的噪声抑制。理想的共模扼流线圈仅消除共模扼流线圈的噪声，而不会影响信号波形，但遗憾的是，实际的元件无法如此运行。因此，必须检查共模扼流线圈对信号波形的影响以及共模噪声抑制效果。为此，以下章节将介绍如何表示共模扼流线圈特性以及这些特性对信号波形的影响。

3-3-1. 表示组件的电气特性
S参数特用于表示电子组件的特性。 S参数表示输入和输出信号到电路的端子对（端口）之间的信号关系。图3-1显示了如何测量具有两个信号端子组件的S参数。例如，当信号被输入到端口1时，从端口2输出的信号振幅与相位差之比表示为S21。当发生损失时，S21的极性变为负极。同时，当插入损失为正时，表示正在发生损失。 S21相当于插入损失，但请留意极性相反。 S11表示信号输入到端口1时从端口1输出的信号，因此它等于反射系数。

共模扼流线圈有四个端子，因此在表示S参数时使用四端口S参数，如图3-2所示。

现在，这些四端口S参数存在一个问题，即当在信号端子之间输入相同相位的信号时，难以理解共模特性，而当输入反相信号时，则难以理解差模传输特性，如图3-3所示。因此采用混合模式S参数（注1）来表示这些特性。

（注1）参考文档：David E. Bockelman，William R. Eisenstadt，“合并差动和共模散射参数：理论和模拟”，IEEE Tarns，MTT，第43卷，第7号，第1530-1539页，1995年7月

这些混合模式S参数的标注方法如图3-4所示。例如，Scc21表示在将共模信号波输入到端口1时，从端口2输出的共模信号波的比率。当信号衰减时，极性变为负。因此，极性相反时是插入损失。

Sdd21表示当将差模信号波输入到端口1时，从端口2输出的差模信号波的比率。换句话说，Sdd21对应差模插入损耗。

3-3-2. 选择共模扼流线圈
现在我们将介绍选择组件以及表述实际的共模扼流线圈特性时应注意的重点。

图3-5显示了两种共模扼流线圈特性。

我们可以看到，共模扼流线圈A的共模插入损失特性（对应于Scc21）在1GHz时占优，而在5GHz时，则是共模扼流线圈B占优。由于插入损失视共模扼流线圈而异，因此，可依据问题噪声的频率，选择适用的共模扼流线圈。

选择组件时，必须注意信号波形。当差模插入损失（对应于Sdd21）较高时，波形失真会增加。因此，必须在不存在波形失真问题的范围内选择组件。

通常根据眼图评估信号波形。这种评估的示例如图3-6所示。蓝线是在信号波形被覆盖时形成的眼图。之所以称其为“眼图”，是因为其形状类似于一对眼睛。红色区域是不得出现眼图的区域，称为“遮罩”。选择差模插入损失小的共模扼流线圈可以使其眼图不与遮罩重叠。

为了减少差模插入损失，共模扼流线圈调整了导线和传输线之间的特性阻抗。差分传输信号线之间的阻抗通常指定为100欧姆，如图3-7所示。因此，信号线之间的特性阻抗也必须为100欧姆，并且共模扼流线圈要符合该要求。此外，根据标准，线路之间的阻抗有时会设置为90欧姆，因此也存在线路特性阻抗为90欧姆的共模扼流线圈。

至此，我们已经阐述了如何在差分传输中使用共模扼流线圈，但是根据标准，在某些情况下，信号部分包含一个单端传输。在这种情况下，重要的是要注意到如果共模扼流线圈的共模阻抗过高，则可能会增加波形失真。

3-4. 印刷电路板GND对差分传输噪声的影响
我们想从噪声的角度简要讨论印刷电路板GND的设计。差分传输的基本方法是将两条信号线用作一对传输线，并在两条线上沿相反的方向传导电流。

因此，在构建差分传输线时，有人可能会认为GND作为返回电流路径，与之无关。但实际上，它受到了影响。当设计具有实际线宽的电路板时，信号线与GND之间的距离（层间距离）比信号线之间的距离短。因此，信号线与GND之间的耦合变得比信号线之间的耦合更强。

为了说明GND的影响，图4-1显示了在GND侧设置缝隙时近磁场的模拟结果。我们可以看到，引入GND缝隙后，近磁场会增强。这样，GND设计也会对噪声产生影响，因此需要谨慎。例如，出于防静电目的而进行GND隔离会导致噪声增加。

3-5. 总结
在本文中，我们介绍了适用于高速信号传输的差分传输噪声抑制措施。以下是我们在噪声抑制方面的总结。

(1) 差分传输线上安装滤波器

在差分传输噪声抑制中，使用共模扼流线圈可以降低共模噪声和信号波形偏移引起的噪声。为了抑制波形失真，请选择在噪声频带中具有高共模插入损失和低差模插入损失的共模扼流线圈。

(2) 抑制电路中的噪声源

通过诸如在信号线上安装铁氧体磁珠来抑制噪声电流，以及在电源线上安装旁路电容器来抑制纹波噪声等方法，降低噪声源处共模噪声的产生。

(3) GND加固

通过加固与电路板、连接器的GND金属板和屏蔽罩等相连接的GND，来降低GND噪声水平。

我们对差分传输的噪声抑制的介绍到此结束。

转载自——村田murata