芯耀
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噪声是一种不期望出现的干扰，它会在电子电路中对期望信号造成干扰，从而给系统引入误差。我们为抑制噪声分量所采取的应对措施，取决于噪声是共模噪声还是差模噪声。在本文中，我们将了解共模噪声是如何对差分信号产生干扰的。然后，我们将讨论差分互连中共模噪声的来源，重点关注时序偏移问题。
在讨论噪声之前，让我们先来回顾一下差分传输的工作原理。
一、差分传输：核心概念
在差分配置中，如我们在图1中所见，一对线路传输幅度相等但极性相反的信号。由差分对所表示的信号电平是两条信号线路的电压之差。
图1. 通过差分链路传播的波形。
高速数据传输接口，比如通用串行总线（USB）、高清多媒体接口（HDMI）、以太网（Ethernet）和双倍数据速率（DDR）等，通常都采用差分信号传输。与单端传输相比，这种数据传输方式具有多项优势，尤其是在高频情况下。
二、抗噪声能力
差分配置的主要优势在于其对外部噪声具有更高的抗干扰能力。如果外部噪声同等地耦合到两条线路上，它会表现为共模信号，而这种共模信号不会改变两条线路之间的电压差。因此，共模噪声在接收端本质上就被消除了。
然而，实际中的差分线路仍然可能受到共模噪声的影响。这有两个原因，第一个原因是外部噪声不一定会同等地耦合到两条线路上。
设想有一条单端印刷电路板（PCB）走线与一条差分路径并行排布。这条单端走线会给距离它更近的那条信号线路引入更大的噪声。在这种情况下，由于耦合不均等，部分噪声会被转换为差模噪声。到那时，就无法通过取两条信号线路的电压差来消除这种噪声了。
我们从基础电子课程中也了解到，我们的电路在检测差分信号的同时抑制共模信号的能力是有限的。这一性能指标由电路的共模抑制比（CMRR）规格来表征。因此，尽管接收端能够抑制共模分量，但却无法将其完全消除。
尽管存在这些问题，差分信号传输仍然是一种非常有效的方法，能够降低共模噪声对系统性能的影响。此外，差分传输的优势还不止于抗噪声能力。
三、其他优势：更少的辐射和地弹效应
差分链路使用两条匹配的线路，传输幅度相等但极性相反的信号。实际上，这两条信号线路会发出大小相等但方向相反的磁场，这些磁场会相互抵消，从而产生比单端信号低得多的杂散辐射（见图2）。
图2. 两条匹配线路的磁场相互抵消。
差分配置对“地弹”现象也不那么敏感。要理解这一点，需注意两条信号线彼此互为回流电流路径。因此，与单端配置不同，理想情况下的差分链路没有回流电流通过电路板的接地层。图3展示了其中的差异。
图3. 使用差分链路时，没有电流流过接地层。
理想情况下，我们希望沿着互连线路传输纯差分信号。但在实际中，这种信号会受到共模噪声的干扰。在研究这种噪声的来源之前，让我们先看看共模信号可能的传播路径。
四、差分互连中的共模信号传播
一个双导体连接无法传输共模信号。这样的互连只能支持差模信号。然而，由于PCB还包括接地连接，实际上的互连是多导体的，而不是双导体的。
接地层与两条差分信号线一起构成了一个多导体互连结构，它既能传输共模信号，也能传输差模信号。图4展示了在这样的设置下，共模信号和差模信号的一般电场分布模式。
图4. 接地层上方双导体互连的横截面图。
我们可以看到，三导体结构既能支持差模信号，也能支持共模信号。对于共模信号而言，两条信号线实际上相当于一根单导线，回流电流通过接地层流回信号源。
图5展示了一个更具普遍性的例子。在此例中，一块电路板被放置在靠近金属壳体的位置。
图5. 带有金属壳体的电路板中的共模噪声。
在这种情况下，流过信号线的共模噪声电流通过壳体流回信号源。然后，它通过信号线与壳体之间的杂散电容完成回路。共模噪声是通过附近信号线之间的杂散电容和磁耦合引入的。由于电容耦合随频率增加而增强，所以较高频率的信号更有可能产生共模噪声。
五、作为共模噪声来源的时序偏移
共模噪声的另一个来源是差分链路中两条线路之间的时序偏移。时序偏移是指两个本应同步的波形在时间上的差异。如图6所示，它会导致波形失去对称性，并产生一个共模分量。
图6. 信号线D+和D-之间的时序偏移产生了共模噪声。
两条走线之间的长度不匹配和（或）D+与D-信号上升沿和下降沿时间的差异会导致这两个信号之间出现时序偏移。此外，时序偏移还可能由多种因素产生，其中包括：
1. 热噪声。
2. 地弹效应。
3. 串扰。
4. PCB的构造。
尽管我们可以减少时序偏移，但却无法将其完全消除。例如，让我们来看看PCB基板的纤维编织结构的变化是如何产生时序偏移的。
六、纤维编织效应
PCB的层压板和核心部分是由浸渍了树脂的玻璃纤维编织物制成的。这种编织结构可能会在高速电路板中导致时序偏移。为了理解其中的原因，我们来看一下图7中的玻璃纤维编织印刷电路板材料。
图7. 玻璃纤维编织PCB材料的高倍放大图像。
图中的走线（1）和（2）会经历不同的有效介电常数，因此信号传播速度也不同。在较慢的上升时间（大于1ns）和较低的频率（小于1GHz）情况下，纤维编织效应可能可以忽略不计。然而，在需要相位匹配的高速互连和高频射频系统中，纤维编织方式会显著影响系统性能。
七、共模滤波器
理想情况下，我们应尽量避免通过差分链路传输共模信号，因为共模分量会增加接收端的噪声、链路的辐射以及地弹效应。实际上，尽管我们已尽力避免，但共模噪声仍可能出现，无论是由于走线之间的不匹配，还是由外部噪声源耦合到差分线路上所导致的。
为了解决共模噪声问题，我们会使用共模滤波器。这些器件为共模电流提供高阻抗路径，同时让差模信号基本不受影响地通过。
图8.?共模滤波器的等效电路。
总结：
差分信号传输凭借其抗噪声、低辐射及地弹抑制优势，成为高速电路设计的核心架构，但其共模噪声问题仍不可忽视。实际系统中，共模噪声既可能源于外部耦合不均或CMRR性能限制，也可能因差分线时序偏移、纤维编织效应等内部失配产生，并通过多导体互连结构与机箱杂散耦合传播。尽管完全消除共模噪声难以实现，但通过共模滤波器抑制其传播路径、优化PCB设计以降低时序偏移及介电失配，可显著提升信号完整性。未来需进一步结合共模滤波器设计与信号路径优化技术，为高频应用提供更可靠的噪声抑制方案。
