?
當今電子產品的操作環境中，電磁干擾(EMI)及射頻干擾(RFI)源頭不計其數，很大的原因就是RF技術的使用愈來愈多。這些類型的干擾導致采用差分接口的應用需要共模濾波。雖然業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，在噪聲已經耦合至電子產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是最普及的差分數據接口之一，因此本文旨在論證在高速USB 2.0應用中采用共模濾波器來抑制RMI/RFI噪聲的必要性及優勢，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、開關電源(如DC-DC轉換器)以及無線設備，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之間的設備，但隨著技術的拓展，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境干擾，不僅互相損害，而且還會損及其它設備的操作。本文重點探討應用于移動電話等便攜設備的USB 2.0，以及EMI/RFI干擾如無恰當的濾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，數據以高達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。數據透過兩根線傳輸，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構，去恰當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應用中，單端濾波器拓撲結構并不足夠，設計人員必須使用諸如共模扼流圈的差分拓撲結構。這類濾波器允許所需的差分數據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，能夠產生的最大基礎頻率來自以交替方式傳輸“1”和“0”(即1-0-1-0-1-0…)，產生240 MHz頻率。由于信號本身為方波形式，可藉傅立葉級數逼近方法(Fourier series approximatiON)，粗略地將基礎頻率乘以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量。眼圖顯示信號在不同狀態之間轉變，表明接收器能夠接收(interpret)正在傳輸的數據的表現有多好。高速數據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。
?
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。現在讓我們設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致的噪聲。如圖2所示引入共模噪聲時，眼圖質量大幅下降。
?
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，信號轉換質量下降，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的數據，因為信號上的噪聲太多，導致接收器無法在這些情況下有效地區分不同狀態。這還是只有少量噪聲，振幅僅為USB 2.0信號幅度5%的情況。
USB 2.0：保護接口
濾除EMI/RFI噪聲不僅重要，保護敏感內部電路令其免受可能有害甚至是毀滅性損害的ESD事件的影響也很重要。在這些情況下，有必要采用帶集成低電容ESD保護功能的共模濾波器，如安森美半導體的NUC2401。此濾波器提供高速USB 2.0信號必要的帶寬、恰當的共模衰減及敏感的內部電路ESD保護。集成ESD保護的電容極低(<1 pF)，令器件不會顯現給高速USB信號。查看圖3所示的眼圖，即使引入了大量的共模噪聲，也沒有超出眼圖遮罩界線，保持了信號的完整性。此圖顯示的是NUC2401輸出端高速USB 2.0信號的眼圖，所帶的共模噪聲信號頻率為900 MHz，峰值幅度為400 mV。
?
圖3 濾除了共模噪聲的高速USB 2.0信號
圖3所示的最終眼圖沒有超出遮罩的上部界限、下部界限及中間區域。這還是在引入的噪聲幅度超過圖2中噪聲振幅超出5倍的情況下實現的。即使噪聲達到這么高的等級，接收器也可以識別濾波器輸出端的最終眼圖，并且維持了極佳的信號完整性。
在大量干擾源頭導致的眾多干擾環境中，濾波極為重要。差分接口應當可以幫助將某些共模噪聲影響減至最輕，但如本文所示仍會有信號完整性的問題。此外，在諸如USB端口這樣的設備進入點(entry point)，如果沒有恰當地濾波，噪聲會擾亂其它內部電路。在進入點消除這些噪聲并對付任何ESD事件的最佳方案是使用帶集成ESD保護的共模濾波器。采用像NUC2401這樣的共模濾波器，可使USB 2.0接口在消除EMI/RFI噪聲方面更加強固，同時還提供ESD保護。須知道高速USB 2.0信號即使引入少量的EMI/RFI噪聲，也會影響信號，導致USB接收器無法識別。