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串行总线---差分线之共模、奇模、偶模

2017-06-16 10:34:09 本文行家:天天天蓝2017

讲差分线,信号的模态是一个绕不过去的话题。记得我在刚接触SI的时候,曾被这些概念弄得伤透了脑筋。差分,共模,奇模,偶模……这些概念经常把人绕的很晕。但是为了理解差分信号的传输机制,这些基础概念又不得不理解清楚,弄清楚了,很多问题就会迎刃而解,下面就让我们一起来捋一捋这些容易混淆的概念。首先让我们来明确一下共模信号的概念。共模信号是相对于差分信号来说的。看下面这张图。图 1差分信号和共模信号定义对比

讲差分线,信号的模态是一个绕不过去的话题。记得我在刚接触SI的时候,曾被这些概念弄得伤透了脑筋。差分,共模,奇模,偶模……这些概念经常把人绕的很晕。但是为了理解差分信号的传输机制,这些基础概念又不得不理解清楚,弄清楚了,很多问题就会迎刃而解,下面就让我们一起来捋一捋这些容易混淆的概念。
首先让我们来明确一下共模信号的概念。共模信号是相对于差分信号来说的。看下面这张图。
 

差分信号、差分线信号-共模 
图 1

差分信号和共模信号定义对比如下:

 差分信号、差分线信号-共模

图1和公式已经描述的很清楚了:在差分对中,差分信号被定义为两根单端信号的差值,共模信号指的是两根信号线上的平均值,暂且就这么理解吧。

那么,为啥要定义共模?个人理解:为了体现电压的跳变,人为规定了一个电压参考标准。将信号分成共模电压和差分电压来研究,能够看清问题的本质。请看如下信号,该信号是直流还是交流?

 差分信号、差分线信号-共模
图 2

该信号既包含直流的成分也包含交流的成分,可以将信号拆开来看,拆分后,信号成分就很明确

差分信号、差分线信号-共模
图 3

对这种分析方法有没有很熟悉的感觉?其实将信号从时域转换为频域使用的就是这种思想。频域中,我们将数字信号理解为不同频率成分正弦波的叠加,这里我们又把信号拆分成直流和交流。由此,我们这样来描述差分对上的单根信号:

差分信号、差分线信号-共模 

如此一来,单端信号就被描述成为共模信号与差分信号的叠加,共模电压一般是个恒定的值。单端信号也可以理解为以共模电压为基础,在共模电压的基础上上下摆动。这样描述对于解释差分信号的很多特性都有很大的帮助,例如在描述一个通道的时候,我们经常会提到差分转共模。在理想情况下,共模信号是保持恒定不变的,如果共模信号出现了波动,就会出现EMI辐射问题。具体原理在后期的文章中会专门的讲到。
这里我们引入了共模电压的概念,相信大家对差分信号的认识更深刻了。那么,还经常听到别人说到奇模,偶模。这又是啥意思呢?模态,说到底还是用来描述差分对上的信号状态的。

差分信号、差分线信号-共模 
图 4

如上图4所示,信号线1和2上的信号可以是同向的,也可以是反向的。信号的流向不同,对应的电磁场不同,如下图5:

 差分信号、差分线信号-共模
图 5

两线上有相同的驱动电压为偶模;两线上有相反的驱动电压为奇模。奇模状态下,围绕在单根线周围的磁场被抵消了一部分,偶模状态导体周围的磁感线得到了加强。奇模和偶模状态,导致信号线周围的电磁场分布不一样,因此信号感受到的阻抗就会不一样,我们知道差分阻抗一般情况下小于2倍的单端阻抗,这也是两根线相互耦合的结果。

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参考资料:
[1] 串行总线---差分互连(差分线)之共模、奇模、偶模 http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/Show.aspx?id=1085
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天天天蓝201710余年高速PCB设计与仿真经验;IPC中国设计师理事会副主席;曾在北京、上海、深圳、美国等地主讲多场一博技术研讨会;《Cadence印刷电路板设计-Allegro PCB Editor设计指南》一书的第一作者。

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