TWI558101B

TWI558101B - 差分傳輸電路

Info

Publication number: TWI558101B
Application number: TW101132359A
Authority: TW
Inventors: 關島大志郎
Original assignee: 佳能股份有限公司
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2016-11-11
Also published as: TW201312937A; WO2013038634A9; JP2013078110A; US20140340167A1; WO2013038634A1; US9374888B2; JP6025438B2

Description

差分傳輸電路

本發明係相關於應用到用於電機裝置和電子裝置的數位資料傳輸系統之差分傳輸電路。

對諸如由近年來的數位多功能周邊設備或數位相機為代表者等電機裝置和電子裝置之高速和高解析度的需求已日益增加，及變得需要高速傳輸大量數位訊號。於是，能夠以高速發送大量資料之差分訊號傳輸系統已被廣泛使用。

在差分訊號傳輸系統中，藉由振幅實質上相等且其極性相互顛倒的正常模式成分將用於訊號傳輸所需之基本訊號發送到一對訊號線。另外，除了訊號傳輸所需之基本訊號的成分之外，具有基本訊號的頻率之諧波成分的訊號亦包括在正常模式成分中。然而，正常模式成分與相互電流產生之磁通彼此抵銷，結果，能夠抑制由諧波成分所引起之來自差分傳輸路徑的輻射雜訊。

另一方面，在差分訊號傳輸系統中，除了正常模式成分之外，具有相同極性之共同模式成分的訊號亦發送到一對訊號線。藉由由差分訊號傳輸單元所引起之正常模式成分的不平衡特性、或者一對訊號線上的不平衡，將正常模式成分轉換成共同模式成分，導致共同模式成分的產生。另外，因為共同模式成分使電流能夠在相同方向上彼此流動於一對訊號線上，及所產生的磁通係相互加強，來自差分傳輸路徑的輻射雜訊將變大。

作為抑制此種輻射雜訊之方法，日本專利申請案先行公開4-372213討論藉由以在差分訊號接收單元中使資料再生所需之頻譜能夠通過低通濾波器(LPF)的LPF來執行頻帶限制以及移除具有高頻帶之不必要的頻譜，以抑制輻射雜訊。

圖7為日本專利申請案先行公開4-37221中之簡化的LPF之組態的電路圖。在圖7所示之LPF的事例中，藉由構成π型濾波器之電容器401、電感器201和電容器403、電容器402、電感器202和電容器404，正常模式成分降低其諧波成分的傳輸量。另一方面，藉由使共同模式成分能夠主要透過電容器401及402流動至地(GND)，降低共同模式成分的傳輸量。換言之，利用此種組態試圖降低由差分訊號傳輸單元所引起之共同模式成分，及降低來自一對訊號線的輻射雜訊。

然而，雖然它們都落在標準內，但是市面上可取得的電容器之電容值尚且無法完全符合它們。通常，它們含有加或減10%的等級上之誤差。當欲待發送的訊號之頻率變成1GHz或更高時，電容器的電容值之變化具有顯著的影響。

在日本專利申請案先行公開4-372213中，變化存在於連接到地(GND)之電容器401、402、403、及404的電容之值中。當在電容器401、402、403、及404的電容之值中具有變化時，因而產生不平衡存在於一對訊號線上。結果，正常模式成分將被轉換成共同模式成分，及將產生共同模式成分。因此，因為在習知LPF中，共同模式成分的產生量大，及輻射雜訊的降低效果低，所以必須抑制LPF中之共同模式成分的產生。

