使用共模需要避免常見錯(cuò)誤

您是否注意到差分信號(hào)在高性能信號(hào)路徑中越來(lái)越占主導(dǎo)地位?

差分信號(hào)(DifferenTIal Signal)在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，什么另它這么倍受青睞呢?在PCB設(shè)計(jì)中又如何能保證其良好的性能呢?帶著這兩個(gè)問題，我們進(jìn)行下一部分的討論。何為差分信號(hào)?通俗地說(shuō)，就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱為差分走線。

a.抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

b. 能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，如圖在A-A‘的電流是從右到左，那B-B‘的是從左到右，那么按右手螺旋定則，那他們的磁力線是互相抵消的。耦合的越緊密，互相抵消的磁力線就越多。泄放到外界的電磁能量越少。

c.時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS(low voltage differenTIal signaling)就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

差分信號(hào)提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)!我一直在考慮這樣一個(gè)事實(shí)，即每個(gè)差分信號(hào)路徑都有與之關(guān)聯(lián)的寄生共模信號(hào)路徑。

在差分信號(hào)路徑中，大多數(shù)環(huán)境噪聲作為共模噪聲耦合。許多差分器件非常擅長(zhǎng)抑制這種噪聲。以下共模抑制比 (CMRR) 來(lái)自 LMH6881 可編程差分放大器 (PDA)。

CMRR 確定差分信號(hào)因共模噪聲干擾而造成的“污染”。這個(gè)數(shù)字非常重要，然而，它并不是全部。

雖然保留差分信號(hào)很重要，但也值得您考慮共模噪聲會(huì)發(fā)生什么。如果噪聲通過另一個(gè)設(shè)備，則該設(shè)備現(xiàn)在需要拒絕它。

從這些事實(shí)中，我們可以確定幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

首先是在低頻下，共模抑制和共模增益(衰減)都對(duì)你非常有利。

但是，更高頻率會(huì)發(fā)生什么?CMRR 和共模衰減都開始下降。如果所討論的系統(tǒng)在非常高的頻率下(例如本地振蕩器或混頻器雜散)具有顯著噪聲，那么這種噪聲會(huì)發(fā)生什么?

從 CMRR 和共模增益圖可以看出，放大器將共模噪聲排除在差分信號(hào)之外的能力以及放大器衰減共模噪聲的能力在較高頻率下都會(huì)顯著降低。這意味著即使使用差分信號(hào)，隔離和包含噪聲的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也很重要。

差分信號(hào)傳輸線需要端接以獲得最佳性能。這與單端傳輸線沒有什么不同。為了減少反射和不良信號(hào)輻射，傳輸線的寬帶終端非常重要。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都會(huì)小心地端接差分傳輸線，至少?gòu)牟罘纸嵌葋?lái)看是這樣。然而，很多時(shí)候共模端接被忽略了。

未端接共模對(duì)差分信號(hào)路徑有何影響?

有兩個(gè)主要問題。

1. 當(dāng)共模未端接時(shí)，信號(hào)路徑更有可能從外部源接收不想要的共模噪聲。

2. 對(duì)于浮動(dòng)或未端接共模，有源器件(放大器、混頻器、ADC)可能會(huì)遇到負(fù)載條件，從而導(dǎo)致性能下降。例如，許多差分放大器具有控制共模的有源電路。一些共模負(fù)載條件會(huì)降低這些電路的相位裕度。

濾波器通常用于衰減有源系統(tǒng)設(shè)備能力之外的噪聲和雜散。然而，差分濾波器可能完全無(wú)法衰減共模噪聲，除非它們專門設(shè)計(jì)用于衰減共模噪聲。

既然我們已經(jīng)意識(shí)到了與差分信號(hào)路徑中存在的寄生共模相關(guān)的一些潛在問題，那么一個(gè)很好的問題是我們?nèi)绾尉徑膺@些問題?

我將介紹三大類器件：無(wú)源電路、高阻抗有源電路和低阻抗有源電路。

讓我們從最簡(jiǎn)單的例子開始，無(wú)源電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用 LC 濾波器來(lái)消除噪聲。正如通常實(shí)施的那樣，差分濾波器將相對(duì)于地浮動(dòng)。這對(duì)于差分響應(yīng)來(lái)說(shuō)很好，但是共模信號(hào)沒有衰減，通過對(duì)濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的更改，我們得到了我們需要的。

與濾波器一樣，一些有源差分器件沒有任何共模信號(hào)的接地參考(或終端)。一個(gè)例子是LMH6521和其他帶有連接到輸出引腳的電感器的放大。LMH6521放大器是一款非常高速的數(shù)控可變?cè)鲆娣糯笃? (DVGA)。它具有全差分信號(hào)路徑，共模電阻為 2.5k-Ohm，這不足以使其成為共模能量的主要衰減器。

我們可以通過在電路中添加一些電阻器來(lái)增加LMH6521的共模能量耗散，。通過差分信號(hào)的美感，兩個(gè) 500 歐姆電阻器僅向差分電路增加了 1000 歐姆的負(fù)載，但它們提供 250 歐姆的共模端接。放大器輸出負(fù)載從添加電阻器之前的 180 歐姆變?yōu)橹蟮?152 歐姆。負(fù)載條件的這種變化對(duì)放大器性能的影響很小，但共模端接得到了很大改善。同樣的技術(shù)也可以用在放大器輸入端。

并非所有差分器件都相對(duì)于共模具有高阻抗。一些放大器(例如LMH3401)具有共模控制電路，可通過低噪聲、低阻抗電路設(shè)置放大器輸出共模。LMH3401有一個(gè)共模電路，基本上是一個(gè)單位增益放大器。它在 CM 處獲取電壓并在放大器輸出端對(duì)其進(jìn)行緩沖，從而固定放大器輸出引腳的共模。 對(duì)于共模，對(duì)于系統(tǒng)中的任何交流噪聲，放大器輸出實(shí)際上是對(duì)地短路。

LMH3401的共模輸出阻抗，通過選擇具有這些功能的放大器，我們可以獲得內(nèi)置共模抑制作為額外優(yōu)勢(shì)，并且我們無(wú)需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行任何額外操作。

如我們所見，有多種方法可以幫助減輕差分信號(hào)路徑上的共模噪聲拾取。其中一些需要一些計(jì)劃和一些額外的組件。一種更簡(jiǎn)單的方法是選擇一個(gè)可以為我們工作的放大器。