系统性能作为共模指针的函数

简介

随着数据速率增加，在电气系统中，系统组件的共模 (common mode)性能越来越多地受到关注。许多文章已经分析了系统的各个部分和量化的共模性能。随着关注的增加，共模缺陷已被量化，而且信号完整性社群对于这些缺陷的了解增加了。本文的重点是通过将共模量化工作扩展到信道建模和系统性能中，了解共模指针对系统性能的影响。系统设计人员的最终目标是在给定的一组包括最大限度减低成本和复杂性的限制条件下优化系统性能，使用仿真和分析来研究系统性能并确定怎样的共模性能是足够好的。

人们普遍认为理想的差分通道具有理想的共模性能。当然，没有信道具备完美的共模性能。通用的简化模型已经应用于众多的论文中，显示共模机制可能会影响系统性能。这项研究将在现实通道中检测共模缺陷对系统性能的底线影响。

有些讨论是探讨何种共模性能是最理想的，对大多数共模指标有着较强的共识。信道的理想共模性能将会是零差模到共模转换(differential to commonmode conversion)、整个通道具有匹配的共模阻抗、零共模串扰和零接地通路电感。然而，理想的共模插入损耗和共模反射取决于系统的配置。有些系统，例如带有插入到盒子中的电缆组件的系统，其中的共模反射表现得像共模抑制，将所有的共模能量保留在封闭的盒子中并远离电缆。通常，假设能量耗散又没有辐射，而且假如共模信号是有害的，则共模插入损耗是良好的。因此，在大多数通道中，理想的共模损耗对比频率曲线为高损耗(较大的dB/频率斜率)和平滑的(线性、无摆动、无共振)。在罕见情况下，传送共模信号是重要的，那么低共模损耗就是好的。

在文献数据中，许多以前被视为近似理想并按此建模的设计结构，由于数据速率的增加，已经证实为并非理想的。不断增长的文献知识库已经针对各种不同的通道特性量化了非理想的共模性能指针。例如差模到共模转换、共模反射、共模阻抗、共模插入损耗、共模对共模串扰和接地通路电感等指标已被用于分析几何图形。线路板几何形状，例如过孔结构(viastructures) 已被广泛分析，而且量化了它们的共模影响。EMI问题并不在于信号完整性的讨论范围内，所以本文并不涉及。

本文使用分析和模拟，研究了取决于共模指针的系统性能。首先，使用发射器、线路板、配对的连接器、另一个线路板以及一个接收器来建立一条通道。该信道是在一系列共模配置，包括共模阻抗下进行模拟的。然后，分析一个具有近乎理想的共模性能的基线信道，并与其他配置进行比较。改变各个通道的不同部分来检查可变的性能影响。接着，严密检查发射器共模信号的影响，因为它可能是主要的共模信号发生器。当传输信号完全差分后，共模通道的影响可能会很小。共模阻抗对于通道的各个部分是不同的。另外，也分析模式转换和共模对共模串扰。使用测试板和连接器分析了一些测试案例，这些测试案例代表着不同的连接器配置。在连接器配置方面，共模阻抗、模式转换和共模对共模串扰是主要的差异。

我们检查了通道中潜在的共模问题。通常在一个数据运作速率达到每秒数千兆位的系统中，解决问题的方法不只一种。研究设计折中权衡来改进这些共模问题。例如，一个系统的B E R问题出现在接收器的共模电压中，可能是由发射器或线路板模式转换或连接器串扰等等引起的。这些问题可以通过更换发射器、更换线路板设计或更换连接器来解决。检查每个解决方案的折中权衡。详细研究连接器的折中权衡，包括差分性能和针对共模性能而进行优化的成本。针对每种改变带来的系统性能改进，对各种解决方案进行排名。模拟设置

A nsoft设计人员使用QuickEye进行系统模拟。来自眼图的指针可用于比较信道配置。使用P R B S11位模式来说明得出模拟结果，给出眼图的合理数据，同时保持短的模拟时间。所使用的眼图指针都是原始数据，直接来自眼图。如图3中所注，它们是眼图高度 (eye height)、眼图宽度(eye w idth)和峰峰值抖动。该通道包含发射器、线路板带状线、可选线路板特性，例如迹线凸起 (jog- out)，更多的带状线，而后是连接器和连接器装接、以及更多的线路板带状线、另一可选的线路板特性、带状线和最终的接收器。通道图如图1所示。

两个单端发射器设置为信号源。分别设置幅度、上升和下降时间以及斜度来实现差模和共模波形控制。可以设置参数来产生一个纯净的差分信号，或通过设置不对称的幅度、上升/下降时间和斜度，可以产生典型的共模波形。如本文先前所示，这些发射器设置相结合，可产生典型的共模电压信号。

该发射器组件(T X )设置为3 F F E分接头，由组件自动设置来补偿信道，使用接收器探头作为参考。接收器组件(R X )设置为3 DF E分接头，这也是自动计算的。

