高速连接器差模到共模转换的控制

电&牧*ELLC IRONIC rh( HNOLUGY电子元器件 Electronic Component & Device高速连接器差模到共模转换的控制王命昌(上海交通大学)摘要：驗着计伴机数据传输速率的不断提离，从1998年的PCIX 66Mb/s总线频率到2010年的PCIE第三代8Gb/s总 线频率，系统中的高速连接器的电待性设计成为系统设计的一大关健要素。本文主要讨论如何控制高速连接器差模到 共模的转换，通过一些高速连接器作为例子来进行仿真和实验论证.关键词：高速连接器；差模：共模Control of DifTerential Mode to Common Mode Conversion in High Speed ConnectorWang Mingchang(Shanghai Jiao Tong University)Abstract: With the data transfer rate getting higher in computer system, from PCIXs 66Mb/s data rate in 1998 to PCIE Gen Ills 8Gb/s data rate in 2010, the electrical performance of high speed connector has become a key element in the whole computer system design. This paper focuses on how to control the conversion from difTercntial mode to common mode, while carries out simulation and demonstration based on some high speed connectors.Key words; high speed connector; difierential mode; common mode万方数据92电&牧*ELLC IRONIC rh( HNOLUGY电子元器件 Electronic Component & Device万方数据92电&牧*ELLC IRONIC rh( HNOLUGY电子元器件 Electronic Component & Device0引書随着计算机系统中数据传输速率的不断提高，从 1998年的PCIX 66Mb/s总线频率到2010年的PCIE第三代 8Gb/s总线频率，系统中必备的高速连接器的设计也成为 藍个系统设计的关键要素.所以如何控制高速连接器的差 模到共模的转换成为一大研究课题.主要原因是共模噪声 会直接导致EMI(电磁干扰)，而EMI辐射测试是FCC规范 的强制要求。如果系统没有通过EMI辐射测试，根本不能 到市场上销住。全文分三部分来讨论髙速连接器中差模到共模转换 的控制。1什么是差模到共模的转换般來说.当数据传输速率岛于lGb/s时，通常会采 用差分信号进行传输，而不足单端信号。所谓差分信号就 退.正负两根信号线传输的数据，幅度相同，相位相反， 如图1所示。fB吗!万円图I逐分(&E的忆酸在接收端，差分放大器可以检测差分信号线之间的 电压差儿即： X(1)同时可能差分对上还有共模分呈的存在，即： 卩冷(匕+匕)所以任何一个信号都可以由建模信号和共模信号组成，W：而通常发送端输出的差分信号的J为0,也就是 信号以直流偏置为零的电平上下变化。在实际系统中理想的羌分信号是不存在的，即差模 信号可能会转化成共模信号，可能的原因是：(1)信号从发送端发出时.差分对中的正信号与负信 号就有一定的相位差异如图2所示.所以在接收端，原本 应该是为零的J表现为带有时间为础一个阶跃信号.图2发逵划越分信号的机位不向的老响(2)信号在系统中传输，遇到阻抗不连续面或者是相 邻信号或者电源噪声的干扰，正负信号的幅度和相位的 变化有芜异：如图3所示，在发送端即使是理想的差分倍 号，在传输的过程中受到外部干扰，在接收端，也 不为零.图3整分信号的在传输过程中受外部干扰的总响本文研究的主要对彖是第二种情况，由原来理想的 差模信号转换为一定的共模信号或者是共模噪声，我们 称作差模到共模信号的转换。以上叙述了差模到共模的转换的原因，在计算机系 统中关注这项参数，一大原因是为了防止EMI对外的辐 射。