當(dāng)今電子產(chǎn)品的操作環(huán)境中,，電磁干擾(EMI)及射頻干擾(RFI)源頭不計其數(shù)，很大的原因就是RF技術(shù)的使用愈來愈多,。這些類型的干擾導(dǎo)致采用差分接口的應(yīng)用需要共模濾波,。雖然業(yè)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(jīng)耦合至電子產(chǎn)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" title="USB">USB) 2.0是最普及的差分?jǐn)?shù)據(jù)接口之一,，因此本文旨在論證在高速USB 2.0應(yīng)用中采用共模濾波器" title="濾波器">濾波器來抑制RMI/RFI噪聲的必要性及優(yōu)勢,，并將探討如何保護(hù)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(guān)電源（如DC-DC" title="DC-DC">DC-DC轉(zhuǎn)換器）以及無線設(shè)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(shè)備,，但隨著技術(shù)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(huán)境干擾,，不僅互相損害,，而且還會損及其它設(shè)備的操作。本文重點探討應(yīng)用于移動電話等便攜設(shè)備的USB 2.0,，以及EMI/RFI干擾如無恰當(dāng)?shù)臑V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(shù)據(jù)以高達(dá)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(shù)據(jù)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(biāo)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?fù)浣Y(jié)構(gòu),，去恰當(dāng)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(yīng)用中,，單端濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不足夠，設(shè)計人員必須使用諸如共模扼流圈的差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。這類濾波器允許所需的差分?jǐn)?shù)據(jù)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(dá)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(chǎn)生的最大基礎(chǔ)頻率來自以交替方式傳輸“1”和“0”（即1-0-1-0-1-0…），產(chǎn)生240 MHz頻率,。由于信號本身為方波形式,，可藉傅立葉級數(shù)逼近方法(Fourier series approximatiON)，粗略地將基礎(chǔ)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(yīng)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(yīng)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(zhì)量。眼圖顯示信號在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變,，表明接收器能夠接收（interpret）正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的表現(xiàn)有多好,。高速數(shù)據(jù)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
USB 2.0接收器可以輕易接收圖1所示的信號,，如圖所示，信號完全在眼圖遮罩范圍之內(nèi)?，F(xiàn)在讓我們設(shè)想引入了共模噪聲信號的情況,。例如，引入的是頻率為900 MHz及峰值幅度為75 mV的少量共模噪聲,。選擇此頻率是為了仿真由典型移動電話操作導(dǎo)致的噪聲,。如圖2所示引入共模噪聲時，眼圖質(zhì)量大幅下降,。
圖2 帶共模噪聲的高速USB 2.0眼圖
在圖2中,，噪聲超出了遮罩的整個上部界限，信號轉(zhuǎn)換質(zhì)量下降,，并更接近超出的遮罩范圍,。在這種情況下，接收器將不可能接收正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù),，因為信號上的噪聲太多,，導(dǎo)致接收器無法在這些情況下有效地區(qū)分不同狀態(tài)。這還是只有少量噪聲,，振幅僅為USB 2.0信號幅度5%的情況,。
USB 2.0：保護(hù)接口
濾除EMI/RFI噪聲不僅重要，保護(hù)敏感內(nèi)部電路令其免受可能有害甚至是毀滅性損害的ESD事件的影響也很重要,。在這些情況下,，有必要采用帶集成低電容ESD保護(hù)功能的共模濾波器，如安森美半導(dǎo)體的NUC2401,。此濾波器提供高速USB 2.0信號必要的帶寬,、恰當(dāng)?shù)墓材Ｋp及敏感的內(nèi)部電路ESD保護(hù)。集成ESD保護(hù)的電容極低(<1 pF),，令器件不會顯現(xiàn)給高速USB信號,。查看圖3所示的眼圖,，即使引入了大量的共模噪聲，也沒有超出眼圖遮罩界線,，保持了信號的完整性,。此圖顯示的是NUC2401輸出端高速USB 2.0信號的眼圖，所帶的共模噪聲信號頻率為900 MHz,，峰值幅度為400 mV,。
圖3 濾除了共模噪聲的高速USB 2.0信號
圖3所示的最終眼圖沒有超出遮罩的上部界限、下部界限及中間區(qū)域,。這還是在引入的噪聲幅度超過圖2中噪聲振幅超出5倍的情況下實現(xiàn)的,。即使噪聲達(dá)到這么高的等級，接收器也可以識別濾波器輸出端的最終眼圖,，并且維持了極佳的信號完整性,。
在大量干擾源頭導(dǎo)致的眾多干擾環(huán)境中，濾波極為重要,。差分接口應(yīng)當(dāng)可以幫助將某些共模噪聲影響減至最輕,，但如本文所示仍會有信號完整性的問題。此外,，在諸如USB端口這樣的設(shè)備進(jìn)入點(entry point),，如果沒有恰當(dāng)?shù)貫V波，噪聲會擾亂其它內(nèi)部電路,。在進(jìn)入點消除這些噪聲并對付任何ESD事件的最佳方案是使用帶集成ESD保護(hù)的共模濾波器,。采用像NUC2401這樣的共模濾波器，可使USB 2.0接口在消除EMI/RFI噪聲方面更加強固,，同時還提供ESD保護(hù),。須知道高速USB 2.0信號即使引入少量的EMI/RFI噪聲，也會影響信號,，導(dǎo)致USB接收器無法識別,。