高速差分信号传输中的差分信号到共模信号的转换

文摘   2024-10-19 10:30   上海  

传输线中不仅存在传播信息的差模信号,还有不传播信息的共模信号,理想情况是不存在相互转化的。差模信号与共模信号的转化是由于差分传输线不对称造成的,造成不对称的原因很多,差分传输线的长度差像拐角、差分传输线由于刻蚀差异造成传输线特性阻抗不同、两个传输线的差异性耦合、临近效应、终端差异,弯曲等等都可能是造成差模信号与共模信号的转化。

这种转化我们可以理解为两条传输线的延迟是不同的,当信号在传输线上传播由于到达终端的延迟是不同的,一个早一些到达,这样就会产生相位差,将部分差模信号转化成共模信号。转化的为共模信号的多少由信号频率、传输线的长度、两条传输线上的信号时延差所决定的。

转换产生的共模信号会干扰差分信号的传输质量,降低信噪比和传输效率。在极端情况下,如果转换过多,甚至可能导致信号无法正确接收和解码。

为了减少差分信号到共模信号的转换,可以采取以下措施:优化传输线设计:确保传输线具有高度的对称性,减少长度差、拐角等不对称因素。等长等距布线:在PCB设计中,尽量保持差分信号线的等长等距,以减少信号错位和时延差。

综上所述,差分信号到共模信号的转换是差分传输中需要关注的重要问题之一,通过优化传输线设计和采取适当的抑制措施,可以有效减少这种转换对信号传输质量的影响。下面将探究实际信号传输的情况下,差分信号到共模信号的转换情况,如下图是评估不同匹配的仿真原理图,仿真中两个单端输入信号存在一个延时td来模拟两根信号在传输过程中的skew。    

       下图是进行差分匹配共模匹配的仿真结果,仿真中td从0.2ns变化到2ns,可以看到,负载端的差分信号是输入差分信号的延迟和分压,随着td的增大失真也逐渐增大。

       下图为负载侧共模匹配时的共模电压,可以同样看到,输出共模信号时输入共模信号的延迟和分压,随着td的增大输出共模信号随着输入共模信号的增大而增大,这就有可能产生有害的EMI脉冲。    

       下图是负载端进行了差分匹配链路的仿真结果,仿真td从0.2ns以0.5ns为step变化到2ns,同上述一样也可以看到负载端的差分电压波形随着td的增大而失真变大。

       下图时仅包含差分匹配时对应的负载端的共模信号,可以看到此时共模信号都产生了震荡,幅值比输入的还大,且随着td的增大输出共模信号随着输入共模信号的增大而增大。    

       下图为td=0.2ns时仅差分匹配的负载端的主要波形,从上到下依次为差分信号、输入正端信号、共模信号、输入负端信号,可以看到,边沿偏差20%时输入差分信号质量比较好,但由于共模不匹配噪声输入的单端信号和共模信号产生了震荡。

       下图为td=0.2ns时差分信号和共模信号都匹配时负载端的主要输入信号,从上到下依次为差分信号、输入正端信号、共模信号、输入负端信号,可以看到,由于差分信号和共模信号均匹配,最终得到的单端输入信号和共模信号震荡消失,但共模信号依旧还存在emi的脉冲信号。    

从上述实验可以看到,因为有如下问题,差分路径都要尽可能的对称设计:

1)差分信号在传输中的不匹配(如串扰、负载偏差、延迟偏差、边沿偏差等)均会造成差分信号的失真。

2)差分信号在传输中的不匹配会造成差分信号到共模信号的转换,不管负载端是否进行共模匹配,共模噪声都有可能产生EMI问题。    


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