使用共模需要避免常见错误

您是否注意到差分信号在高性能信号路径中越来越占主导地位?

差分信号(DifferenTIal Signal)在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计，什么另它这么倍受青睐呢?在PCB设计中又如何能保证其良好的性能呢?带着这两个问题，我们进行下一部分的讨论。何为差分信号?通俗地说，就是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。

a.抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

b. 能有效抑制EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，如图在A-A‘的电流是从右到左，那B-B‘的是从左到右，那么按右手螺旋定则，那他们的磁力线是互相抵消的。耦合的越紧密，互相抵消的磁力线就越多。泄放到外界的电磁能量越少。

c.时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS(low voltage differenTIal signaling)就是指这种小振幅差分信号技术。

差分信号提供了几个优点!我一直在考虑这样一个事实，即每个差分信号路径都有与之关联的寄生共模信号路径。

在差分信号路径中，大多数环境噪声作为共模噪声耦合。许多差分器件非常擅长抑制这种噪声。以下共模抑制比 (CMRR) 来自 LMH6881 可编程差分放大器 (PDA)。

CMRR 确定差分信号因共模噪声干扰而造成的“污染”。这个数字非常重要，然而，它并不是全部。

虽然保留差分信号很重要，但也值得您考虑共模噪声会发生什么。如果噪声通过另一个设备，则该设备现在需要拒绝它。

从这些事实中，我们可以确定几个关键点。

首先是在低频下，共模抑制和共模增益(衰减)都对你非常有利。

但是，更高频率会发生什么?CMRR 和共模衰减都开始下降。如果所讨论的系统在非常高的频率下(例如本地振荡器或混频器杂散)具有显着噪声，那么这种噪声会发生什么?

从 CMRR 和共模增益图可以看出，放大器将共模噪声排除在差分信号之外的能力以及放大器衰减共模噪声的能力在较高频率下都会显着降低。这意味着即使使用差分信号，隔离和包含噪声的系统设计也很重要。

差分信号传输线需要端接以获得最佳性能。这与单端传输线没有什么不同。为了减少反射和不良信号辐射，传输线的宽带终端非常重要。大多数系统设计人员都会小心地端接差分传输线，至少从差分角度来看是这样。然而，很多时候共模端接被忽略了。

未端接共模对差分信号路径有何影响?

有两个主要问题。

1. 当共模未端接时，信号路径更有可能从外部源接收不想要的共模噪声。

2. 对于浮动或未端接共模，有源器件(放大器、混频器、ADC)可能会遇到负载条件，从而导致性能下降。例如，许多差分放大器具有控制共模的有源电路。一些共模负载条件会降低这些电路的相位裕度。

滤波器通常用于衰减有源系统设备能力之外的噪声和杂散。然而，差分滤波器可能完全无法衰减共模噪声，除非它们专门设计用于衰减共模噪声。

既然我们已经意识到了与差分信号路径中存在的寄生共模相关的一些潜在问题，那么一个很好的问题是我们如何缓解这些问题?

我将介绍三大类器件：无源电路、高阻抗有源电路和低阻抗有源电路。

让我们从最简单的例子开始，无源电路。系统设计人员经常使用 LC 滤波器来消除噪声。正如通常实施的那样，差分滤波器将相对于地浮动。这对于差分响应来说很好，但是共模信号没有衰减，通过对滤波器拓扑结构进行简单的更改，我们得到了我们需要的。

与滤波器一样，一些有源差分器件没有任何共模信号的接地参考(或终端)。一个例子是LMH6521和其他带有连接到输出引脚的电感器的放大。LMH6521放大器是一款非常高速的数控可变增益放大器 (DVGA)。它具有全差分信号路径，共模电阻为 2.5k-Ohm，这不足以使其成为共模能量的主要衰减器。

我们可以通过在电路中添加一些电阻器来增加LMH6521的共模能量耗散，。通过差分信号的美感，两个 500 欧姆电阻器仅向差分电路增加了 1000 欧姆的负载，但它们提供 250 欧姆的共模端接。放大器输出负载从添加电阻器之前的 180 欧姆变为之后的 152 欧姆。负载条件的这种变化对放大器性能的影响很小，但共模端接得到了很大改善。同样的技术也可以用在放大器输入端。

并非所有差分器件都相对于共模具有高阻抗。一些放大器(例如LMH3401)具有共模控制电路，可通过低噪声、低阻抗电路设置放大器输出共模。LMH3401有一个共模电路，基本上是一个单位增益放大器。它在 CM 处获取电压并在放大器输出端对其进行缓冲，从而固定放大器输出引脚的共模。 对于共模，对于系统中的任何交流噪声，放大器输出实际上是对地短路。

LMH3401的共模输出阻抗，通过选择具有这些功能的放大器，我们可以获得内置共模抑制作为额外优势，并且我们无需对设计进行任何额外操作。

如我们所见，有多种方法可以帮助减轻差分信号路径上的共模噪声拾取。其中一些需要一些计划和一些额外的组件。一种更简单的方法是选择一个可以为我们工作的放大器。