对于每一种卜.市的新的计算机系统，都要通过美标 或者是欧标的电磁辐射测试，否则将不能上市销售。而 电磁辎射主要是电场大小决定，参考下面的公式给出了 从一个电流冋路中计算出电场的方法.d 讐（厶厶”血0（5）4n r jr而当频率和方向性定下以后，以上公式可以简化为E严 kIS（6）其中M是常数，当给定频率和方向性/是电流的大小；S 是电流的回路的大小。所以说当电流大小确定.只要控制好电流的回路大 小就能最大限度地抑制电磁场对外的辐射 一般来说，在 计算机系统中.差分信号一般都会在电路板上通过带状线 或者微带线进行走线在这两种情况下.差模信号的回流 路径可能足其正负信号之间的虚拟地，地平面或者是电源 平面，要看是紧耦合还是松耦合；共模信号的回流路径只 会是地平面或者是电源平面，由于结构的稳定性，所以回 流路径能彼很好地拎制.而当信号要进入连接器时候，原 有的很好的回流路径的结构会被打破，差模信号可能还是 互相耦合，而共模信号的回流路径的结构会发生变化.往 往都会有共模阻抗不连续的情况产生，所以要特别注意 图4是在电路板上两对弟分线即将进入SFP连接器的电路 图，通过微带线的结构，这两对差分线可以有很好的冋流 路径，因为信号层的卜层是地平面；然而在连接器端.只 有黑色的地作为信号的回流路径，所以其回流路径的结构 完全改变了，电禺干扰对外的辐射也可能相应地增强。K4羌分倍号的连接25处径结构的受化所以说如果共模信号比较小（即差模到共模转换小）. 就减小了能量向外辐射的几率；再加上控制好回流路径， 电磁辐射的能St将大大降低。图5是一个差分信号经过一 个实际连接器后产生的共模噪声。红色的信号是共模噪声， 其峰峰值可以达到7imV.所以连接器是共模噪声的很大 的源头。圈5 对羞分找经过连接器后的井樓噪声2差模到共模转换的仿真与测试结果在实际工程中.我们通常会用S参数来衡量差模到共 模的转换。图6是同一种连接器的两种不同结构端口 I到 端口2的差模到共模转换的S参数图。这个曲线可以由以 下方法读懂：也就是对于一个两差分端口网络来说.即 单端皿端口（一个差分端口有两个单端端口组成），一个差 分端口送入一定疑的差模信号，在另外一个羌分端口会 有多少转换为共模信号图的横坐标是频率大小，图的 纵坐标为幅度大小，单位dBYdB = 201gy（7）其中X为输出信号（共模信号），丫为输入信号（差模信号）图6羞樓到共樓转換的S參数图举个例子，在图6中.红色曲线2GHz的位置对应的 是一55dB经过计算.可以得到在2GH?频点，如果有 1000mV的差模信号从一端口输入，在二端口将有 1.78mV的共模信号输岀.当比较这两种不同结构的同类连接器的共模到茅模S 参数曲线时，町以发现在整个频率段屮，有将近30dB的 差异在时域中这到底足多大的不同呢？下而我们在 HSpice中建立一个仿真模型.其中发送源用的是个4ns 宽的2V理想差分脉冲信号.同时经过这两个不同结构连 接器的S参数信道.在接收端所表现岀来的共模信号的不 同如图7所示，黑色共榄信号是经过一个差模到共模转 换比校人的连接器所产生的，它的峰峰值可以达到28mV；图7通过不同结构连樓耳的共模信号的比较由此可见，连接器的设计好坏.对于差模到共模信 号转怏非常虫要，这也直接会形响EMI性能的好坏.3高速连接器中如何控制差模到共模的转换在第1节中.我们说到差模到共模的转换町能是由于 遇到阻抗不连续面或者是相邻信号或者电源噪声的干扰. 正负信号的編度和相位的变化有羌异引起的共模噪声. 万方数据92电&枚术ELECTRONIC ItCHNOLOCT电子元器件 Electronic Component & Device在高速连接器的设计中.主要就是为了解决第二种情况所 引起的共模噪声，以此来降低电磁辐射的可能性。3.1在连接器中控制正负信号的传输时延差在连接器的设计中，由于正负信号通常由于所处位 置不同.有些是走外圈，有些是走里圈，如图8所示.会在图8柚叙L桜践屮止负佑号走找示意图传输时延上有所不同，也就是同-信号在连接器一端发出， 而在不同时间到达另一端。这样就会造成很大的差模到共 模的转换，其实在之前一节中图6就是一个连接器正负信 号不同时延下的羌模与共模转换的S参数比较，蓝色的曲 线是有50mil的不同.而红色的曲线只有5mi啲不同。但是由于物理上的限制.