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淺談差分互連之模態轉換 S參數中模態轉換的定義

454398 ? 來源:一博科技 ? 作者:高速先生團隊 ? 2021-04-08 09:35 ? 次閱讀

俗話說:少年看山是山,看水是水;中年看山不是山,看水不是水;老年看山還是山,看水還是水!這就說明,不同的人生閱歷,我們眼中的世界是不一樣的。這又讓我想到了小陳之前的文章中的一個說法,在邏輯工程師眼中數字信號就是0101,在硬件工程師眼中,數字信號就是高低跳變的電平。但是在SI工程師眼中,數字信號是一堆不同頻率的正弦波的疊加。那么在SI工程師眼中,差分信號又是什么呢?
上篇文章我們講到了差分信號的模態,其中有個重要的概念,那就是:

pIYBAGBuXa2APU1-AAA9vsaoWDI975.png

這里將單根信號的幅值用另外一種角度描述出來,那就是共模信號與差分信號的疊加。共模信號描述了單端信號中不變的成分,而差分信號描述了單端信號中跳變的部分。所以,在SI工程師眼中,差分信號不僅僅是差分信號,它是差分與共模的疊加。下面我們來直觀的感受一下什么是模態轉換。
理想情況下,我們希望差分信號是下圖1這樣的:

chuanx3-02.jpg

圖1

圖1中兩根單端信號完全對稱,交叉點也正好在共模電壓上。但實際上,我們接受到的信號往往是這樣的:

chuanx3-03.jpg

圖2

圖2中,兩根信號并不對稱,交叉點也沒有在共模電壓的位置。這兩幅圖中的差分信號貌似差別不大,但是共模信號卻存在較大的差異。理想情況下,共模信號是一個恒定不變的值,但是像圖2這種情況,共模信號卻出現了波動。既然有波動,肯定是有外加的能量對他產生干擾,而這種能量就來自于差分信號。我們把這種差分能量向共模能量轉換就叫做模態轉換。
差分能量轉換為共模能量后,差分信號本身的能量會有損失,這種損失在時域中通常表現為信號上升沿的畸變(變緩或者扭曲),而在頻域中則表現為高頻分量的損失。這一點,在之前的高速先生文檔中已經分析的比較清楚了,可以查看以下文章,鏈接如下:http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/Show.aspx?id=803
我們對模態轉換說了這么多,歸根結底是因為模態轉換他是評估一個傳輸通道性能好壞的指標,就像我們通常提到的插損和回損。插損是用來評估通道損耗程度的,回損是用來評估通道阻抗連續性的,那么模態轉換又是用來評估什么的呢?我們來看看S參數中模態轉換的定義,

chuanx3-04.jpg

上式中D指的是differential,C指的是common mode,端口定義如下:

chuanx3-05.jpg

圖3

從上式我們可以看出,要想保證信號模態轉換為0,兩根線必須絕對的對稱,即S11=S33,S21=S43,S23=S41。其中的對稱包括阻抗的一致性和時延的一致性。
SCD越小越好,越小代表通道的對稱性越好。實際情況下,由于設計過程中的各種限制,以及PCB加工公差等原因,以上對稱條件不可能完全滿足,所以模態轉換不可避免。我們在線路板設計中,為把差分線的模態轉換控制在較小水平,就要盡量將差分對做到完全對稱。
編輯:hfy

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