本發明係針對設置差分傳輸電路，其能夠藉由以LPF抑制共同模式成分的產生來降低輻射雜訊。

根據本發明的態樣，差分傳輸電路包含：差分訊號發送單元，被組構成發送差分訊號；差分訊號接收單元，被組構成接收差分訊號；以及第一訊號線和第二訊號線，其連接差分訊號發送單元和差分訊號接收單元，差分傳輸電路包含低通濾波器，其包括電感器單元，具有設置在第一訊號線上的第一電感器和設置在第二訊號線上的第二電感器；輸入側電容器單元，具有第一電容器、第二電容器、和第三電容器，在第一電容器中，一端係連接到第一電感器的訊號輸入端，而另一端係連接到第二電感器的訊號輸入端，在第二電容器中，一端係連接到第一電感器的訊號輸入端，而另一端係連接到地，及在第三電容器中，一端係連接到第二電感器的訊號輸入端，而另一端係連接到地，被組構成將差分訊號中所含有之共同模式成分予以衰減；以及輸出側電容器單元，具有設置在電感器單元與差分訊號接收單元之間的輸出側電容器，被組構成協同電感器單元和輸入側電容器單元一起將差分訊號中所含有之正常模式成分予以衰減。

根據本發明，由於輸入側電容單元中之第二電容器和第三電容器的電容之值的變化所產生之共同模式成分被抑制。因此，因為已降低共同模式成分之差分訊號係從低通濾波器輸出，所以來自第一和第二訊號線的輻射雜訊被降低。

從參考附圖之以下例示實施例的詳細說明將變得更明白本發明的其他特徵和態樣。

以下將參考附圖詳細說明本發明的各種例示實施例、特徵、及態樣。

圖1為根據本發明的例示實施例之差分傳輸電路的概要組態之電路圖。差分傳輸電路100包含：差分訊號發送單元1，係由半導體元件所組成；差分訊號接收單元2，係由半導體元件所組成；及第一訊號線3和第二訊號線4，其電連接差分訊號發送單元1和差分訊號接收單元2。尤其是，作為差分訊號發送單元1的第一發送端之第一發送端子1a和作為差分訊號接收單元2的第一接收端之第一接收端子2a係藉由第一訊號線3來予以電連接。另外，作為差分訊號發送單元1的第二發送端之第二發送端子1b和作為差分訊號接收單元2的第二接收端之第二接收端子2b係藉由第二訊號線4來予以電連接。差分傳輸路徑係藉由一對這些訊號線3及4所組構。

差分訊號發送單元1藉由輸出差分訊號到一對訊號線3及4來發送差分訊號到差分訊號接收單元2。差分訊號接收單元2接收由差分訊號發送單元1所發送之差分訊號。差分訊號為數位訊號，及為藉由串列化資料所獲得之串列訊號。然後，在差分訊號裡，在第一訊號線3上所發送之訊號成分和在第二訊號線4上所發送之訊號成分為互相相反的相位。差分訊號接收單元2從這些訊號成分的電壓之間的差來區分差分訊號的電壓位準(高位準或低位準)及再生資料。

另外，差分傳輸電路100包含設置在第一及第二訊號線3及4上之低通濾波器(在下文中被稱作LPF)6。LPF 6係設置在差分訊號發送單元1的附近。在下文中，將說明具體組態。

LPF 6包含電感器單元8、設置在電感器單元8的輸入側上之輸入側電容器單元7、及設置在電感器單元8的輸出側上之輸出側電容器單元9。

電感器單元8包含設置在第一訊號線3上之第一電感器11，及設置在第二訊號線4上之第二電感器12。電感器11及12係串聯設置在訊號線3及4上，及電感器11及12的一端子(一端)11a及12a充作訊號輸入端，而另一端子(另一端)11b及12b充作訊號輸出端。

輸入側電容器單元7包含三個電容器21、22、及23，，第一電容器21具有電連接到第一電感器11的訊號輸入端11a之一端子(一端)21a和電連接到第二電感器12的訊號輸入端12a之另一端子(另一端)21b。換言之，第一電容器21係設置在訊號線3及4之間。

第二電容器22具有電連接到第一電感器11的訊號輸入端11a之一端子(一端)22a和電連接到地(GND)之另一端子(另一端)22b。換言之，第二電容器22的一端22a係連接到第一訊號線3。

另外，第三電容器23具有電連接到第二電感器12的訊號輸入端12a之一端子(一端)23a和電連接到地(GND)之另一端子(另一端)23b。換言之，第三電容器23的一端23a係連接到第二訊號線4。

