芯耀
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噪聲是一種不期望出現(xiàn)的干擾，它會(huì)在電子電路中對(duì)期望信號(hào)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(duì)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(duì)差分信號(hào)產(chǎn)生干擾的。然后，我們將討論差分互連中共模噪聲的來(lái)源，重點(diǎn)關(guān)注時(shí)序偏移問(wèn)題。
在討論噪聲之前，讓我們先來(lái)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?cè)趫D1中所見，一對(duì)線路傳輸幅度相等但極性相反的信號(hào)。由差分對(duì)所表示的信號(hào)電平是兩條信號(hào)線路的電壓之差。
圖1. 通過(guò)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(hào)傳輸。與單端傳輸相比，這種數(shù)據(jù)傳輸方式具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，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(shì)在于其對(duì)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(huì)表現(xiàn)為共模信號(hào)，而這種共模信號(hào)不會(huì)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(shí)際中的差分線路仍然可能受到共模噪聲的影響。這有兩個(gè)原因，第一個(gè)原因是外部噪聲不一定會(huì)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(huì)給距離它更近的那條信號(hào)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(huì)被轉(zhuǎn)換為差模噪聲。到那時(shí)，就無(wú)法通過(guò)取兩條信號(hào)線路的電壓差來(lái)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(cè)差分信號(hào)的同時(shí)抑制共模信號(hào)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(lái)表征。因此，盡管接收端能夠抑制共模分量，但卻無(wú)法將其完全消除。
盡管存在這些問(wèn)題，差分信號(hào)傳輸仍然是一種非常有效的方法，能夠降低共模噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。此外，差分傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)還不止于抗噪聲能力。
三、其他優(yōu)勢(shì)：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(hào)。實(shí)際上，這兩條信號(hào)線路會(huì)發(fā)出大小相等但方向相反的磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)會(huì)相互抵消，從而產(chǎn)生比單端信號(hào)低得多的雜散輻射（見圖2）。
圖2. 兩條匹配線路的磁場(chǎng)相互抵消。
差分配置對(duì)“地彈”現(xiàn)象也不那么敏感。要理解這一點(diǎn)，需注意兩條信號(hào)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(méi)有回流電流通過(guò)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(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)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(hào)。但在實(shí)際中，這種信號(hào)會(huì)受到共模噪聲的干擾。在研究這種噪聲的來(lái)源之前，讓我們先看看共模信號(hào)可能的傳播路徑。
四、差分互連中的共模信號(hào)傳播
一個(gè)雙導(dǎo)體連接無(wú)法傳輸共模信號(hào)。這樣的互連只能支持差模信號(hào)。然而，由于PCB還包括接地連接，實(shí)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(hào)線一起構(gòu)成了一個(gè)多導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)，它既能傳輸共模信號(hào)，也能傳輸差模信號(hào)。圖4展示了在這樣的設(shè)置下，共模信號(hào)和差模信號(hào)的一般電場(chǎng)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(hào)，也能支持共模信號(hào)。對(duì)于共模信號(hào)而言，兩條信號(hào)線實(shí)際上相當(dāng)于一根單導(dǎo)線，回流電流通過(guò)接地層流回信號(hào)源。
圖5展示了一個(gè)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(guò)信號(hào)線的共模噪聲電流通過(guò)殼體流回信號(hào)源。然后，它通過(guò)信號(hào)線與殼體之間的雜散電容完成回路。共模噪聲是通過(guò)附近信號(hào)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(hào)更有可能產(chǎn)生共模噪聲。
五、作為共模噪聲來(lái)源的時(shí)序偏移
共模噪聲的另一個(gè)來(lái)源是差分鏈路中兩條線路之間的時(shí)序偏移。時(shí)序偏移是指兩個(gè)本應(yīng)同步的波形在時(shí)間上的差異。如圖6所示，它會(huì)導(dǎo)致波形失去對(duì)稱性，并產(chǎn)生一個(gè)共模分量。
圖6. 信號(hào)線D+和D-之間的時(shí)序偏移產(chǎn)生了共模噪聲。
兩條走線之間的長(zhǎng)度不匹配和（或）D+與D-信號(hào)上升沿和下降沿時(shí)間的差異會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)信號(hào)之間出現(xiàn)時(shí)序偏移。此外，時(shí)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(shí)序偏移，但卻無(wú)法將其完全消除。例如，讓我們來(lái)看看PCB基板的纖維編織結(jié)構(gòu)的變化是如何產(chǎn)生時(shí)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(huì)在高速電路板中導(dǎo)致時(shí)序偏移。為了理解其中的原因，我們來(lái)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(huì)經(jīng)歷不同的有效介電常數(shù)，因此信號(hào)傳播速度也不同。在較慢的上升時(shí)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(jì)。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(huì)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(guò)差分鏈路傳輸共模信號(hào)，因?yàn)楣材７至繒?huì)增加接收端的噪聲、鏈路的輻射以及地彈效應(yīng)。實(shí)際上，盡管我們已盡力避免，但共模噪聲仍可能出現(xiàn)，無(wú)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(wèn)題，我們會(huì)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(shí)讓差模信號(hào)基本不受影響地通過(guò)。
圖8.?共模濾波器的等效電路。
總結(jié)：
差分信號(hào)傳輸憑借其抗噪聲、低輻射及地彈抑制優(yōu)勢(shì)，成為高速電路設(shè)計(jì)的核心架構(gòu)，但其共模噪聲問(wèn)題仍不可忽視。實(shí)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(shí)序偏移、纖維編織效應(yīng)等內(nèi)部失配產(chǎn)生，并通過(guò)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(shí)現(xiàn)，但通過(guò)共模濾波器抑制其傳播路徑、優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)以降低時(shí)序偏移及介電失配，可顯著提升信號(hào)完整性。未來(lái)需進(jìn)一步結(jié)合共模濾波器設(shè)計(jì)與信號(hào)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。
