如何控制線材的差分轉共模參數詳解

隨著USB4為代表的主流消費類Cable將帶寬拉到40Gbps, 如今想要做好一條合格性能的Cable就越來越難，各種高頻參數的設計和製造過程的控制都變得尤為重要，今天我們將目前反饋最多且最不容易通過的測序項目之一差分共模轉換 (Differential to Common mode Conversion)和大家一起討論下，由於之前很多線材的測試參數中，並未出現過此參數，以致許多線材相關工程人員對此參數有相當的疑惑，當然我們曾經科普過，什麼是單端信號？什麼是差分信號？，高頻傳輸線訊號分析基礎（完整篇），今天的重點：如何控制差分轉共模參數。特別感謝東莞佳燁科技（Ghiatek Technologies）提供的技術素材資料

如上圖是東莞佳燁科技（Ghiatek Technologies）使用四埠(4 PORT)網絡分析儀(NA)來量測差分共模轉換的示意圖

什麼是差分信號？

差分傳輸是一種信號傳輸的技術，區別於傳統的一根信號線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號，這兩個信號的振幅相同，相位相反。在這兩根線上的傳輸的信號就是差分信號。
信號接收端比較這兩個電壓的差值來判斷發送端發送的邏輯狀態，在電路板上，差分走線必須是等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線，這兩根線上傳輸的信號就是差分信號(差模信號)。優點是抗幹擾能力強，缺點是電路比單端傳輸的複雜，一般在高速信號中， 其電壓幅度比較低， 像MIPI DSI規範低速振幅=1200mv， 而高速振幅=200mv， 所以採用上面的單端走線的話抗幹擾能力實在太差了， 因此高速（低振幅）大部分是使用差分信號。如下圖

差分放大電路有差模和共模兩種基本輸入信號，那麼什麼是共模信號呢？當兩輸入端所接信號大小相等，極性相反時，稱為差模輸入信號；當兩輸入端所接信號大小相等、極性相同時，稱為共模信號。實際應用中，溫度的變化各種環境噪聲的影響時共模噪聲，也稱為對地噪聲，指的是兩根線分別對地的噪聲。
差分放大電路時直接耦合放大電路的基本組成單元，對於共模信號起到很強的抑制作用，未對差模信號起到放大租用，並且電路的放大能力與輸出方式有關。為了提高信號在高速率、長距離情況下傳輸的可靠性，大部分高速的數字串行總線都會採用差分信號進行信號傳輸。差分信號是用一對反相的差分線進行信號傳輸，發送端採用差分的發送器，接收端相應採用差分的接收器。下圖是個差分線的傳輸模型及真實的差分PCB走線。

採用差分傳輸方式後，由於差分線對裡正負信號的走線是緊密耦合在一起的，所以外界噪聲對於兩根信號線的影響是一樣的。而在接收端，由於其接收器是把正負信號相減的結果做為邏輯判決的依據，因此即使信號線上有嚴重的共模噪聲或者地電平的波動，對於最後的邏輯電平判決影響很小。相對於單端傳輸方式，差分傳輸方式的抗幹擾、抗共模噪聲能力大大提高。下圖是一個差分傳輸對共模噪聲抑制的一個例子。

採用差分方式進行信號傳輸會使得收發端的電路變得複雜，系統的功耗也隨之上升，但是由於其優異的抗幹擾能力以及可靠的傳輸特性，使得差分傳輸方式在需要進行高速數位訊號的傳輸或者惡劣工作環境的領域得到了廣泛的應用，如LVDS、PCI-E、SATA、USB、HDMI、1394、CAN、Flexray等總線都是採用差分的信號傳輸方式。最理想的差分傳輸，是由發送端將欲傳送的電壓訊號，以差分的型式(正、負訊號，兩者振幅相同、相位相反)送出，而接收端將正、負訊號相差(減)即可還原發送端欲傳送的訊號。

 

差分傳輸的好處是正負訊號傳輸時，由於正、負訊號(相位相反、振幅相同)產生的電磁場可以抵消的作用，從而可以減少輻射而抑制(或說是減少)了串音及 EMI，同時由於接收端以正、負訊號相差的方式來取得最終的訊號值，使得共模幹擾訊號在接收後因相減而抵消，故差分傳輸有抑制(或說是減少)共模幹擾的特性。

 

下圖表示了當利用差分訊號對傳送訊號時，會將所需訊號振幅的一半由正訊號線傳送，而將另一半反轉後由負訊號線傳送，在接收端只要做差分的接收(即正訊號-負訊號)即可得到發送端所欲傳輸的訊號了。亦即在接收端做正負訊號的差即為合成的差分訊號，而做正負訊號的合除 2 即為合成的共模訊號

其中 Pin_diff：輸入的差分訊號／Pout_diff：輸出的差分訊號／Pout_comm：輸出的共模訊號

差分共模轉換代表差分訊號傳送到目的端時產生出的共模訊號與原始輸入的差分訊號的比值，其公式為：

 

