淺談差分傳輸中共模噪聲

噪聲是一種不期望出現(xiàn)的干擾，它會在電子電路中對期望信號造成干擾，從而給系統(tǒng)引入誤差。我們?yōu)橐种圃肼暦至克扇〉膽?yīng)對措施，取決于噪聲是共模噪聲還是差模噪聲。在本文中，我們將了解共模噪聲是如何對差分信號產(chǎn)生干擾的。然后，我們將討論差分互連中共模噪聲的來源，重點關(guān)注時序偏移問題。

在討論噪聲之前，讓我們先來回顧一下差分傳輸?shù)墓ぷ髟怼?/p>

一、差分傳輸：核心概念

在差分配置中，如我們在圖1中所見，一對線路傳輸幅度相等但極性相反的信號。由差分對所表示的信號電平是兩條信號線路的電壓之差。

圖1. 通過差分鏈路傳播的波形。

高速數(shù)據(jù)傳輸接口，比如通用串行總線（USB）、高清多媒體接口（HDMI）、以太網(wǎng)（Ethernet）和雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）等，通常都采用差分信號傳輸。與單端傳輸相比，這種數(shù)據(jù)傳輸方式具有多項優(yōu)勢，尤其是在高頻情況下。

二、抗噪聲能力

差分配置的主要優(yōu)勢在于其對外部噪聲具有更高的抗干擾能力。如果外部噪聲同等地耦合到兩條線路上，它會表現(xiàn)為共模信號，而這種共模信號不會改變兩條線路之間的電壓差。因此，共模噪聲在接收端本質(zhì)上就被消除了。

然而，實際中的差分線路仍然可能受到共模噪聲的影響。這有兩個原因，第一個原因是外部噪聲不一定會同等地耦合到兩條線路上。

設(shè)想有一條單端印刷電路板（PCB）走線與一條差分路徑并行排布。這條單端走線會給距離它更近的那條信號線路引入更大的噪聲。在這種情況下，由于耦合不均等，部分噪聲會被轉(zhuǎn)換為差模噪聲。到那時，就無法通過取兩條信號線路的電壓差來消除這種噪聲了。

我們從基礎(chǔ)電子課程中也了解到，我們的電路在檢測差分信號的同時抑制共模信號的能力是有限的。這一性能指標(biāo)由電路的共模抑制比（CMRR）規(guī)格來表征。因此，盡管接收端能夠抑制共模分量，但卻無法將其完全消除。

盡管存在這些問題，差分信號傳輸仍然是一種非常有效的方法，能夠降低共模噪聲對系統(tǒng)性能的影響。此外，差分傳輸?shù)膬?yōu)勢還不止于抗噪聲能力。

三、其他優(yōu)勢：更少的輻射和地彈效應(yīng)

差分鏈路使用兩條匹配的線路，傳輸幅度相等但極性相反的信號。實際上，這兩條信號線路會發(fā)出大小相等但方向相反的磁場，這些磁場會相互抵消，從而產(chǎn)生比單端信號低得多的雜散輻射（見圖2）。

圖2. 兩條匹配線路的磁場相互抵消。

差分配置對“地彈”現(xiàn)象也不那么敏感。要理解這一點，需注意兩條信號線彼此互為回流電流路徑。因此，與單端配置不同，理想情況下的差分鏈路沒有回流電流通過電路板的接地層。圖3展示了其中的差異。

圖3. 使用差分鏈路時，沒有電流流過接地層。

理想情況下，我們希望沿著互連線路傳輸純差分信號。但在實際中，這種信號會受到共模噪聲的干擾。在研究這種噪聲的來源之前，讓我們先看看共模信號可能的傳播路徑。

四、差分互連中的共模信號傳播

一個雙導(dǎo)體連接無法傳輸共模信號。這樣的互連只能支持差模信號。然而，由于PCB還包括接地連接，實際上的互連是多導(dǎo)體的，而不是雙導(dǎo)體的。

接地層與兩條差分信號線一起構(gòu)成了一個多導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)，它既能傳輸共模信號，也能傳輸差模信號。圖4展示了在這樣的設(shè)置下，共模信號和差模信號的一般電場分布模式。