信道的中部是连接器组件，在连接器之前和之后是250mm的线路板迹线。为了产生用于比较的基线数据，某些信道可采用无连接器和一些不同的共模源来进行模拟。给出标称差分源，可在通道中采用7种模拟方法来产生共模能量：

所用的主要信道变量为延迟偏差(delay skew)、上升/下降时间、传输线路的共模阻抗和终端。线路板迹线长度保持不变，并且在整个通道中差分终端始终是匹配的。

连接器插入到信道中部的模型中，有4种连接器用于通道模拟。连接器A是一种表面安装的直角连接器，其插配到线路板的边缘卡(edgecard)中。连接器B是一种压接直角连接器，其插配到线路板的侧边卡。连接器C是一种压接直角连接器插配对，包括插头和插座。连接器D是一种表面安装夹层连接器插配对，包括插头和插座。连接器总结和更多细节如表3所示。

结果

通过通道的参考基线是清洁简单的。无偏差、无连接器，具有纯净的差分信号和总共500mm的松散耦合差分信号迹线。差分阻抗为100Ω而共模阻抗为32Ω。如同所有的通道模拟，发送器F F E分接头设置为3，而接收器DF E分接头设置为3。图3是来自参考基线通道的眼图快照。

图4所示为基线通道的频域汇总，显示了损耗和反射。基线信道仅有一个信号对，因而无串扰干扰源(aggressor)。

在基线信道中，因为信号是纯净差分的，所以完全没有共模能量。具有10ps偏差的通道可用作高共模示例。下面是具有这种高共模能量配置的共模眼图和波形。在接收器端的峰峰值电压大概为2×22mV=44mV，相比大约为2×350mV的峰峰值差分电压，其产生了大约6%的共模电压比。注意：共模信号的频率组成与差分信号相比有一点差异。

在基线通道中检测一些都没有连接器的配置，而可调节发射器变量来建立不同等级的共模能量。此外，可调节带状线配置来产生不同程度的共模阻抗，同时保持相同的差分阻抗(differential impedance)。这些通道都没有串扰干扰源。

下一组模拟继续采用单一通道，增加了共模终端失配或模式转换。源端保持100Ω差分、32Ω共模和100/ 32差分带状线阻抗。在发送器上有10ps延迟偏差，以便注入某些共模能量到通道中。在接收器上，终端为100Ω差分并且具有一系列共模终端，从1Ω到75Ω。此外，加入了线路板特性来建立某些模式转换(见图2)，可以加入3种线路板特性。一种是使用过孔的完全对称的信号层过渡，另一种是非对称信号层过渡，第三种是迹线凸出，通常用于偏差补偿。对于两种PC B模式

转换信道中的每一种，标绘出直通模式转换SDC21。(完全对称过孔结构具有可以忽略的模式转换)。注意，相比迹线凸出的长度偏差，过孔不对称要小很多。迹线凸出相当于大约5ps的延迟偏差。

单一信道、共模终端和模式变换配置的结果如图5所示。在发射器上凸出的5ps延迟加上10ps的延迟偏差，显示的结果和在单一点上的全部15ps延迟相类似。而且，在路径上加入一个过孔可使眼图有所闭合，但严重不对称接地过孔仅比完全对称的稍微差些。数据表明，在通道中使电气长度匹配较具有对称接地过孔更为重要。

完成了单通道结果的测量后，加入连接器和串扰。对于每个差分对，通道采用单独的带状线线路来设计，因而带状线串扰为零。在模型中，任何引入的串扰都位于连接器和线路板-连接器接口处。这简化了通道并隔离了连接器的影响。对于A、B、C和D四种连接器，每一种连接器都可采用最近的串扰干扰源和纯净的差分信号来模拟信道，然后采用10ps发射器偏差来引入共模能量。连接器A是表面安装直角配置；B是压接直角配置；C则是压接直角对接连接器；D是表面安装垂直夹层连接器，可在表3中找到更多细节信息。下面是连接器和串扰信道原理图快照。为了产生代表系统的串扰，所有的干扰源都改变了半位周期，将它们的边缘大致放置在受干扰眼图的中部。此外，所有的干扰源都被设为交替位模式，因而所有的干扰源数据模式都将会随机地不同于受干扰的数据模式。

采用零偏差和10ps偏差来运行模拟，是一种捕捉系统性能有没有共模能量的方法。运行有或没有干扰源的模拟，显示了无串扰对比有串扰的系统性能。然而，即使共模能量可以完全耗散，通过差分损耗、差分反射和差分串扰，偏差仍将影响连接器性能。

结果表明，由于10ps偏差而导致的降级在眼闭百分比上大约是相同的。在4种连接器中，每种都具有独特的共模性能，在信道性能如何随共模能量的增加而变化方面，没有本质上的不同。差分性能占据主导。

通过比较无干扰源的0ps偏差配置和多干扰源的0ps偏差配置来分离差分串扰。对于连接器A和B，在20Gb/ s上的差分串扰极小。对于连接器C和D，差分串扰也很小，大约为1mV眼闭。