外圈的信号肯定耍比内圈 的信号走的路径要长.因为半径要大.而且因为面积的局 限.我们也不能用电路板上通常使用的蛇形线的方法进行 连接器的布线。这里通过时延的公式，发现可以通过改变 斫来改变时延。TD=C其中X是信号所走的路径长度：科是介电常数：C是光速。拿图8中的连接器來说，在相同的&情况下，外圈的 时延要比内圈的大，所以将外圈正信号的巧减小，就能够 减小其时延。所以外圏的正信号有一半是跟在空气下的， 而内圈的负信号基本匕完全都在介质包围下。由于真空的 5是域小的，所以在3D仿真工具的帮助下，很容易 得到合适的暴需在空气下的面积.3.2在连接器中控制串扰串扰是导致共模噪土增加的一大因素，这是由于正 负信号受串扰影响的幅度.相位有差异，然后到达接收端 就会有共模的噪声出现。发现地平面要比信号线宽.信号与地是交错开的.所以 串扰只会发生于斜对面的信号之间，从距离来说这样的 串扰是最远的。而且在列于列之间还加上了一些导电介 质同地相连，这样就能将串扰的部分能址通入地平面 表1是种连接器实验得到的串扰加权值的比较.可以 发现C的结构是抗串扰的最优设计。表1三I连接嚣远瑞串扰加权值的比较（实验测试数弟.利用矢分析仪加权后的结果）10Hz2dHzWlkKJHrA i&m 仇 tanif b)-21*1918tn.tara(-55-5)-49-4*-454总结对于计算机系统来说，由于有电磁辐射这个必须通 过的测试，共模噪声一定要特别的注意，其中系统中的 连接器往往是差模到共模转换的热点，所以要做一定的 仿真分析来确定差模到共模的转换值。参考文献：1 Eric Bogatin.fS号完整性分析M北京电子工业出 版社.2006.2 Archambeault B R.PCB Design for Real-World EMI ControlM.Kluwer Academic Publishers, 2002作者简介：王命昌.易安信信息技术研发（上海）有限公司/上海交通大学，信号完整性工稈师/工程硕士电话：十8621 56716486； +86 13918991161 电子邮箱：mingchangwang 联系地址：上海市红口区长春路150号302室（200081）万方数据电&枚术ELECTRONIC ItCHNOLOCT电子元器件 Electronic Component & Device(A)(B)(C)万方数据电&枚术ELECTRONIC ItCHNOLOCT电子元器件 Electronic Component & Device图9近三代高速连接器的正负信号及地信号的布局图9给出了最近三代高速连接器的借号布局.红色是 正负信号线，灰色是地信号线A是2.5Gb/s的连接器，B 是5Gb/s的连接器，C是10Gb/s的连接器。由于A的信号和地是用的同一间距，只是根据使用的 情况不同，客户自由分配信号和地。由于地的分配问题， 此时信号会受到相邻任意方向的串扰形响。以图9中的A 为例，中间的垦分信号，会受到左上、右上、右边.左下 和下边的差分信号的串扰。如果要减小串扰，要将一对差 分信号周围的倍号都做成地信号.大大地降低了连接器的 利用率，即通过信号对的数量大大减小。在B的连接器中.使用了整一行作为地平面.行与行 之间的串扰星本上可以被消除，然而，列于列之间相邻的 信号还是有很大的串扰，对于连接器利用率来说，也要牺 牲一整行作为地平面。在最新的C连接器中，使用了宽边耦合的技术，可以万方数据电&枚术ELECTRONIC ItCHNOLOCT电子元器件 Electronic Component & Device万方数据电&枚术ELECTRONIC ItCHNOLOCT电子元器件 Electronic Component & Device万方数据高速连接器差模到共模转换的控制E J?SS文杠轅作者:作者单位:刊名：英文刊名:年卷（期）:王命儿 Wang Mingchang 上海交通两电子技术ELECTRONIC TECHNOLOGY2010.37(10)渗考文猷（2条）1. Eric Boltin信匕完蜷性分析20062. Archambeault B R PCB Design for Real-World EMI Control 2002本文链接：http: d. g. wanfangdata. com. cn/Periodical_dzjs201010033. aspx