奇模与偶模
奇模与偶模是两种非常特殊的“模态”,是两种特殊的差分信号电压模式,可以实现信号的无失真传输。
我们先来分析下一般信号的串扰,再来看特殊模态下的信号传输模型。就能理解为什么要用这两种特殊模态来进行信号的传输了。
让我们再回到串扰相关文章:当两条传输线近距离平行走线时,如果在一条传输线上驱动信号,会在另外一条传输线上产生串扰。举个栗子,如下左图所示,有一对对称耦合微带线,如果在线路1上加0~1V的跳变信号,而线路2上为0V固定电平,那么他们之间会出现远端串扰现象:线路2上会出现奇怪的平台噪声,同时线路1上的信号幅度会被衰减;凭什么会是这样呢?
1. 首先,我们来解释为什么线路1上的信号电压会被减弱呢?
根据能量守恒(质能守恒)法则,当线路1上有一部分能量被传递到线路2(通过容性和感性耦合),那么线路1上的能量必然会减少,体现在线路1对应位置的电压减小(P = U²/Z0)。
2. 其次,为什么线路1信号电压和线路2最大串扰电压相等呢?
如上右图所示,根据串扰章节分析,在微带线下远端串扰最终叠加出来的结果是:感性串扰(在理想带状线下,远端感性耦合与容性耦合相互完全抵消,而在微带线下感性耦合要大于容性耦合)。
那么我们将两条传输线看成一个变压器,匝数比是1:1,而输入驱动能力和输出负载能力相同(两条传输线特征阻抗:Z0),所以对于足够长的两根传输线来说,最终结果是:线路1电压等于线路2电压。
3. 最后,分析下线路1信号电压等于线路2最大串扰电压,那么线路1原始输入1V电压情况下,为什么最大串扰是0.4V?那是因为线路有损耗:
1, 传输线本身有电阻以及介质损耗,会随线路长度线性增加。
2, 除了远端串扰外还有近端串扰,一部分能量通过近端串扰消耗掉了。
1,什么是奇模和偶模
从上面的分析我们得到一个结论:两条传输线之间只要有串扰,那么信号线之间必然会产生能量交换。
针对耦合微带线差分对,有两种特殊的电压模式可以实现信号边沿无失真传输:奇模和偶模。
奇模和偶模传输模式如下图所示。
1. 如上左图,给两条线路加相同的跳变信号:这种情况下线路1与线路2之间dV/dt为0,线路之间没有容性耦合电流,同时dI/dt相同,其产生的感性耦合电流相同,两条线路受到同样的作用,所以每条线路上电压模式将维持不变;
2. 如上右图,给两条线路加相反的跳变信号:
1, 线路1的信号在线路2上产生负向远端噪声脉冲,减弱了线路1的信号;即:线路1幅值下降。
2, 线路2的负向信号会在线路1中产生正向的远端噪声脉冲;即:线路2对线路1的串扰,增加了线路1的幅值。
3, 线路1对线路2产生噪声时,线路1的电压幅值下降等于线路2对于线路1噪声增加作用幅值;即:线路1幅值下降和增加的幅度相同,所以最终呈现出来的信号边沿没有变化。
4, 综合线路1和线路2之间的相互作用,每条线路上电压模式也将维持不变。
3. 这两种沿差分对无失真传输的信号电压模式,对应差分对被激活的两种特殊状态,称为差分对的模态:
1, 偶模:两条线有大小相同,方向相同的驱动电流激励。
2, 奇模:两条线有大小相同,方向相反的驱动电流激励。
4. 奇模和偶模的电场分布如下右图所示:
1, 如果是耦合微带线,奇模时有更多的电场线暴露在空气中,而偶模时电场线更多的在介质中:表明奇模的有效介电常数相比于偶模要低。
在耦合微带线状态下,奇模信号的传播速度要快于偶模信号。
以上的分析均针对两条线路具有完全的几何对称性:线宽和介质间距相同(耦合微带线),激励偶模和奇模的电压分别对应于加完全相同和相反的电压。
如果两条信号线不具有对称性,那么偶模和奇模的电压模式就比较复杂(会产生共模分量),需要用二维场求解器。
我们平时很少接触到奇模和偶模这两个概念,反而是经常听到:差分和共模的说法。其实它们之间是有相互关联的,但其概念本身是有差别的。
奇模状态可以由差分信号驱动,而偶模状态可以由共模信号驱动。
1,奇模和偶模指的是:差分对线的特殊的固有模态。
2,差分和共模指的是:加在差分对上的特殊信号。
两者要做区分。
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