輸出側電容器單元9包含第四電容器31，係設置在電感器單元8和差分訊號接收單元2之間。尤其是，第四電容器31為電容器元件，其具有電連接到第一電感器11的訊號輸出端11b之一端子(一端)31a和電連接到第二電感器12的訊號輸出端12b之另一端(另一端)31b。

有關正常模式成分，輸入側電容器單元7、電感器單元8、及輸出側電容器單元9充作π型濾波器。因此，藉由利用充作π型濾波器之輸入側電容器單元7、電感器單元8、及輸出側電容器單元9彼此合作，將差分訊號中所含有之正常模式成分(尤其是，比第一波封高之頻率區，即、諧波成分)予以衰減。

另一方面，從差分訊號發送單元1輸出之差分訊號中所含有的共同模式成分主要通過輸入側電容器單元7的第二和第三電容器22及23及流動至地(GND)。因此，從差分訊號發送單元1輸出之差分訊號中所含有的共同模式成分係藉由LPF 6來予以有效衰減。

在本例示實施例中，第二電容器22和第三電容器23使用具有電容的相同標稱值之電容器元件。假設第一電容器21的電容之標稱值為C1，及第二和第三電容器22及23之電容的各個標稱值為C2。有關正常模式成分的訊號，假設輸入側電容器單元7的組合電容之值為CT，而後CT被表示作下面等式1。

另一方面，在圖解習知例子之圖5中，CT被表示作下面等式2。

唯一地決定組合電容值CT的值，因為其為構成LPF 6之元素的其中之一。於是，在本例示實施例的組態中，具有標稱值C1的第一電容器21被插入，藉以可使第二和第三電容器22及23的標稱值C2之值小於習知例子的值。

即使電容器具有相同標稱值，由於容限，變化仍存在於實際電容的值中。如此，即使在第二電容器22的電容之值與第三電容器23的電容之值之間具有變化，仍可使用具有比習知小的標稱值C2之電容器元件。結果，電容的變化之強度變得小於習知。換言之，變得能夠減少有關組合電容值CT的誤差。因此，在輸入側電容器單元7中，可抑制從正常模式成分轉換到共同模式成分，即、可抑制共同模式成分的產生。

因此，因為LPF 6衰減差分訊號中所含有之共同模式成分，及也抑制共同模式成分的產生，所以可降低來自第一及第二訊號線3及4的輻射雜訊。

而且，在本例示實施例中，因為第四電容器31係連接在電感器11及12的訊號輸出端11b及12b之間，可歸因於兩習知電容器403及404(圖7)的電容值之變化的共同模式成分之產生被防止。因此，在本例示實施例中，藉由輸出側電容器單元9來防止共同模式成分的產生，及可更有效地降低來自第一及第二訊號線3及4的輻射雜訊。

除了只包含圖1所示之第四電容器31的形式之外，輸出側電容器單元9還可採用包含圖2所示之第五電容器32和第六電容器33的形式。圖2之第五電容器32具有電連接到第一電感器11的訊號輸出端之一端子(一端)和電連接到地(GND)之另一端子(另一端)。換言之，第五電容器32的一端係連接到第一訊號線3。另外，第六電容器33具有電連接到第二電感器12的訊號輸出端之一端子( 一端)和電連接到地(GND)之另一端子(另一端)。換言之，第六電容器33的一端係連接到第二訊號線4。在圖2中，用相同的元件符號來表示與圖1的構件類似之構件，因此將不再重複其說明。另外，如圖3所示，輸出側電容器單元9可採用包括第四電容器31、第五電容器32、及第六電容器33之形式。在圖3中，用相同的元件符號來表示與圖1或圖2的構件類似之構件，因此將不再重複其說明。

接著，將說明根據圖1所示之本發明的例示實施例之差分傳輸電路100的特定例示實施例。

在圖1所示之差分傳輸電路100中，第一及第二電感器11及12的電感值L1及L2為39 nH，第四電容器31的電容值C3為2.7 pF，及輸入側電容器單元7中之組合電容值CT為18 pF。

