一种抑制差分拐角共模噪声的补偿模型

李亚婷

(西安电子科技大学 超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室，陕西 西安 710071)

一种抑制差分拐角共模噪声的补偿模型

李亚婷

(西安电子科技大学 超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室，陕西 西安 710071)

摘要为抑制差分传输线拐角处不对称造成的共模噪声，文中提出了一种新的45°拐角差分传输线补偿模型。该模型通过对差分拐角造成的线长差进行有效补偿，利用HFSS和ADS进行建模仿真，从时域和频域进行验证。结果证明,从S参数来看，其有效地将频率8 GHz处的差模转共模噪声降低了20 dB，同时降低了差模插入损耗；从时域来看，共模噪声比之前减小了大约90%。

关键词信号完整性；差分传输线；差分信号；共模噪声

随着电路的集成度越来越高，翻转时间及上升边越来越短，传输线的阻抗不连续对信号完整性的影响越来越严重[1]。在过去低速电路中，传输线的阻抗不连续不会对信号的传输产生影响，因此信号的传输采用的单端线传输。然而，随着现在数据传输速率上升到吉赫兹以后，单端信号线会受到各种噪声源的影响，造成严重的信号完整性问题。相比之下，差分传输线具有多种优点，如抗干扰能力强、能有效抑制EMI[2]及时序定位精确等。因此，越来越多的串行电路采用了差分信号的形式，来提高信号的完整性和减小电磁干扰(EMC)。当今大多数高速数字通信采用低压差分信号线对(LVDS)作为高速数据传输线。

对于理想的差分传输线，由于差分形式的两条传输线是对称的，所以传输线的信号幅值相同、相位相反，产生的共模噪声在接收端相互抵消，因此自身不会产生共模噪声。但在实际的PCB设计中，由于元器件的密集度和布局布线的复杂性不断增加，走线不可避免的出现拐角，差分传输线也不例外[3-4]，拐角的存在使得差分信号线两线的长度出现了不一致，差分信号之间产生相位差，使得部分差分信号转化为共模信号[5]，从而出现了共模噪声。目前已有人对于不同拐角类型的差分拐角进行了建模仿真[6-8]，本文在其基础上进一步研究如何抑制差分拐角导致的共模噪声。

1差分拐角的特性与建模

1.1差分线对与差分信号

差分线对是指一对存在耦合的传输线，理论上讲，任何两条单端传输线组合就是一对差分线对。差分线对传输的是差分信号，采用两个输出驱动器驱动两条传输线。一条传输信号本身，另一条传输它的互补(反相)信号。在接收端被识别的信号就是两条传输线的电位差，其携带了传递的信息，这个差值称为差分信号[4]

Vdiff=V1-V2

(1)

一般情况下，外来噪声对V1和V2的干扰相同，所以Vdiff是不变的。因此，差分传输线具有较强的抗干扰能力。除了携带要传递的差分信息外，电路中还存在共模信号，其定义为两条传输线上的平均电压

(2)

通常共模信号并不携带信息，因此也不会影响到信号的完整性和系统性能。但若电路板上的差分互连线设计不当，造成差分线对的不对称，就会导致共模信号出现丰富的高频分量，产生共模噪声从而导致信号完整性问题。

1.2差分传输线共模噪声建模和仿真

该文首先利用仿真软件HFSS对传输线拐角进行建模，如图1所示是一个HFSS中建模的差分带状线的结构侧视图，介质层厚度为26 mil， =4.4(1 mil= 0.025 4 mm)，εr=4.4,线宽6 mil，厚度1.2 mil，间距5 mil，模型中耦合传输线长l=100 mil，特征阻抗为50 Ω，接着从电磁场的角度提取模型的S参数。

图1　带状线结构侧视图

S参数能代表传输线的性能，可表示成一个4端口元件，此元件可导入到电路仿真软件Ansoft Designer中仿真该差分传输线的差分响应和共模响应。然后在Designer中建立S参数仿真电路，如图1所示，输入端分别加两个信号源，P1端口加上升阶跃激励，P2端口加其对应的下降阶跃激励，边沿时间均为 100 ps，电压分别为+1 V和-1 V，在P3和P4端口处测输出响应，放探针测得V1和V2，再利用式(2)计算得到共模噪声的幅值。

图2　时域仿真电路

1.34种差分拐角的建模与仿真

常见有4种差分拐角布线方式，图 3(a)是传统的直角布线方法，但由于直角布线会带来严重的反射问题。因此，经过不断改进，分别选用了圆角、斜接及双45°角，如图3(b)～图3(d)所示。

图3　四种差分线拐角模型

根据上述过程，利用HFSS和ADS对这4种不同拐角类型的模型进行建模，参数如上所述，仿真其共模噪声，可得到如图4的仿真结果，45°角拐角的共模噪声最小，圆角其次。因此，PCB板设计若不可避免的遇到差分拐角布线，一般均会使用45°角。

