高速差分接口及共模濾波與保護的需求

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