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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)源頭不計其數(shù)，很大的原因就是RF技術(shù)的使用愈來愈多。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。差分信號可能會遭受外部噪聲的干擾，令接收器無法識別。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更多問題。
高速通用串行總線(USB) 2.0是最普及的差分數(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抑制RMI/RFI噪聲的必要性及優(yōu)勢，并將探討如何保護接口免受靜電放電(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)以及無線設(shè)備，如移動電話、無線路由器、視頻游戲機及小筆電。最常見的源頭則來自工作頻率在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。所有這些源頭會造成大量的環(huán)境干擾，不僅互相損害，而且還會損及其它設(shè)備的操作。本文重點探討應(yīng)用于移動電話等便攜設(shè)備的USB 2.0，以及EMI/RFI干擾如無恰當(dāng)?shù)臑V波會怎樣滋生信號完整性問題。
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480 Mbps的速率藉兩根線纜差分傳送。為了理解這種信號的濾波要求，首先要理解信號的屬性。信號為差分信號，表示信號并未接地參考，而是兩個信號彼此參考。數(shù)據(jù)透過兩根線傳輸，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-，表示信號的相位屬性。這表示必須使用適宜的濾波器拓撲結(jié)構(gòu)，去恰當(dāng)濾除任何不需要的信號，同時不降低所需差分信號的信號完整性。
在USB 2.0應(yīng)用中，單端濾波器拓撲結(jié)構(gòu)并不足夠，設(shè)計人員必須使用諸如共模扼流圈的差分拓撲結(jié)構(gòu)。這類濾波器允許所需的差分數(shù)據(jù)通過而不影響信號完整性，同時濾除由EMI和RFI滋生的共模信號。共模濾波器的電感型屬性為差分信號造就了高達3GHz或4GHz的寬通帶(pass band)，而同時也為共模信號催生低于100 MHz的窄通帶。
其次，要理解所需的必要通帶讓信號能良好完整地通過。就480 Mbps信號而言，能夠產(chǎn)生的最大基礎(chǔ)頻率來自以交替方式傳輸“1”和“0”(即1-0-1-0-1-0…)，產(chǎn)生240 MHz頻率。由于信號本身為方波形式，可藉傅立葉級數(shù)逼近方法(Fourier series approximatiON)，粗略地將基礎(chǔ)頻率乘以3倍，得出信號通過所必要的帶寬，就可得到差分信號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：信號完整性的要求
為了理解信號帶寬的要求，應(yīng)要界定信號完整性的衡量方法，一般的做法是衡量信號的眼圖(eye diagram)，確定接收到的信號的質(zhì)量。眼圖顯示信號在不同狀態(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。
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圖1 典型高速USB 2.0眼圖
USB 2.0接收器可以輕易接收圖1所示的信號，如圖所示，信號完全在眼圖遮罩范圍之內(nèi)。現(xiàn)在讓我們設(shè)想引入了共模噪聲信號的情況。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電話操作導(dǎo)致的噪聲。如圖2所示引入共模噪聲時，眼圖質(zhì)量大幅下降。
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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上部界限，信號轉(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)，因為信號上的噪聲太多，導(dǎo)致接收器無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信號幅度5%的情況。