在測同一被測線材時,其阻抗會因在該被測線材上傳輸的信號型式不同,而分為單端阻抗,同模(共模)阻抗及差分阻抗,其差異主要表現在測試的信號條件上。故每種線均可測得上述3種阻抗,但因線材應用不同,各種阻抗的影響性質也不同,今天我們說的Common mode(共/同模);同模阻抗也叫共地模式是測試一對線分別與地線之間的阻抗,基本上同模傳輸是用以模擬雜訊或做為量測線材平衡特性的用途,并不用在一般的信號傳輸,實際上在線材中傳輸的信號,由于相位或振幅不能維持在理想的狀態,從而使最終輸出的信號產生了共模的成份,而這些共模信號不具有原始差分信號抑制輻射的優點,故對信號高頻傳輸會產生影響;同模阻抗NG,怎樣處理?
同模阻抗的物理概念說明
阻抗的種類和名詞定義
特性阻抗:特性阻抗
什么是特性阻抗
輸入阻抗:是線纜實際量測的阻抗值。
差分阻抗:發射信號可正負交替又稱為平衡阻抗。
由于訊號完整性問題,越來越多的線纜采用差分線來傳輸訊號:
差分結構:由于共模抑制,能夠更好地抗干擾
差分結構:由于抵消場,降低輻射雜訊(EMI)
差分結構:實現了更加精確的時序控制
差分結構:由于抗干擾能力及降低輻射能量,減少了串擾
差分傳輸線具有兩種獨特的傳播方式,每種方式都具有自己的特性阻抗。差分阻抗是指在差分驅動時在兩條傳輸線中測量的阻抗,差分阻抗是奇模阻抗的兩倍。偶模阻抗被定義爲通過監測一條線路,而另一條線路先通過
同等訊號驅動而測量的阻抗。下面是一個差分驅動和共模驅動的圖示,圖中顯示了相應的電場、磁場分佈
共模阻抗:共模阻抗是指并連在一起的線路的阻抗,是偶模阻抗的二分之一。導體走正編織或地線走負的信號,目前用于同軸線或帶地線的CABLE,又稱不平衡阻抗。
差分阻抗:
假定在某一瞬間我們將兩根走線用電阻端接到地。因為i1 = -i2,所以根本沒有電流流經地。也就是說,沒有真正的理由把電阻接地。事實上,有人認為,為了將差分信號和地噪聲隔離,一定不能將它們連接到地。因此通常的連接形式如圖1(c)中所示,用單個電阻連接線1 與線2。電阻的值是線1和線2 差模阻抗的和,或:
Zdiff = 2*Z0*(1-k) 或
2*(Z11 - Z12)
這就是為什么你經常看到實際上一個差分對具有大約80Ω的差分阻抗,而每個單線阻抗是50Ω。
計算:
知道Zdiff 是2*(Z11-Z12)不是很有用,因為Z12 的值并不直觀。但是,當我們看到Z12與耦合系數k 有關,事情就變得清晰了。事實上,耦合系數與我在Brookspeak 中關于串擾的專欄I中談到的耦合系數是相同的。國家半導體發布的計算Zdiff 的公式II已經被廣泛接受:
Zdiff = 2*Z0(1-.48*e-.96*S/H) 微帶線
Zdiff = 2*Z0(1-.347*e-2.9*S/H) 帶狀線
其中的術語在圖2 中定義。Z0 為其傳統定義III。
共模阻抗:
為了討論完整起見,共模阻抗與上面略有不同。第一個差別是i1 = i2(沒有負號),這樣式3 就變成:
V1 = Z0*i1*(1+k)(4)
V2 = Z0*i1*(1+k)
并且正如所期望的,V1 = V2。因此單線阻抗是Z0*(1+k)。在共模情況下,兩根線的端接電阻均接地,所以流經地的電流為i1+i2 且這兩個電阻對器件表現為并聯。也就是說,共模阻抗是這些電阻的并聯組合,或:
Zcommon = (1/2)*Z0*(1+k),或
Zcommon = (1/2)*(Z11 + Z12)
注意,這里差分對的共模阻抗大約為差模阻抗的1/4。
同模阻抗NG,怎么辦
舉例分析:線材結構28#/2P+8C +AL+B,2P/28#導體7/0.127,芯線HDPE ,OD:0.72mm,對絞絞距25mm;測試結果是衰減,差分阻抗OK, 同模阻抗NG.
從上面的物理概念介紹可以了解到,差模(差分阻抗)包括介于驅動器與接收器的一對走線(或導線)。我們一般認為其中一根走線傳送正信號而另一根傳送負信號,并且大小相等極性相反,沒有通過地的返回信號;信號沿一根走線前進并從另外一根返回。同模信號通常更難于理解。既可以包括單端走線也可以包括兩個(可能更多)差分走線。同樣的信號沿走線以及返回路徑(地)或者沿差分對中的兩根走線流動。大部分人往往對共模信號不熟悉,因為我們自己從來不會故意產生它們。它們通常是由從其它(鄰近或外部)源耦合進電路的噪聲引起的。一般來講,結果最好情況是中性的,最壞情況是具有破壞性的。共模信號能夠產生干擾電路正常運行的噪聲,并且是常見的EMI問題的來源。
上圖同模阻抗NG,共模阻抗受差分阻抗影響很大,差分阻抗偏小,共模阻抗也會偏小,如上圖首先改善差分阻抗,為了方便大家理解差分阻抗,我們舉一個生活在中的例子來加以說明。一條道路,如果非常平整,則我們就說它的平整度(特性阻抗)很高(亦即阻抗連續性好)。如果出現坑洼不平,我們就說他的平整度差(阻抗不連續)。如果前面路斷了(斷頭路),則車輛行人只能掉頭回來(斷頭相當于電纜開路,阻抗突變為無窮大)。如果路面坑洼顛簸得很厲害,則底盤低的轎車就會放棄前行掉頭返回(阻抗突變導致信號產生回波)。由此可以幫助理解:阻抗越連續(平順),則信號回波越少。反之,回波越大,則阻抗越不連續(路面不平整順)。所以,通過測量回波,我們就可以了解路面的質量(電纜的阻抗連續性),改善阻抗就是改善線纜的結構
第一,改善線纜結構,將線纜的差分阻抗做到90歐姆,共模阻抗受差分阻抗影響很大,差分阻抗偏小,共模阻抗也會偏小。
第二,同模阻抗測試的是抗干擾能力,需要提高抗干擾能力就是將每對線纜增加屏蔽或者采用雙面鋁箔等。
第三,一對同方向電流的傳輸線,兩導線產生的磁力線在導線之間的相抵。兩導線產生的“環繞兩導線”的磁力線方向相同,磁場相增。這是電流產生磁場的主動情況,這種條件與外部干擾源產生感應電流的被動情況效果相似,外磁場環繞兩根導線,產生同方向電流,產生共模干擾。綜合而言同模阻抗測試的主要是干擾,而干擾的程度與導線的間距有關,間距大,磁場的不均勻就會產生差模。所以我們只要設計好差分阻抗和skew,共模阻抗就不成問題了!如何控制好的SKEW,需要減少半成品的絞合外徑及減少絞合絞距。
審核編輯:黃飛
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原文標題:同模阻抗
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