引言

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，從1998年的PCIX 66Mb/s總線頻率到2010年的PCIE第三代8Gb/s總線頻率，系統(tǒng)中必備的高速連接器的設(shè)計(jì)也成為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，所以如何控制高速連接器的差模到共模的轉(zhuǎn)換成為一大研究課題，主要原因是共模噪聲會(huì)直接導(dǎo)致EMI(電磁干擾)，而EMI輻射測(cè)試是FCC規(guī)范的強(qiáng)制要求。如果系統(tǒng)沒有通過EMI輻射測(cè)試，根本不能到市場(chǎng)上銷售。

全文分三部分來討論高速連接器中差模到共模轉(zhuǎn)換的控制。

1 什么是差模到共模的轉(zhuǎn)換

一般來說，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率高于1Gb/s時(shí)，通常會(huì)采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，而不是單端信號(hào)。所謂差分信號(hào)就是，正負(fù)兩根信號(hào)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，幅度相同，相位相反，如圖1所示。

而通常發(fā)送端輸出的差分信號(hào)的Vcomm為0，也就是信號(hào)以直流偏置為零的電平上下變化。

在實(shí)際系統(tǒng)中理想的差分信號(hào)是不存在的，即差模信號(hào)可能會(huì)轉(zhuǎn)化成共模信號(hào)，可能的原因是：

(1)信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出時(shí)，差分對(duì)中的正信號(hào)與負(fù)信號(hào)就有一定的相位差異，如圖2所示，所以在接收端，原本應(yīng)該是為零的Vcomm表現(xiàn)為帶有時(shí)間為T的一個(gè)階躍信號(hào)。

(2)信號(hào)在系統(tǒng)中傳輸，遇到阻抗不連續(xù)面或者是相鄰信號(hào)或者電源噪聲的干擾，正負(fù)信號(hào)的幅度和相位的變化有差異；如圖3所示，在發(fā)送端即使是理想的差分信號(hào)，在傳輸?shù)倪^程中受到外部干擾，在接收端，Vcomm也不為零。

本文研究的主要對(duì)象是第二種情況，由原來理想的差模信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定的共模信號(hào)或者是共模噪聲，我們稱作差模到共模信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

以上敘述了差模到共模的轉(zhuǎn)換的原因，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中關(guān)注這項(xiàng)參數(shù)，一大原因是為了防止EMI對(duì)外的輻射。對(duì)于每一種上市的新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，都要通過美標(biāo)或者是歐標(biāo)的電磁輻射測(cè)試，否則將不能上市銷售。而電磁輻射主要是電場(chǎng)大小決定，參考下面的公式給出了從一個(gè)電流回路中計(jì)算出電場(chǎng)的方法。

所以說當(dāng)電流大小確定，只要控制好電流的回路大小就能最大限度地抑制電磁場(chǎng)對(duì)外的輻射。一般來說，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，差分信號(hào)一般都會(huì)在電路板上通過帶狀線或者微帶線進(jìn)行走線，在這兩種情況下，差模信號(hào)的回流路徑可能是其正負(fù)信號(hào)之間的虛擬地，地平面或者是電源平面，要看是緊耦合還是松耦合；共模信號(hào)的回流路徑只會(huì)是地平面或者是電源平面，由于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以回流路徑能被很好地控制。而當(dāng)信號(hào)要進(jìn)入連接器時(shí)候，原有的很好的回流路徑的結(jié)構(gòu)會(huì)被打破，差模信號(hào)可能還是互相耦合，而共模信號(hào)的回流路徑的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，往往都會(huì)有共模阻抗不連續(xù)的情況產(chǎn)生，所以要特別注意。

圖4是在電路板上兩對(duì)差分線即將進(jìn)入SFP連接器的電路圖，通過微帶線的結(jié)構(gòu)，這兩對(duì)差分線可以有很好的回流路徑，因?yàn)樾盘?hào)層的下層是地平面；然而在連接器端，只有黑色的地作為信號(hào)的回流路徑，所以其回流路徑的結(jié)構(gòu)完全改變了，電磁干擾對(duì)外的輻射也可能相應(yīng)地增強(qiáng)。