图4　4种差分拐角模型的共模噪声

2补偿拐角模型

差分信号共模噪声的主要原因是不同长度差分线的失配，使得差分信号之间产生相位差而引起的，这是差分传输线一定要避免的，补偿这个相位差使其在到达的接收端口时信号又达到同步，便可使接收端的共模噪声消失。所以，本文提出一种补偿拐角线长差的模型，在 HFSS 仿真软件中采用带状线传输线对差分传输线拐角进行建模，其中图5(a)是传统45°拐角的布线模型，图5(b)是在其基础上提出的补偿模型。

图5　45°差分拐角

推导图5(b)中模型的线长差ΔL公式如下

ΔL=|4L-2(R-r)|=|4(w+k)tan22.5°

-2R(1-cos45°)|

(3)

其中，w为线宽；k为线间距；R为补偿半径。参考式(3)，可以根据布线参数选择合适的补偿半径R以保持线长差最小。

利用HFSS仿真软件对图5两种模型建模，参数设置如下：带状线介质层厚度为26 mil，εr=4.4，线宽为6 mil，厚度为0.7 mil，间距为18 mil，模型中耦合传输线长l=100 mil，特征阻抗为50 Ω，仿真其从0～8 GHz不同频率下的S参数，仿真结果如图6所示。

图6　S参数仿真结果S参数

从图中可看出，图6(a)表示差模到差模的传输系数Sdd21，补偿结构的Sdd21在未补偿结构之上，代表补偿之后差模信号的传输效率更高；图6(b)表示差模到共模的传输系数Scd21，补偿结构的Scd21均低于未补偿结构，且改善效果明显，在高频8 GHz处改善了20 dB。

上面用S参数从频域验证了本文提出的补偿模型的可行性，下面用图2所示电路从时域角度对其进行验证。在P3和P4端口处放探针测得V1和V2，得到其共模噪声响应如图7所示。这里共仿真了4种情况：一种没有补偿的模型，其余3种是不同补偿半径R的补偿模型，R分别为：14.14 mil，35.35 mil和67.88 mil，由式(1)可知，在如上文所述的补偿参数下，补偿半径R=67.88 mil时，线长差接近为0。在这种情况下，共模噪声从46 mV减小到 4 mV，减小了约90%。

图7　共模噪声仿真结果

3结束语

从本文的分析可看出，高速 PCB 设计中，由于布线结构的影响，使得差分传输中产生了共模噪声，并增加了传输线的反射损耗。对于差分传输线来说，影响信号完整性的首要因素是传输线的线长不一致造成的。对比直角、斜切、圆角和45°角4种差分拐角，得出45°拐角抑制共模噪声的效果最好。但这对于敏感的信号走线仍不够。因此本文在45°拐角基础上提出了新的补偿模型，并从频域S参数和时域的共模噪声两方面进行验证，证明了其比普通的45°拐角差分传输线，能实现更好的信号完整性。

参考文献

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[3]Howard Johnson. High-speed digital design:a handbook of black magic[M].Beijing：Elecronics Industry Press,2004.

[4]Oka, Naoto,Misu,et al.A common mode noise filter for high speed and wide band differential mode signal transmission[C].York,UK:EMC Europe,2011.

[5]Coq M L, Rius E, Quendo C, et al. Miniature microstrip filter using high-permittivity ceramic substrates (er = 90)[C]. IEEE MTT-S International Microwave Symposium, 2011:1-4.

[6]Lee S,Hayakawa M. A study on the radiation loss from a bent transmission line[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2011, 43(4):618-621.

[7]Mehran R.Calculation of microstrip bends and Y-junctions with arbitrary angle[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1978,26(6):400-405.

[8]Feix N,Lalande M,Jecko B.Harmonical characterization of a microstrip bend via the finite difference time domain method[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1992,40(5):955-961.

A Novel Compensation Method for Differential Transmission Line Bend to Suppress Common-mode Noise

LI Yating

(Key Laboratory of High-speed Circuit Design and EMC Ministry of Education, Xidian University, Xi’an 710071, China)

AbstractTo suppress the common-mode noise, this paper proposes a method for compensating an undesired phase delay caused by unequal-length differential transmission lines. The performance of the proposed structure with a 45 degree bend is demonstrated by simulating with HFSS and ADS. The results demonstrate that the proposed model compensates the length skew of the bend of differential transmission line, which has the effect of reducing the mode conversion noise by about 20 dB up to 8 GHz, whereas the differential insertion loss remains low. In addition, in the time domain, the common-mode noise is lower than the conventional differential transmission line bend.

Keywordssignal integrity；differential transmission lines；differential signals；common-mode noise

收稿日期:2015-10-27

作者简介:李亚婷(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：信号完整性。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.034

中图分类号TN811

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-117-03