CN215601285U - 一种用于高速差分信号的共模噪声抑制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于高速差分信号的共模噪声抑制电路，包括连接在驱动端和接收端之间的用于传输高速差分信号的P线和N线，所述P线和N线之间并联传输线变压器，传输线变压器的传输线头端分别连接P线和N线，传输线变压器的传输线尾端相连接并接地。本实用新型采用传输线变压器或者自耦变压器给共模噪声提供低阻抗通道，对共模噪声进行滤除，以免高速差分信号的共模噪声对板上其它敏感信号造成干扰，或造成整机的辐射问题或端口的传导问题。

Description

一种用于高速差分信号的共模噪声抑制电路

技术领域

本实用新型属于噪声抑制技术领域，具体涉及一种一种用于高速差分信号的共模噪声抑制电路。

背景技术

两个振幅相同、相位相反以一个共模电压为基准做摆动的信号，就叫差分信号。对接收端来讲，差分信号能很好的抑制共模干扰，具有抗共模干扰能力强，适合电压传输的优点。

但是，高速差分信号线上的共模噪声，常常对系统中其它敏感电路造成干扰，或造成整机对外的辐射和传导问题。共模干扰在差分信号系统中的传输路径如图1所示。

共模电感，常用于过滤共模的电磁干扰，抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射，提高系统的EMC，在实际应用中一般是在差分的信号线上串入共模电感。

在差模信号线中使用共模扼流圈的目的在于消除共模噪音，共模电感对差分信号的偏移也有修正作用。

共模电感对降低传导骚扰有明显作用，可帮助我们快速通过测试要求，满足现有要求，但差分总线增加共模电感有时也会带来两个问题：谐振和瞬态电压。共模电感不可避免地会有寄生电感，直流电阻，考虑总线节点数，通信距离等因素，会引起谐振，影响总线信号质量。另外，共模电感感量较大，且直接接在收发器接口，实际应用中出现短路，热插拔等状态会使共模电感两端产生瞬态高压，严重时会直接损坏收发器。

为此，有些器件厂家，建议在差分信号终端采用并联匹配电阻，并将匹配电阻拆分成两个串联电阻，构造出一个中心抽头并将抽头通过电容接地，如图2所示，高速差分线上跨接了2个49.9Ω的电阻，然后中间接了一个电容到GND，两个49.9欧姆串联形成100欧终端匹配电阻，其阻值的大小由差分线的特性阻抗决定，保证两者的阻抗匹配，中心抽头处接的电容可以有效的改善电路的抗EMC性能，合理的选择电容值可以使电路的EMC做到最优。该电路除了阻抗匹配作用，还可以起到一定的共模噪声抑制作用，但我们实际测试中发现其作用甚微。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种用于高速差分信号的共模噪声抑制电路，该电路为共模信号提供低阻抗通道，可以以免高速差分信号的共模噪声对板上其它敏感信号造成干扰，进而造成整机的辐射问题或端口的传导问题，同时避免了在高速差分信号终端纵向串入共模电感时可能造成的对信号质量的负面影响。

为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种用于高速差分信号的共模噪声抑制电路，包括连接在驱动端和接收端之间的用于传输高速差分信号的P线和N线，所述P线和N线之间并联传输线变压器，传输线变压器的传输线头端分别连接P线和N线，传输线变压器的传输线尾端相连接并接地。

进一步的，所述传输线变压器采用中心抽头接地的自耦变压器，所述自耦变压器采用高导磁率、低损耗的铁氧体磁芯。

优选的，所述磁芯为环形磁芯。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本实用新型采用传输线变压器或者自耦变压器给共模噪声提供低阻抗通道，对共模噪声进行滤除，以免高速差分信号的共模噪声对板上其它敏感信号造成干扰，或造成整机的辐射问题或端口的传导问题。

附图说明

图1是共模干扰在差分信号线中的传输路径示意图；

图2是现有共模噪声抑制电路原理图；

图3是电阻型共模噪声分离器电路原理图；

图4是Wang Shuo噪声分离器电路原理图；

图5是本实用新型共模噪声抑制电路原理图(传输线变压器)；

图6是本实用新型共模噪声抑制电路原理图(自耦变压器)。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型做进一步详细描述：

图3所示是电阻型共模噪声分离器电路，从图3中我们很容易得出，由两个电阻构成带中心抽头的匹配电路并连到差分信号线P线和N线之间，其实就是一个简单的共模噪声分离器，问题在于两个输入端口的阻抗依赖于加在上面的电压。

我们知道，一个好的噪声分离器必须具备四个条件：

1)噪声分离器的输出电压取决它的输入电压；

2)输入阻抗必须与标准给出的阻抗相等，噪声分离器必须要具有50Ω输入阻抗，并且这阻抗不受输入电压、电流或者其他因素影响；

3)输入信号中的CM和DM成分必须不失真的通过对应的输出，这一指标可以用差模传输率DM transmission ratio(DMTR)和共模传输率CM transmission ratio(CMTR)来衡量：

4)多余模式的信号必须被尽里抑制。衡量这一指标的参数是差模抑制比DMrejection ratio(DMRR)和共模抑制比CM rejection ratio(CMRR)。