所以說如果共模信號(hào)比較小(即差模到共模轉(zhuǎn)換小)，就減小了能量向外輻射的幾率；再加上控制好回流路徑，電磁輻射的能量將大大降低。圖5是一個(gè)差分信號(hào)經(jīng)過一個(gè)實(shí)際連接器后產(chǎn)生的共模噪聲。紅色的信號(hào)是共模噪聲，其峰峰值可以達(dá)到71mV。所以連接器是共模噪聲的很大的源頭。

2 差模到共模轉(zhuǎn)換的仿真與測(cè)試結(jié)果

在實(shí)際工程中，我們通常會(huì)用S參數(shù)來衡量差模到共模的轉(zhuǎn)換。圖6是同一種連接器的兩種不同結(jié)構(gòu)端口1到端口2的差模到共模轉(zhuǎn)換的S參數(shù)圖。這個(gè)曲線可以由以下方法讀懂：也就是對(duì)于一個(gè)兩差分端口網(wǎng)絡(luò)來說，即單端四端口(一個(gè)差分端口有兩個(gè)單端端口組成)，一個(gè)差分端口送入一定量的差模信號(hào)，在另外一個(gè)差分端口會(huì)有多少轉(zhuǎn)換為共模信號(hào)。圖的橫坐標(biāo)是頻率大小，圖的縱坐標(biāo)為幅度大小，單位dB：

其中X為輸出信號(hào)(共模信號(hào))，Y為輸入信號(hào)(差模信號(hào))。

舉個(gè)例子，在圖6中，紅色曲線2GHz的位置對(duì)應(yīng)的是－55dB，經(jīng)過計(jì)算，可以得到在2GHz頻點(diǎn)，如果有1000mV的差模信號(hào)從一端口輸入， 在二端口將有1.78mV的共模信號(hào)輸出。

當(dāng)比較這兩種不同結(jié)構(gòu)的同類連接器的共模到差模S參數(shù)曲線時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)頻率段中，有將近30dB的差異。在時(shí)域中這到底是多大的不同呢？下面我們?cè)贖Spice中建立一個(gè)仿真模型，其中發(fā)送源用的是一個(gè)4ns寬的2V理想差分脈沖信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過這兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)連接器的S參數(shù)信道，在接收端所表現(xiàn)出來的共模信號(hào)的不同，如圖7所示，黑色共模信號(hào)是經(jīng)過一個(gè)差模到共模轉(zhuǎn)換比較大的連接器所產(chǎn)生的，它的峰峰值可以達(dá)到28mV；而紅色共模信號(hào)是經(jīng)過另外一個(gè)差模到共模轉(zhuǎn)換比較小的連接器所產(chǎn)生的，它的峰峰值只有1mV都不到。

由此可見，連接器的設(shè)計(jì)好壞，對(duì)于差模到共模信號(hào)轉(zhuǎn)換非常重要，這也直接會(huì)影響EMI性能的好壞。

3 高速連接器中如何控制差模到共模的轉(zhuǎn)換

在第1節(jié)中，我們說到差模到共模的轉(zhuǎn)換可能是由于遇到阻抗不連續(xù)面或者是相鄰信號(hào)或者電源噪聲的干擾，正負(fù)信號(hào)的幅度和相位的變化有差異引起的共模噪聲。

在高速連接器的設(shè)計(jì)中，主要就是為了解決第二種情況所引起的共模噪聲，以此來降低電磁輻射的可能性。

3.1 在連接器中控制正負(fù)信號(hào)的傳輸時(shí)延差

在連接器的設(shè)計(jì)中，由于正負(fù)信號(hào)通常由于所處位置不同，有些是走外圈，有些是走里圈，如圖8所示，會(huì)在傳輸時(shí)延上有所不同，也就是同一信號(hào)在連接器一端發(fā)出，而在不同時(shí)間到達(dá)另一端。這樣就會(huì)造成很大的差模到共模的轉(zhuǎn)換，其實(shí)在之前一節(jié)中圖6就是一個(gè)連接器正負(fù)信號(hào)不同時(shí)延下的差模與共模轉(zhuǎn)換的S參數(shù)比較，藍(lán)色的曲線是有50mil的不同，而紅色的曲線只有5mil的不同。

