在测同一被测线材时,其阻抗会因在该被测线材上传输的信号型式不同,而分为单端阻抗,同模(共模)阻抗及差分阻抗,其差异主要表现在测试的信号条件上。故每种线均可测得上述3种阻抗,但因线材应用不同,各种阻抗的影响性质也不同,今天我们说的Common mode(共/同模);同模阻抗也叫共地模式是测试一对线分别与地线之间的阻抗,基本上同模传输是用以模拟杂讯或做为量测线材平衡特性的用途,并不用在一般的信号传输,实际上在线材中传输的信号,由于相位或振幅不能维持在理想的状态,从而使最终输出的信号产生了共模的成份,而这些共模信号不具有原始差分信号抑制辐射的优点,故对信号高频传输会产生影响;同模阻抗NG,怎样处理?
USB4 的差分转共模阻抗协会规格要求
同模阻抗的物理概念说明
阻抗的种类和名词定义
特性阻抗:是根据输入阻抗计算的出的平均值。(什么是电缆的特性阻抗?)
特征阻抗是对于交流信号(或者说高频信号)来说的;特征阻抗属于长线传输中的一个概念,信号在传输线中传输的过程中,在信号到达的一个点,传输线和参考平面之间会形成电场,由于电场的存在,会产生一个瞬间的小电流,这个小电流在传输线中的每一点都存在。同时信号也存在一定的电压,这样在信号传输过程中,传输线的每一点就会等效成一个电阻,这个电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。
什么是特性阻抗
输入阻抗:是线缆实际量测的阻抗值。
差分阻抗:发射信号可正负交替又称为平衡阻抗。
由于讯号完整性问题,越来越多的线缆采用差分线来传输讯号:
差分结构:由于共模抑制,能够更好地抗干扰
差分结构:由于抵消场,降低辐射杂讯(EMI)
差分结构:实现了更加精确的时序控制
差分结构:由于抗干扰能力及降低辐射能量,减少了串扰
差分结构:减少了由于电流瞬变导致的电源杂讯
差分传输线具有两种独特的传播方式,每种方式都具有自己的特性阻抗。差分阻抗是指在差分驱动时在两条传输线中测量的阻抗,差分阻抗是奇模阻抗的两倍。偶模阻抗被定义爲通过监测一条线路,而另一条线路先通过
同等讯号驱动而测量的阻抗。下面是一个差分驱动和共模驱动的图示,图中显示了相应的电场、磁场分佈
共模阻抗:共模阻抗是指并连在一起的线路的阻抗,是偶模阻抗的二分之一。导体走正编织或地线走负的信号,目前用于同轴线或带地线的CABLE,又称不平衡阻抗。
差分阻抗:
假定在某一瞬间我们将两根走线用电阻端接到地。因为i1 = -i2,所以根本没有电流流经地。也就是说,没有真正的理由把电阻接地。事实上,有人认为,为了将差分信号和地噪声隔离,一定不能将它们连接到地。因此通常的连接形式如图1(c)中所示,用单个电阻连接线1 与线2。电阻的值是线1和线2 差模阻抗的和,或:
Zdiff = 2*Z0*(1-k) 或
2*(Z11 - Z12)
这就是为什么你经常看到实际上一个差分对具有大约80Ω的差分阻抗,而每个单线阻抗是50Ω。
计算:
知道Zdiff 是2*(Z11-Z12)不是很有用,因为Z12 的值并不直观。但是,当我们看到Z12与耦合系数k 有关,事情就变得清晰了。事实上,耦合系数与我在Brookspeak 中关于串扰的专栏I中谈到的耦合系数是相同的。国家半导体发布的计算Zdiff 的公式II已经被广泛接受:
Zdiff = 2*Z0(1-.48*e-.96*S/H) 微带线
Zdiff = 2*Z0(1-.347*e-2.9*S/H) 带状线
其中的术语在图2 中定义。Z0 为其传统定义III。
共模阻抗:
为了讨论完整起见,共模阻抗与上面略有不同。第一个差别是i1 = i2(没有负号),这样式3 就变成:
V1 = Z0*i1*(1+k) (4)
V2 = Z0*i1*(1+k)
并且正如所期望的,V1 = V2。因此单线阻抗是Z0*(1+k)。在共模情况下,两根线的端接电阻均接地,所以流经地的电流为i1+i2 且这两个电阻对器件表现为并联。也就是说,共模阻抗是这些电阻的并联组合,或:
Zcommon = (1/2)*Z0*(1+k),或
Zcommon = (1/2)*(Z11 + Z12)
注意,这里差分对的共模阻抗大约为差模阻抗的1/4。
同模阻抗NG,怎么办
举例分析:线材结构28#/2P+8C +AL+B,2P/28#导体7/0.127,芯线HDPE ,OD:0.72mm,对绞绞距25mm;测试结果是衰减,差分阻抗OK, 同模阻抗NG.
从上面的物理概念介绍可以了解到,差模(差分阻抗)包括介于驱动器与接收器的一对走线(或导线)。我们一般认为其中一根走线传送正信号而另一根传送负信号,并且大小相等极性相反,没有通过地的返回信号;信号沿一根走线前进并从另外一根返回。同模信号通常更难于理解。既可以包括单端走线也可以包括两个(可能更多)差分走线。同样的信号沿走线以及返回路径(地)或者沿差分对中的两根走线流动。大部分人往往对共模信号不熟悉,因为我们自己从来不会故意产生它们。它们通常是由从其它(邻近或外部)源耦合进电路的噪声引起的。一般来讲,结果最好情况是中性的,最坏情况是具有破坏性的。共模信号能够产生干扰电路正常运行的噪声,并且是常见的EMI问题的来源。
上图同模阻抗NG,共模阻抗受差分阻抗影响很大,差分阻抗偏小,共模阻抗也会偏小,如上图首先改善差分阻抗,为了方便大家理解差分阻抗,我们举一个生活在中的例子来加以说明。一条道路,如果非常平整,则我们就说它的平整度(特性阻抗)很高(亦即阻抗连续性好)。如果出现坑洼不平,我们就说他的平整度差(阻抗不连续)。如果前面路断了(断头路),则车辆行人只能掉头回来(断头相当于电缆开路,阻抗突变为无穷大)。如果路面坑洼颠簸得很厉害,则底盘低的轿车就会放弃前行掉头返回(阻抗突变导致信号产生回波)。由此可以帮助理解:阻抗越连续(平顺),则信号回波越少。反之,回波越大,则阻抗越不连续(路面不平整顺)。所以,通过测量回波,我们就可以了解路面的质量(电缆的阻抗连续性),改善阻抗就是改善线缆的结构
第一,改善线缆结构,将线缆的差分阻抗做到90欧姆,共模阻抗受差分阻抗影响很大,差分阻抗偏小,共模阻抗也会偏小。
第二,同模阻抗测试的是抗干扰能力,需要提高抗干扰能力就是将每对线缆增加屏蔽或者采用双面铝箔等。
第三,一对同方向电流的传输线,两导线产生的磁力线在导线之间的相抵。两导线产生的“环绕两导线”的磁力线方向相同,磁场相增。这是电流产生磁场的主动情况,这种条件与外部干扰源产生感应电流的被动情况效果相似,外磁场环绕两根导线,产生同方向电流,产生共模干扰。综合而言同模阻抗测试的主要是干扰,而干扰的程度与导线的间距有关,间距大,磁场的不均匀就会产生差模。所以我们只要设计好差分阻抗和skew,共模阻抗就不成问题了!如何控制好的SKEW,需要减少半成品的绞合外径及减少绞合绞距。
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