高速差分接口及共模濾波與保護(hù)的需求

     當(dāng)今電子產(chǎn)品的操作環(huán)境中，電磁干擾(EMI)及射頻干擾(RFI)源頭不計(jì)其數(shù)，很大的原因就是RF技術(shù)的使用愈來(lái)愈多。這些類型的干擾導(dǎo)致采用差分接口的應(yīng)用需要共模濾波。雖然業(yè)界寄望于采用差分信令將EMI/RFI的影響降至最低，但并不能完全消除這些影響。差分信號(hào)可能會(huì)遭受外部噪聲的干擾，令接收器無(wú)法識(shí)別。此外，在噪聲已經(jīng)耦合至電子產(chǎn)品中的電子電路的情形下，未集成差分信令的其它電路可能受到影響并帶來(lái)更多問(wèn)題。

　　高速通用串行總線(USB) 2.0是最普及的差分?jǐn)?shù)據(jù)接口之一，因此本文旨在論證在高速USB 2.0應(yīng)用中采用共模濾波器來(lái)抑制RMI/RFI噪聲的必要性及優(yōu)勢(shì)，并將探討如何保護(hù)接口免受靜電放電(ESD)影響。常見的干擾源頭包括ESD、雷電、開關(guān)電源（如DC-DC轉(zhuǎn)換器）以及無(wú)線設(shè)備，如移動(dòng)電話、無(wú)線路由器、視頻游戲機(jī)及小筆電。最常見的源頭則來(lái)自工作頻率在800 MHz～3 GHz之間的設(shè)備，但隨著技術(shù)的拓展，這些頻率限制的下限降低至700 MHz，上限則升高至6 GHz。所有這些源頭會(huì)造成大量的環(huán)境干擾，不僅互相損害，而且還會(huì)損及其它設(shè)備的操作。本文重點(diǎn)探討應(yīng)用于移動(dòng)電話等便攜設(shè)備的USB 2.0，以及EMI/RFI干擾如無(wú)恰當(dāng)?shù)臑V波會(huì)怎樣滋生信號(hào)完整性問(wèn)題。

　　USB 2.0：共模濾波器要求

　　在高速USB 2.0接口中，數(shù)據(jù)以高達(dá)480 Mbps的速率藉兩根線纜差分傳送。為了理解這種信號(hào)的濾波要求，首先要理解信號(hào)的屬性。信號(hào)為差分信號(hào)，表示信號(hào)并未接地參考，而是兩個(gè)信號(hào)彼此參考。數(shù)據(jù)透過(guò)兩根線傳輸，每根線的相位恰好與另一根線相差180°。這兩根線通常標(biāo)示為D+和D-，表示信號(hào)的相位屬性。這表示必須使用適宜的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，去恰當(dāng)濾除任何不需要的信號(hào)，同時(shí)不降低所需差分信號(hào)的信號(hào)完整性。

　　在USB 2.0應(yīng)用中，單端濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不足夠，設(shè)計(jì)人員必須使用諸如共模扼流圈的差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這類濾波器允許所需的差分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)而不影響信號(hào)完整性，同時(shí)濾除由EMI和RFI滋生的共模信號(hào)。共模濾波器的電感型屬性為差分信號(hào)造就了高達(dá)3GHz或4GHz的寬通帶(pass band)，而同時(shí)也為共模信號(hào)催生低于100 MHz的窄通帶。

　　其次，要理解所需的必要通帶讓信號(hào)能良好完整地通過(guò)。就480 Mbps信號(hào)而言，能夠產(chǎn)生的最大基礎(chǔ)頻率來(lái)自以交替方式傳輸“1”和“0”（即1-0-1-0-1-0…），產(chǎn)生240 MHz頻率。由于信號(hào)本身為方波形式，可藉傅立葉級(jí)數(shù)逼近方法(Fourier series approximatiON)，粗略地將基礎(chǔ)頻率乘以3倍，得出信號(hào)通過(guò)所必要的帶寬，就可得到差分信號(hào)720 MHz的最低必要帶寬。