DTCC = 10* log ( Pout_comm / Pin_diff )

 

而衰減代表差分訊號傳送到目的端時，所剩餘的差分訊號與原始輸入的差分訊號的比值，其公式為：

 

Attenuation = 10* log ( Pout_diff / Pin_diff )

 

理想的狀況下，衰減應是 0 dB (100% 功率傳輸)，而差分共模轉換應是 -∞ dB ( 0% 功率轉換)，但實際上在線材中傳輸時，由於訊號相位或振幅不能維持理想的差分狀態，從而使得最終輸出的訊號產生了共模的成分，而這些共模的成份則不具有原始差分訊號所具有的抑制輻射的優點，故而對傳輸的訊號

下面我們可以從圖形上看到差分傳輸時，若相位或振幅不一致所導致的共模訊號輸出的情況 

理想狀態下，當做差分傳輸時，正訊號與負訊號相位相反、振幅大小相同，故 

差分合成訊號=正訊號-負訊號 = 2 *  正訊號 

共模合成訊號=(正訊號+負訊號) / 2 = 0 

如上圖是東莞佳燁科技（Ghiatek Technologies）提供的數據說明和支持

從上面的圖示及說明，我們可以很容易的看出----正負訊號的對稱性決定了差分共模轉換的特性。 

由於差分傳輸時，正負訊號的大小相同、相位相反，使得正負訊號產生的電磁場抵消，使其具有最 

少的電磁輻射，但若有差分共模轉換時，則產生的共模訊號，將對外產生輻射效應且無對應的電磁場抵 

消。   

故而差分共模轉換的測試的目的，即是測試差分線材抑制輻射的能力(理想差分訊號對具有的特性)， 

若差分共模轉換較大，表示該線對的共模訊號輻射越大，可能會使線對間的串音較大並造成線材整體的 

EMI 較差，而線材規範定義此測試的目的在於 EMI 的考量。 

此處串音和 EMI 的不同在於，串音是線材內不同訊號對之間的輻射幹擾，而 EMI 則是線材整體對 

線材外空間的輻射幹擾，故差分共模轉換會對這兩者皆有影響。

差模信號通過一對信號線來傳輸。一個信號線上傳輸我們通常所理解的信號；另一個信號線上則傳輸一個等值而方向相反(至少在理論上是這樣)的信號。差分和單端模式最初出現時差異不大，因為所有的信號都存在迴路。單端模式的信號通常經由一個零電壓的電路(或者稱為地)來返回。差分信號中的每一個信號都要通過地電路來返回。由於每一個信號對實際上是等值而反向的，所以返回電路就簡單地互相抵消了，因此在零電壓或者是地電路上就不會出現差分信號返回的成分， 共模方式是指信號出現在一個(差分)信號線對的兩個信號線上，或者是同時出現在單端信號線和地上。對這個概念的理解並不直觀，因為很難想像如何產生這樣的信號。這主要是因為通常我們並不生成共模信號的緣故。共模信號絕大多數都是根據假想情況在電路中產生或者由鄰近的或外界的信號源耦合進來的噪聲信號。共模信號幾乎總是「有害的」，許多設計規則就是專為預防共模信號出現而設計的。

差模信號與共模信號的轉化

傳輸線中不僅存在傳播信息的差模信號，還有不傳播信息的共模信號，理想情況是不存在相互轉化的，但是理想很豐滿，現實很骨感。

差模信號與共模信號的轉化是由於差分傳輸線不對稱造成的，造成不對稱的原因很多，差分傳輸線的長度差像拐角、差分傳輸線由於刻蝕差異造成傳輸線特性阻抗不同、兩個傳輸線的差異性耦合、臨近效應、終端差異，彎曲等等都可能是造成差模信號與共模信號的轉化。

這種轉化我們可以理解為兩條傳輸線的延遲是不同的，當信號在傳輸線上傳播由於到達終端的延遲是不同的，一個早一些到達，這樣就會產生相位差，將部分差模信號轉化成共模信號。轉化的為共模信號的多少由信號頻率、傳輸線的長度、兩條傳輸線上的信號時延差所決定的。

是有些複雜了，不過大家理解到這些在項目上應該是夠用了的。

下圖是使用四埠(4 PORT)網絡分析儀(NA)來量測差分共模轉換的示意圖

根據定義，差分共模轉換代表差分訊號傳送到目的端時產生出的共模訊號與原始輸入的差分訊號的比值，其公式為：DTCC = 10* log ( Pout_comm / Pin_diff )

 

