高速差分接口及共模滤波与保护的需求

当今电子产品的操作环境中，电磁干扰(EMI)及射频干扰(RFI)源头不计其数，很大的原因就是RF技术的使用愈来愈多。这些类型的干扰导致采用差分接口的应用需要共模滤波。虽然业界寄望于采用差分信令将EMI/RFI的影响降至最低，但并不能完全消除这些影响。差分信号可能会遭受外部噪声的干扰，令接收器无法识别。此外，在噪声已经耦合至电子产品中的电子电路的情形下，未集成差分信令的其它电路可能受到影响并带来更多问题。

高速通用串行总线(USB) 2.0是最普及的差分数据接口之一，因此本文旨在论证在高速USB 2.0应用中采用共模滤波器来抑制RMI/RFI噪声的必要性及优势，并将探讨如何保护接口免受静电放电(ESD)影响。常见的干扰源头包括ESD、雷电、开关电源（如DC-DC转换器）以及无线设备，如移动电话、无线路由器、视频游戏机及小笔电。最常见的源头则来自工作频率在800 MHz～3 GHz之间的设备，但随着技术的拓展，这些频率限制的下限降低至700 MHz，上限则升高至6 GHz。所有这些源头会造成大量的环境干扰，不仅互相损害，而且还会损及其它设备的操作。本文重点探讨应用于移动电话等便携设备的USB 2.0，以及EMI/RFI干扰如无恰当的滤波会怎样滋生信号完整性问题。

USB 2.0：共模滤波器要求

在高速USB 2.0接口中，数据以高达480 Mbps的速率藉两根线缆差分传送。为了理解这种信号的滤波要求，首先要理解信号的属性。信号为差分信号，表示信号并未接地参考，而是两个信号彼此参考。数据透过两根线传输，每根线的相位恰好与另一根线相差180°。这两根线通常标示为D+和D-，表示信号的相位属性。这表示必须使用适宜的滤波器拓扑结构，去恰当滤除任何不需要的信号，同时不降低所需差分信号的信号完整性。

在USB 2.0应用中，单端滤波器拓扑结构并不足够，设计人员必须使用诸如共模扼流圈的差分拓扑结构。这类滤波器允许所需的差分数据通过而不影响信号完整性，同时滤除由EMI和RFI滋生的共模信号。共模滤波器的电感型属性为差分信号造就了高达3GHz或4GHz的宽通带(pass band)，而同时也为共模信号催生低于100 MHz的窄通带。

其次，要理解所需的必要通带让信号能良好完整地通过。就480 Mbps信号而言，能够产生的最大基础频率来自以交替方式传输"1"和"0"（即1-0-1-0-1-0…），产生240 MHz频率。由于信号本身为方波形式，可藉傅立叶级数逼近方法(Fourier series approximatiON)，粗略地将基础频率乘以3倍，得出信号通过所必要的带宽，就可得到差分信号720 MHz的最低必要带宽。

最后，必须确定充分消除不需要的共模信号所需的衰减量。衰减量取决于应用，一般而言，衰减越多越好。

USB 2.0：信号完整性的要求

为了理解信号带宽的要求，应要界定信号完整性的衡量方法，一般的做法是衡量信号的眼图(eye diagram)，确定接收到的信号的质量。眼图显示信号在不同状态之间转变，表明接收器能够接收（interpret）正在传输的数据的表现有多好。高速数据传输方案在眼图方面拥有信号必须符合的特定遮罩（mask）或模板(template)。典型高速USB 2.0眼图（含遮罩模板）如图1所示。

图1  典型高速USB 2.0眼图

来源：电子设计工程

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