　　最后，必須確定充分消除不需要的共模信號(hào)所需的衰減量。衰減量取決于應(yīng)用，一般而言，衰減越多越好。

　　USB 2.0：信號(hào)完整性的要求

　　為了理解信號(hào)帶寬的要求，應(yīng)要界定信號(hào)完整性的衡量方法，一般的做法是衡量信號(hào)的眼圖(eye diagram)，確定接收到的信號(hào)的質(zhì)量。眼圖顯示信號(hào)在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變，表明接收器能夠接收（interpret）正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的表現(xiàn)有多好。高速數(shù)據(jù)傳輸方案在眼圖方面擁有信號(hào)必須符合的特定遮罩（mask）或模板(template)。典型高速USB 2.0眼圖（含遮罩模板）如圖1所示。

圖1  典型高速USB 2.0眼圖

　　USB 2.0接收器可以輕易接收?qǐng)D1所示的信號(hào)，如圖所示，信號(hào)完全在眼圖遮罩范圍之內(nèi)。現(xiàn)在讓我們?cè)O(shè)想引入了共模噪聲信號(hào)的情況。例如，引入的是頻率為900 MHz及峰值幅度為75 mV的少量共模噪聲。選擇此頻率是為了仿真由典型移動(dòng)電話操作導(dǎo)致的噪聲。如圖2所示引入共模噪聲時(shí)，眼圖質(zhì)量大幅下降。

圖2   帶共模噪聲的高速USB 2.0眼圖

　　在圖2中，噪聲超出了遮罩的整個(gè)上部界限，信號(hào)轉(zhuǎn)換質(zhì)量下降，并更接近超出的遮罩范圍。在這種情況下，接收器將不可能接收正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，因?yàn)樾盘?hào)上的噪聲太多，導(dǎo)致接收器無(wú)法在這些情況下有效地區(qū)分不同狀態(tài)。這還是只有少量噪聲，振幅僅為USB 2.0信號(hào)幅度5%的情況。

　　USB 2.0：保護(hù)接口

　　濾除EMI/RFI噪聲不僅重要，保護(hù)敏感內(nèi)部電路令其免受可能有害甚至是毀滅性損害的ESD事件的影響也很重要。在這些情況下，有必要采用帶集成低電容ESD保護(hù)功能的共模濾波器，如安森美半導(dǎo)體的NUC2401。此濾波器提供高速USB 2.0信號(hào)必要的帶寬、恰當(dāng)?shù)墓材Ｋp及敏感的內(nèi)部電路ESD保護(hù)。集成ESD保護(hù)的電容極低(<1 pF)，令器件不會(huì)顯現(xiàn)給高速USB信號(hào)。查看圖3所示的眼圖，即使引入了大量的共模噪聲，也沒有超出眼圖遮罩界線，保持了信號(hào)的完整性。此圖顯示的是NUC2401輸出端高速USB 2.0信號(hào)的眼圖，所帶的共模噪聲信號(hào)頻率為900 MHz，峰值幅度為400 mV。

圖3  濾除了共模噪聲的高速USB 2.0信號(hào)

　　圖3所示的最終眼圖沒有超出遮罩的上部界限、下部界限及中間區(qū)域。這還是在引入的噪聲幅度超過(guò)圖2中噪聲振幅超出5倍的情況下實(shí)現(xiàn)的。即使噪聲達(dá)到這么高的等級(jí)，接收器也可以識(shí)別濾波器輸出端的最終眼圖，并且維持了極佳的信號(hào)完整性。

　　在大量干擾源頭導(dǎo)致的眾多干擾環(huán)境中，濾波極為重要。差分接口應(yīng)當(dāng)可以幫助將某些共模噪聲影響減至最輕，但如本文所示仍會(huì)有信號(hào)完整性的問(wèn)題。此外，在諸如USB端口這樣的設(shè)備進(jìn)入點(diǎn)(entry point)，如果沒有恰當(dāng)?shù)貫V波，噪聲會(huì)擾亂其它內(nèi)部電路。在進(jìn)入點(diǎn)消除這些噪聲并對(duì)付任何ESD事件的最佳方案是使用帶集成ESD保護(hù)的共模濾波器。采用像NUC2401這樣的共模濾波器，可使USB 2.0接口在消除EMI/RFI噪聲方面更加強(qiáng)固，同時(shí)還提供ESD保護(hù)。須知道高速USB 2.0信號(hào)即使引入少量的EMI/RFI噪聲，也會(huì)影響信號(hào)，導(dǎo)致USB接收器無(wú)法識(shí)別。