显然，由电阻网络构成的共模噪声分离器，不满足输入阻抗必须是50欧姆的标准。

而且，电阻在高频下有寄生效应，所以高频性能不佳。

低频时电阻的阻抗是R，然而当频率升高并超过一定值时，寄生电容的影响成为主要的，它引起电阻阻抗的下降。当频率继续升高时，由于引线电感的影响，总的阻抗上升，引线电感在很高的频率下代表一个开路线或无限大阻抗。

如使用宽带射频变压器构建共模分离器，它虽然能弥补电阻型匹配的缺点(输入端阻抗受输入电压影响)，但采用了宽带射频变压器作为主要的分离器件的分离器，在高频条件下因杂散效应会产生较明显的模态信号抑制性能衰退的现象。

自耦变压器是以定向电流传递方式实现能量传输的。一个好的自耦变压器设计，它的杂散阻抗和电路的源阻抗、负载阻抗相比是可以忽略的。基于自耦变压器的共模噪声分离器其共模插入损耗(CMI)和共模抑制比(CMRR)要优于基于普通宽带射频变压器的噪声分离器。

图4是Wang Shuo噪声分离器，在这个电路中变压器的付边绕组被拿掉了，这样就消除了原付边绕组间的寄生电容。采用传输线变压器(Transmission Line Transformer)，其效果是差模抑制比DMRR低于-60dB的区间可以高至30MHZ。共模抑制比同样也不错，CMRR低于-60dB的区间达到15MHz，且至30MHz时仍低于-50dB。

传输线变压器具有宽频带、应用频率高、体积小、承受功率大、损耗小的特点，是一种良好的射频器件。

传输线变压器由环状磁芯和传输线构成，磁芯是用高导磁率、低损耗的铁氧体材料制成的，其直径可大可小(视功率的大小而定)，小的只有几毫米，大的有几十毫米，将传输线(扭绞线、平行线、同轴线等)缠绕在磁芯上所形成的便是传输线变压器。

对于普通变压器，其本身的高频特性差。而要改善低频响应，就要增加初级线圈匝数(加大电感)，这样又导致分布电容的增大，使高频响应愈加变坏。采用高导磁率磁芯可使高、低频率特性大大改善，但磁芯都有其最佳工作频段，高于此频段时，磁芯的损耗增加，使其传输效率下降。由于分布电容和漏感的影响，即使采用了高导磁率磁芯的普通变压器，仍然不能工作在更高的频段和传递宽带信号。而传输线变压器，因其最高频率可达几百兆赫甚至上千兆赫，而常在射频段使用。

由于两根导线紧靠绕在一起，因此任意点的线间电容都是很大的，且在整个线上是均匀分布的。由于导线绕在高导磁率磁芯上，故导线每一小段的电感量是很大的，且均匀分布在整个线上。由此传输线可以看成由许多电感、电容组成的耦合链，传输线变压器正是利用这些电感和电容之间的耦合，完成了能量的传输。因此，在传输线变压器中，两线间的分布电容不但不会影响高频能量传输，而且是电磁能转换的必要条件。由于电磁波主要是在导线间的介质中传播，磁芯的损耗对信号传输的影响就会大大减少，所以传输线变压器的最高工作频率就可以大大提高，这就使传输线变压器传输高频、宽带信号成为可能。

基于以上分析，如图5所示，本实用新型包括连接在驱动端和接收端之间的用于传输高速差分信号的P线和N线，所述P线和N线之间并联传输线变压器，传输线变压器的传输线头端1、3分别连接P线和N线，传输线变压器的传输线尾端2、4相连接并接地。本实用新型采用去掉副边的传输线变压器，传输线的特性阻抗可以根据高速差分信号特性的需要进行选择，比如以太网、LVDS以及HDMI可选100欧姆，USB2.0和USB3.0可选90欧姆等等。本实用新型的传输线变压器构成自耦变压器(如图6所示)，自耦变压器的两端分别连接连接P线和N线，自耦变压器的中心抽头直接接地，给共模信号提供低阻抗通道，更好滤除共模噪声，以免高速差分信号的共模噪声对板上其它敏感信号造成干扰，或造成整机的辐射问题或端口的传导问题。同时避免了在高速差分信号终端纵向串入共模电感时可能造成的对信号质量的负面影响。与简单的电阻终端匹配中心抽头电容接地相比，传输线变压器构成的自耦变压器中心抽头直接接地，可为高速差分信号提供更好的共模滤波效果，且频带宽。当然，对于本实用新型也可以采用中心抽头接地的自耦变压器，所述自耦变压器采用高导磁率、低损耗的铁氧体磁芯，所述磁芯优选环形磁芯。与传输线变压器不同的地方是采用单线绕制，中心出抽头。

在考虑低成本应用时，也可考虑采用信号线共模电感特殊连接构成自耦变压器。

Claims (3)

1.一种用于高速差分信号的共模噪声抑制电路，其特征在于：包括连接在驱动端和接收端之间的用于传输高速差分信号的P线和N线，所述P线和N线之间并联传输线变压器，传输线变压器的传输线头端分别连接P线和N线，传输线变压器的传输线尾端相连接并接地。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速差分信号的共模噪声抑制电路，其特征在于：所述传输线变压器采用中心抽头接地的自耦变压器，所述自耦变压器采用高导磁率、低损耗的铁氧体磁芯。

3.根据权利要求2所述的一种用于高速差分信号的共模噪声抑制电路，其特征在于：所述磁芯为环形磁芯。

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