可知理論上是要輸出差分訊號到線材內，並在接收端量測共模訊號的量(將正負訊號相加除 2)，這是一種傳輸特性的量測，可由 NA 直接量得，並且以 dB 的型式表示，它是屬於頻域的量測特性，亦即量測在不同頻率下響應。但實際上要用網路分析儀直接打出差分訊號是相當困難的，故而現今的做法，其實是以計算各別單端特性的方式來求得差分及共模的效果的，但這不影響我們測試的結果，本文對此部分暫不做說明，但需說明的是使用 4 PORT NA 量測差分共模轉換時是以 Scd21 的 S 參數來量測的，因為是以輸入差分訊號再量測共模輸出後，計算兩者的比值並以 dB 來表示的。下面說明了在 4 port NA 上的 S 參數表示法

4 portNA S參數表示法 : Sxyab => x=接收端模式；y=發射端模式

(需指定接收、發射埠的組合及模式—S=Single-end/ c= common mode / d=differnetial )

前面我們說明差分共模轉換的意義及量測，相信讀者們應該有一定的了解了，接下來我們來看看一些客戶常問的問題，並從中說明差分共模轉換在線材測試的特性以便於分析實際測試上會遇到的一些現象。

 

問題：

 

1、差分共模轉換越好(越小)，就說明線材對外界的輻射越小，故 EMI 會越小？

 

2、增加編織可以降低 EMI，故對差分共模轉換越有利？

 

3、線材的對內延遲差(Intra Pair Skew)越小，就說明差分共模轉換會越好？

 

4、組裝線差分共模轉換不好是裸線本身不好造成的？

 

5、組裝線差分共模轉換不好是加工不好造成的？

 

6、線材長度對差分共模轉換的特性是否相關？

首先即使線材的差分共模轉換即使Pass，也不能代表測試 EMI 可以完全的PASS，因為 EMI 測試是測試線材整體對外部的電磁幹擾，而 EMI 的成因是輻射，線材結構中對 EMI 防制的方法，則是屏蔽。差分共模轉換好只是減少了部分輻射的來源，故而其值良好不代表 EMI 就能 PASS，特別要說明的是，雖然理想的差分傳輸可以抵消電磁輻射，但實際上因結構關係，並無法達到理想的狀況，所以差分傳輸本身還是有一定的輻射，只不過比單端的傳輸要來得好很多。

 

所以線材 EMI 的降低或減少，很大的部分是要靠線材總體的屏蔽來達到，也就是集合後的鋁鉑和編織是影響 EMI 最大的部分，另外在接頭本身及加工區域的屏蔽包覆也是至關重要的，但差分共模轉換的特性和總屏蔽及編織本身是沒有關係的。

經過多次量測和分析，差分共模轉換的特性不良80%是芯線問題所引起的，芯線穩定性材質重點

 

再者差分共模轉換的特性與線材的的對內延遲差特性的相關性是如何的呢？

 

我們可以查看前面說明意義時，用來顯示由相位或振幅的不一致所導致的共模訊號輸出的圖形，即可推知此一關聯性，由於 Intra Pair Skew 是一對應於躍階訊號的時域參數，而差分共模轉換則是對應於不同頻率正弦波訊號的頻域參數，所以兩者存在相對但非絕對的關係

其中躍階訊號可以視為許多不同頻率正弦波的組合效果，而差分共模轉換是相位與振幅的一致性表現，所以當差分共模轉換良好時，對內延遲差會好，反之則不一定，所以可以說對內延遲差良好是差分共模轉換要好的必要條件而非充分條件，下面有二個實際USB3.0系列的測線例子可以看到此現象。

例一：對內延遲差不好，基本上差分共模轉換也不好

例二：對內延遲差好，差分共模轉換仍然不良

至於組裝線的差分共模轉換的特性是由裸線本身的特性還是加工的特性來決定的呢？

 

答案是裸線決定了大部分，而加工或接頭有相當的影響。組裝線要能通過測試，裸線的差分共模轉換特性要好，是一必要的條件，然而由於 USB 3.0 的接頭結構中，將超高速對的地線接點放在兩對之間，形成在接頭處為 SSGSS 的結構，使得當訊號脫離原始的線材結構時，正負訊號無法維持對稱性，從而失去平衡而產生共模訊號。

 

故而加工段勢必會使差分共模轉換惡化，而其程度則與結構失衡量成正向關係。

 

最後我們來看看，線長是否對於差分共模轉換的特性有所影響呢？答案很簡單，這是肯定的。參考前面說明意義的部分，相信讀者很容易理解，當線越長時損耗會增加，所以此時的Pout_diff及Pout_comm都會變小，而DTCC = 10* log ( Pout_comm / Pin_diff ) 其中Pin_diff的輸入訊號是不隨線長改變的，故從定義的公式中已可推知線越長，差分共模轉換值越好。

上述的說明，希望能有助於讀者了解差分共模轉換這個參數，若有不明白，或有線材需測試或分析特性的，歡迎諮詢東莞佳燁科技（Ghiatek Technologies）業務或工程人員，其公司可以依據單位不同的需求提供相應的服務或測試的方案，聯絡電話 Taiwan: [phone], China: [phone] ，亦可上其司網站（www.ghiatek.com.tw）查詢或留言。

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