噪声是一种不必要的干扰，会干扰电子电路中所需的信号，从而将错误引入系统。我们采取的抑制噪声成分的对策取决于它是共模还是差模。在本文中，我们将了解共模噪声如何干扰差分信号。然后，我们将讨论差分互连中的共模噪声源，重点关注时序偏差。
在讨论噪声之前，我们先回顾一下差分传输的工作原理。
差速传动：概念
在差分配置中，一对线路传输幅度相等但极性相反的信号，如图 1 所示。差分对表示的信号电平是两条信号线的电压之差。
通过差分链路传播的波形。
图 1.通过差分链路传播的波形。图片由 Steve Arar 提供
高速数据传输接口（仅举几个例子，USB、HDMI、以太网和 DDR）通常使用差分信号。与单端传输相比，这种数据传输方法具有多种优点，特别是在高频下。
抗噪性
差分配置的主要优点是对外部噪声具有更高的抗扰度。如果外部噪声同等地耦合到两条线路，则它表现为共模信号，不会改变两条线路之间的电压差。因此，共模噪声在接收器处被固有地消除。
然而，现实世界的差分线仍然会受到共模噪声的影响。造成这种情况的原因有两个，个是外部噪声不一定平等地耦合到两条线路。
考虑与差分路径并行布线的单端 PCB 走线。单端走线向较近的信号线引入较大的噪声。在这种情况下，由于不等耦合，部分噪声会转换为差模。此时，不再能够通过获取两条信号线的电压差来消除噪声。
我们还从基础电子课程中了解到，我们的电路检测差分信号同时抑制共模信号的能力有限。该性能维度由电路的共模抑制比 ( CMRR ) 规格来表征。因此，虽然接收器可以抑制共模分量，但并不能完全消除它。
尽管存在这些问题，差分信号仍然是减少共模噪声对系统性能影响的非常有效的方法。此外，差分传输的优点不仅仅限于抗噪性。
其他优点：辐射和地面弹跳较少
差分链路使用两条匹配的线路来承载等幅度但相反极性的信号。事实上，两条信号线发射相等但相反的磁场，这些磁场会产生破坏性干扰，产生比单端信号低得多的杂散辐射（图 2）。
差分链路中两条匹配线的磁场会发生破坏性干扰。
图 2.两条匹配线的磁场会发生破坏性干扰。图片由Altium提供
差分配置也不易受到地弹的影响。要理解这一点，请注意两条信号线充当彼此的返回电流路径。因此，与单端配置不同，理想的差分链路没有通过电路板接地层的返回电流。图 3 说明了其中的差异。
单端（顶部）和差分（底部）传输中的电流。
图 3.使用差分链路时，没有电流流过接地层。图片由意法半导体提供
理想情况下，我们打算沿互连传输纯差分信号。实际上，该信号会被共模噪声破坏。在我们研究这种噪声的来源之前，让我们先看一下共模信号可能采取的潜在路径。
差分互连中的共模传播
两根导线连接不能传输共模信号。此类互连只能支持差模信号。然而，由于我们的 PCB 还包括接地连接，因此我们的互连实际上是多导体而不是两导体。
接地层与两条差分信号线一起形成多导体互连，可以传输共模和差模信号。图 4 显示了此类设置的共模和差模信号的电场一般模式。
接地平面上方两导体互连中共模和差模信号的电场。
图 4.接地层上方两导体互连的横截面。图片由D. Jackson提供
我们可以看到，三导体结构可以同时支持差模和共模信号。对于共模信号，两条信号线实际上充当单线，返回电流通过接地层流回源。
图 5 显示了一个更一般的示例。此处，电路板靠近金属底盘放置。
带金属框架的电路板中的共模噪声。
图 5.具有金属框架的电路板中的共模噪声。图片由TDK提供
在这种情况下，流经信号线的共模噪声电流通过底盘流回源头。然后它通过流过信号线和底盘之间的杂散电容来完成环路。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。由于电容耦合随着频率的增加而增加，因此高频信号更有可能产生共模噪声。
时滞是共模噪声的一个来源
共模噪声的另一个来源是差分链路的两条线路之间的偏移。时滞是应对齐的两个波形的时序差异。如图 6 所示，它会导致波形失去对称性并产生共模分量。
两条信号线之间的时序偏差会产生共模噪声。
图 6.信号线 D+ 和 D- 之间的偏差会产生共模噪声。图片由 Steve Arar 提供
两条迹线之间的长度不匹配和/或D + 和D - 信号的上升和下降时间的差异会导致两个信号之间的偏差。此外，偏斜可由多种来源产生，包括：
热噪声。
地面弹跳。
相声。
PCB 施工。
尽管我们可以减少偏差，但我们无法完全消除它。例如，让我们考虑一下 PCB 基板的纤维编织结构的变化如何产生倾斜。
纤维编织效果
PCB 层压板和芯材由浸渍树脂的玻璃纤维布制成。这种编织结构可能会导致高速板的时序偏差。要了解原因，请考虑图 7 中的玻璃编织 PCB 材料。
高放大倍数下的玻璃编织 PCB 材料。
图 7.玻璃编织 PCB 材料的高倍放大图像。图片由Isola提供
图中的迹线 (1) 和 (2) 具有不同的有效介电常数，因此具有不同的信号速度。在缓慢的上升时间 (> 1 ns) 和低频 (< 1 GHz) 下，光纤编织效应可能可以忽略不计。然而，光纤编织方式会显着影响需要相位匹配的快速互连和高频射频系统的系统性能。