圖4. 接地層上方雙導(dǎo)體互連的橫截面圖。

我們可以看到，三導(dǎo)體結(jié)構(gòu)既能支持差模信號，也能支持共模信號。對于共模信號而言，兩條信號線實際上相當(dāng)于一根單導(dǎo)線，回流電流通過接地層流回信號源。

圖5展示了一個更具普遍性的例子。在此例中，一塊電路板被放置在靠近金屬殼體的位置。

圖5. 帶有金屬殼體的電路板中的共模噪聲。

在這種情況下，流過信號線的共模噪聲電流通過殼體流回信號源。然后，它通過信號線與殼體之間的雜散電容完成回路。共模噪聲是通過附近信號線之間的雜散電容和磁耦合引入的。由于電容耦合隨頻率增加而增強(qiáng)，所以較高頻率的信號更有可能產(chǎn)生共模噪聲。

五、作為共模噪聲來源的時序偏移

共模噪聲的另一個來源是差分鏈路中兩條線路之間的時序偏移。時序偏移是指兩個本應(yīng)同步的波形在時間上的差異。如圖6所示，它會導(dǎo)致波形失去對稱性，并產(chǎn)生一個共模分量。

圖6. 信號線D+和D-之間的時序偏移產(chǎn)生了共模噪聲。

兩條走線之間的長度不匹配和（或）D+與D-信號上升沿和下降沿時間的差異會導(dǎo)致這兩個信號之間出現(xiàn)時序偏移。此外，時序偏移還可能由多種因素產(chǎn)生，其中包括：

1. 熱噪聲。

2. 地彈效應(yīng)。

3. 串?dāng)_。

4. PCB的構(gòu)造。

盡管我們可以減少時序偏移，但卻無法將其完全消除。例如，讓我們來看看PCB基板的纖維編織結(jié)構(gòu)的變化是如何產(chǎn)生時序偏移的。

六、纖維編織效應(yīng)

PCB的層壓板和核心部分是由浸漬了樹脂的玻璃纖維編織物制成的。這種編織結(jié)構(gòu)可能會在高速電路板中導(dǎo)致時序偏移。為了理解其中的原因，我們來看一下圖7中的玻璃纖維編織印刷電路板材料。

圖7. 玻璃纖維編織PCB材料的高倍放大圖像。

圖中的走線（1）和（2）會經(jīng)歷不同的有效介電常數(shù)，因此信號傳播速度也不同。在較慢的上升時間（大于1ns）和較低的頻率（小于1GHz）情況下，纖維編織效應(yīng)可能可以忽略不計。然而，在需要相位匹配的高速互連和高頻射頻系統(tǒng)中，纖維編織方式會顯著影響系統(tǒng)性能。

七、共模濾波器

理想情況下，我們應(yīng)盡量避免通過差分鏈路傳輸共模信號，因為共模分量會增加接收端的噪聲、鏈路的輻射以及地彈效應(yīng)。實際上，盡管我們已盡力避免，但共模噪聲仍可能出現(xiàn)，無論是由于走線之間的不匹配，還是由外部噪聲源耦合到差分線路上所導(dǎo)致的。

為了解決共模噪聲問題，我們會使用共模濾波器。這些器件為共模電流提供高阻抗路徑，同時讓差模信號基本不受影響地通過。

圖8.?共模濾波器的等效電路。

總結(jié)：

差分信號傳輸憑借其抗噪聲、低輻射及地彈抑制優(yōu)勢，成為高速電路設(shè)計的核心架構(gòu)，但其共模噪聲問題仍不可忽視。實際系統(tǒng)中，共模噪聲既可能源于外部耦合不均或CMRR性能限制，也可能因差分線時序偏移、纖維編織效應(yīng)等內(nèi)部失配產(chǎn)生，并通過多導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)與機(jī)箱雜散耦合傳播。盡管完全消除共模噪聲難以實現(xiàn)，但通過共模濾波器抑制其傳播路徑、優(yōu)化PCB設(shè)計以降低時序偏移及介電失配，可顯著提升信號完整性。未來需進(jìn)一步結(jié)合共模濾波器設(shè)計與信號路徑優(yōu)化技術(shù)，為高頻應(yīng)用提供更可靠的噪聲抑制方案。