原创 串行总线---差分互连之模态转换

2017-5-4 11:47 847 6 6 分类: PCB

俗话说:少年看山是山,看水是水;中年看山不是山,看水不是水;老年看山还是山,看水还是水!这就说明,不同的人生阅历,我们眼中的世界是不一样的。这又让我想到了小陈之前的文章中的一个说法,在逻辑工程师眼中数字信号就是0101,在硬件工程师眼中,数字信号就是高低跳变的电平。但是在SI工程师眼中,数字信号是一堆不同频率的正弦波的叠加。那么在SI工程师眼中,差分信号又是什么呢?

上篇文章我们讲到了差分信号的模态,其中有个重要的概念,那就是:

chuanx3-01


这里将单根信号的幅值用另外一种角度描述出来,那就是共模信号与差分信号的叠加。共模信号描述了单端信号中不变的成分,而差分信号描述了单端信号中跳变的部分。所以,在SI工程师眼中,差分信号不仅仅是差分信号,它是差分与共模的叠加。下面我们来直观的感受一下什么是模态转换。

理想情况下,我们希望差分信号是下图1这样的:

chuanx3-02

图1


图1中两根单端信号完全对称,交叉点也正好在共模电压上。但实际上,我们接受到的信号往往是这样的:

chuanx3-03

图2


图2中,两根信号并不对称,交叉点也没有在共模电压的位置。这两幅图中的差分信号貌似差别不大,但是共模信号却存在较大的差异。理想情况下,共模信号是一个恒定不变的值,但是像图2这种情况,共模信号却出现了波动。既然有波动,肯定是有外加的能量对他产生干扰,而这种能量就来自于差分信号。我们把这种差分能量向共模能量转换就叫做模态转换。

差分能量转换为共模能量后,差分信号本身的能量会有损失,这种损失在时域中通常表现为信号上升沿的畸变(变缓或者扭曲),而在频域中则表现为高频分量的损失。这一点,在之前的高速先生文档中已经分析的比较清楚了,可以查看以下文章,链接如下:http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/Show.aspx?id=803

我们对模态转换说了这么多,归根结底是因为模态转换他是评估一个传输通道性能好坏的指标,就像我们通常提到的插损和回损。插损是用来评估通道损耗程度的,回损是用来评估通道阻抗连续性的,那么模态转换又是用来评估什么的呢?我们来看看S参数中模态转换的定义,

chuanx3-04


上式中D指的是differential,C指的是common mode,端口定义如下:

chuanx3-05

图3


从上式我们可以看出,要想保证信号模态转换为0,两根线必须绝对的对称,即S11=S33,S21=S43,S23=S41。其中的对称包括阻抗的一致性和时延的一致性。

SCD越小越好,越小代表通道的对称性越好。实际情况下,由于设计过程中的各种限制,以及PCB加工公差等原因,以上对称条件不可能完全满足,所以模态转换不可避免。我们在设计中,为把差分线的模态转换控制在较小水平,就要尽量将差分对做到完全对称。


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