但是由于物理上的限制，外圈的信號(hào)肯定要比內(nèi)圈的信號(hào)走的路徑要長(zhǎng)，因?yàn)榘霃揭?。而且因?yàn)槊娣e的局限，我們也不能用電路板上通常使用的蛇形線的方法進(jìn)行連接器的布線。這里通過時(shí)延的公式，發(fā)現(xiàn)可以通過改變來改變時(shí)延。

拿圖8中的連接器來說，在相同的?情況下，外圈的時(shí)延要比內(nèi)圈的大，所以將外圈正信號(hào)的減小，就能夠減小其時(shí)延。所以外圈的正信號(hào)有一半是露在空氣下的，而內(nèi)圈的負(fù)信號(hào)基本上完全都在介質(zhì)包圍下。由于真空的是最小的，=1，所以在3D仿真工具的幫助下，很容易得到合適的暴露在空氣下的面積。

3.2 在連接器中控制串?dāng)_

串?dāng)_是導(dǎo)致共模噪聲增加的一大因素，這是由于正負(fù)信號(hào)受串?dāng)_影響的幅度、相位有差異，然后到達(dá)接收端就會(huì)有共模的噪聲出現(xiàn)。

圖9給出了最近三代高速連接器的信號(hào)布局，紅色是正負(fù)信號(hào)線，灰色是地信號(hào)線。A是2.5Gb/s的連接器，B是5Gb/s的連接器，C是10Gb/s的連接器。

由于A的信號(hào)和地是用的同一間距，只是根據(jù)使用的情況不同，客戶自由分配信號(hào)和地。由于地的分配問題，此時(shí)信號(hào)會(huì)受到相鄰任意方向的串?dāng)_影響。以圖9中的A為例，中間的差分信號(hào)，會(huì)受到左上、右上、右邊、左下和下邊的差分信號(hào)的串?dāng)_。如果要減小串?dāng)_，要將一對(duì)差分信號(hào)周圍的信號(hào)都做成地信號(hào)，大大地降低了連接器的利用率，即通過信號(hào)對(duì)的數(shù)量大大減小。

在B的連接器中，使用了整一行作為地平面，行與行之間的串?dāng)_基本上可以被消除，然而，列于列之間相鄰的信號(hào)還是有很大的串?dāng)_，對(duì)于連接器利用率來說，也要犧牲一整行作為地平面。

在最新的C連接器中，使用了寬邊耦合的技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)地平面要比信號(hào)線寬，信號(hào)與地是交錯(cuò)開的，所以串?dāng)_只會(huì)發(fā)生于斜對(duì)面的信號(hào)之間，從距離來說這樣的串?dāng)_是最遠(yuǎn)的。而且在列于列之間還加上了一些導(dǎo)電介質(zhì)同地相連，這樣就能將串?dāng)_的一部分能量通入地平面。表1是三種連接器實(shí)驗(yàn)得到的串?dāng)_加權(quán)值的比較，可以發(fā)現(xiàn)C的結(jié)構(gòu)是抗串?dāng)_的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

表1 三種連接器遠(yuǎn)端串?dāng)_加權(quán)值的比較(實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，加權(quán)后的結(jié)果)。

對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，由于有電磁輻射這個(gè)必須通過的測(cè)試，共模噪聲一定要特別的注意，其中系統(tǒng)中的連接器往往是差模到共模轉(zhuǎn)換的熱點(diǎn)，所以要做一定的仿真分析來確定差模到共模的轉(zhuǎn)換值。