假設第二及第三電容器22及23相對於標稱值C2具有加或減10%的變化(容限)，則在它們具有變化20%作為變化的最大值之狀態中已執行模擬，以計算共同模式成分的產生量。關於模擬，使用4埠的S參數計算，埠的每一個(1a、2a、1b、及2b)之參考阻抗被設定成50 ohm，及計算的頻率範圍為1 GHz。

圖4為LPF 6中所產生之共同模式成分的產生量之最大值對上C1對C2的比例(C1/C2)圖。在圖2中，水平軸表示C1對C2的比例(C1/C2)，及垂直軸表示共同模式成分的產生量之最大值。在圖4中，滿足上述元件值的條件之產生自LPF 6的共同模式成分係由實線表示。例如，將CT設定成18 pF，當(C1/C2)為1時，電容器21的電容值C1變成12 pF，及電容器22及23的電容值C2變成12 pF。然而，因為C2具有20%的變化，所以假設電容器22為13.2 pF及電容器23為10.8 pF來執行計算。另外，將CT設定成18 pF，當(C1/C2)為2時，電容器21的電容值C1變成14.4 pF，及電容器22及23的電容值C2變成7.2 pF。然而，因為C2具有20%的變化，所以假設電容器22為6.48 pF及電容器23為7.92 pF來執行計算。

在圖7所示之習知例子的LPF之組態中，電感器201及202的電感值為39 nH，電容器403及404的每一個之電容值C4為5.4 pF，及電容器401及402的組合電容值CT為18 pF。假設電容器401及402的電容值C2和電容器403及404的電容值C4具有加或減10%的變化，在它們具有20%的變化作為變化的最大值之狀態中執行模擬。尤其是，假設電容器401為32.4 pF、電容器402為39.6 pF、電容器403為5.94 pF，及電容器404為4.86 pF，計算共同模式成分的產生量。在圖4中，習知例子的結果係由點線來表示。

如圖4所示，可看出當C1對C2的比例之值增加時，共同模式成分的產生量被抑制。另外，通常，當作已抑制輻射雜訊之狀態的指標值，6 dB足以作為降低效果。從圖4，關於比習知例子降低6 dB之C1對C2的比例之值，值變成0.75。換言之，若C1對C2的比例之值等於或大於0.75，則可充分抑制LPF 6中之共同模式成分的產生量。

接著，為了解釋清楚有關共同模式成分的降低能力，關於LPF 6，計算有關LPF 6中之共同模式成分的傳輸量。結果圖示於圖5。圖5為表示LPF 6中之共同模式成分的傳輸量之最小值對上C1對C2的比例(C1/C2)之圖表。在圖5中，水平軸表示C1對C2的比例(C1/C2)，及垂直軸表示共同模式成分的傳輸量之最小值。在圖5中，滿足上述元件值的條件之發送自LPF 6的共同模式成分係由實線表示。

此處所使用之共同模式成分的傳輸量之最小值為在輻射雜訊標準頻帶的範圍內者，此處，將說明上至1 GHz的頻帶。另外，此處所使用之共同模式成分為由差分訊號發送單元1所引起的共同模式成分。

另一方面，作為比較例子，圖6圖解具有與有關一般模式成分的LPF 6中者之相同的傳輸特性之差分傳輸電路，其中，僅在差分傳輸路徑之間連接構成LPF之電容器301及302。圖6所示之LPF包含兩電感器201及202、連接在電感器201及202的訊號輸入端之間的電容器301、及連接在電感器201及202的訊號輸出端之間的電容器302。在圖6所示之比較例子的LPF之組態中，電感器201及202的電感值為39 nH，電容器301的電容值為18 pF，及電容器302的電容值為2.7 pF。關於比較例子的 LPF，計算有關共同模式成分的傳輸量，與根據本例示實施例的LPF 6類似。在圖5中，比較例子的結果係由實線來表示。

因為圖6所示之LPF的電容器301及302係連接在差分傳輸路徑之間，所以它們對流動在同一方向上之共同模式成分未產生影響。於是，如圖5所示，共同模式成分的傳輸量大於LPF 6之共同模式成分的傳輸量。

相反地，在根據本例示實施例之LPF 6中，來自差分訊號發送單元1之共同模式成分能夠透過圖1所示之電容器22及23流至地(GND)。結果，共同模式成分的傳輸量可減少到低於圖6所示之電路組態的位準之位準。

另外，從圖5，可看出，當C1對C2的比例之值增加時，共同模式成分的傳輸量亦增加。通常，當作已抑制輻射雜訊之狀態的指標值，6 dB足以作為降低效果。從圖5，關於比比較例子降低6 dB的傳輸量之C1對C2的比例之值，值變成2.25。換言之，若C1對C2的比例之值等於或小於2.25，則可充分降低由差分訊號發送單元1所引起的共同模式成分。

總結上述說明，若C1對C2的比例之值等於或大於0.75且等於或小於2.25，則從圖4及圖5，可有效抑制由於電容器22及23的電容之變化所導致之共同模式成分的產生。而且，若C1對C2的比例之值滿足上述條件，則LPF 6亦可有效降低由於差分訊號發送單元1所引起的共同模式成分。

本發明並不侷限於上述之例示實施例和例示例子，而是在本發明的技術理念內，精於本技藝之人士可進行許多修改。

在上述例示實施例中，已說明第四電容器31係連接在第一電感器11的訊號輸出端11b與第二電感器12的訊號輸出端12b之間的事例。在此事例中，可更有效抑制LPF 6中之共同模式成分的產生，但是本發明並不侷限於此組態。可接受設置在電感器單元與差分訊號接收單元之間的輸出側電容器包含第一輸出側電容器和第二輸出側電容器之事例。第一輸出側電容器具有連接到第一電感器的訊號輸出端之一端和連接到地的另一端。另外，第二輸出側電容器具有連接到第二電感器的訊號輸出端之一端和連接到地的另一端。甚至在此事例中，因為可抑制輸入側電容器單元中共同模式成分的產生，所以可降低輻射雜訊。

儘管已參考例示實施例說明本發明，但是應明白本發明並不侷限於所揭示的例示實施例。下面申請專利範圍的範疇欲符合最廣泛的闡釋，以便包含所有修改、均等結構、及功能。

1‧‧‧差分訊號發送單元

1a‧‧‧第一發送端子

1b‧‧‧第二發送端子

2‧‧‧差分訊號接收單元

2a‧‧‧第一接收端子

2b‧‧‧第二接收端子

3‧‧‧第一訊號線

4‧‧‧第二訊號線

6‧‧‧低通濾波器

7‧‧‧電感器單元

8‧‧‧輸入側電容器單元

9‧‧‧輸出側電容器單元

11‧‧‧電感器

11a‧‧‧訊號輸入端

11b‧‧‧訊號輸出端

12‧‧‧電感器

12a‧‧‧訊號輸入端

12b‧‧‧訊號輸出端

21‧‧‧第一電容器

21a‧‧‧端子

21b‧‧‧端子

22‧‧‧第二電容器

22a‧‧‧端子

22b‧‧‧端子

23‧‧‧第三電容器

23a‧‧‧端子

23b‧‧‧端子

31‧‧‧第四電容器

31a‧‧‧端子

31b‧‧‧端子

32‧‧‧第五電容器

33‧‧‧第六電容器

100‧‧‧差分傳輸電路

201‧‧‧電感器

202‧‧‧電感器

301‧‧‧電容器

302‧‧‧電容器

401‧‧‧電容器

402‧‧‧電容器

403‧‧‧電容器

404‧‧‧電容器

併入和構成說明書的一部分之附圖圖解本發明的例示實施例、特徵、及態樣，及連同說明一起用於解釋本發明的原理。

圖1為根據例示實施例之差分傳輸電路的概要組態之電路圖。

圖2為根據另一例示實施例之差分傳輸電路的概要組態之電路圖。

圖3為根據另一例示實施例之差分傳輸電路的概要組態之電路圖。

圖4為表示共同模式成分的產生量之最大值對上C1對C2的比例之圖表。

圖5為表示共同模式成分的產生量之最小值對上C1對C2的比例之圖表。

圖6為比較例子之差分傳輸電路的概要組態之電路圖。

圖7為習知例子之差分傳輸電路的概要組態之電路圖。