可通过比较0ps偏差/无干扰源和10ps偏差/无干扰源来检查直通通路对于偏差的敏感性。

相比0ps偏差无干扰源对比多干扰源的情形，可通过比较10ps偏差/无干扰源和10ps偏差/多干扰源来检测总体串扰和共模能量敏感性。使用系统设计折中来优化眼开程度(Eye Opening)

从模拟数据来看，在信道中用于眼开程度的主要指标就是插入损耗。将通过通道的基线与有连接器的0ps、无串扰通道进行比较，表明眼开程度与插入损耗密切相关。

从偏差影响中分离并提取串扰影响，可使用最小眼高比作为指标。假如原始眼图为100mV，而新的眼图为80mV，那么指标就等于20%眼闭。

E y eh ei g h t_ 0p s_ x t a l k /

Eyeheight_0ps_noxtalk=差分串扰眼闭

E y eh eig h t_10ps_nox tal k/

Eyeheight_0ps_noxtalk=差分偏差眼闭

E y eh ei g h t_ 10p s_ x t a l k /

E yeheight_0ps_nox talk=总体眼闭=diff_skew*diff_xtalk*xtalk

由于偏差带来的串扰影响= E y e h e i g h t _ 1 0 p s _ x talk*E y eheight_0ps_nox talk/ E y eh ei g h t_ 10p s_ n o x t a l k / Eyeheight_0ps_xtalk

为了研究具体的折中权衡，连接器D适合于极大地减少共模对共模串扰。共模对共模串扰可减少到微不足道的数量，大约为- 60dB。这个配置可标记为“D cm fix”。而且，标准连接器D可采用5ps发射器偏差而不是10ps来分析。这可标记为“D 5ps”。

由于差分串扰，所有这4种连接器都具有小的眼闭因子。可以理解在一个通道中差分串扰是重要的，因为使用典型的DF E和F F E设置，不能补偿这种类型的噪声。同样，此图表显示了相对的眼闭，而不是绝对的。例如，连接器C比连接器B具有更大的眼开程度，但在此图表中，可以看到连接器C比连接器B对偏差更敏感。这是有道理的，因为连接器C是一个直角连接器，在差分对的每条路径之间有长度偏差，而连接器B是一个直角连接器，在差分对中没有长度偏差。

在图表中值得注意的是，差分偏差控制着眼闭比率。在差分对的每边之间的任何偏差都会直接闭合差分眼。偏差还会加剧差分串扰和共模串扰。差分串扰会随偏差而增加，因为设计差分信号的设计旨在抵消接地返回电流。有了偏差，这些接地返回电流会是不对称，并会导致差分串扰的增加。共模对共模串扰会受到偏差的影响而存在更多的共模能量。

由于偏差导致的差分串扰和共模串扰可通过比较D和D cm fix来分离。通过减少共模对共模串扰，使其达到可忽略的数值，从而真正减少由偏差而衍生的串扰。然而，通过减少偏差至5ps，可以看到更为显着的改进(D v s. D 5ps)。此外，相比其他的连接器，某些连接器对偏差更为敏感。在此折中权衡中，系统设计人员必须将减少通道偏差的成本和收益，与减少共模串扰的连接器重新设计的成本和收益进行比较。连接器A对偏差的敏感性最小，具有非常小的串扰，即使有大的偏差也不例外。

结论

为了根据共模指针来研究系统性能，我们使用了发射器、线路板、配对的连接器、另一块线路板，以及一个接收器来建立一个通道。此信道是模拟的，将一系列共模阻抗用于通道的每一部分，从无耦合到紧密耦合。眼图以模拟方式进行检测，重点是最小的眼高。

对于单一的长迹线通道，无串扰干扰源且无连接器，检测表明，不对称接地过孔对眼开程度的影响是很小的。线路板迹线偏差被证明是至关重要的。检测表明，紧耦合线路和非耦合线路之间的带状线差分迹线配置的影响较小。模拟数据表明，连接器和R X、T X共模阻抗对数据眼开程度的影响可以忽略。共模能量源受偏差影响的控制。在差分对中，发射器或通道偏差提供了绝大多数的共模能量与小缺陷。发射器上升/下降时间的失配通常表现为偏差，但处于非常低的程度。发射器的幅度失配必需非常显着，以便产生明显的共模能量值。

在采用连接器的通道中，在闭合数据眼方面，插入损耗是主要的因素。在闭合数据眼方面，偏差也是一个重要因素。串扰只是较小的影响因素。共模阻抗对数据眼开程度的影响可以忽略。

总之，损耗是通道的君王，而偏差则是王后。任何减少损耗和偏差的通道特性将会显着地改进信道的性能。连接器对偏差的敏感性是重要的，这是由差分效应控制的。对于某些连接器，由于共模效应产生的连接器性能降低可以忽略，并且对于其他的影响也是较小的。连接器共模阻抗对于眼开程度的影响可以忽略。对于通道来说，引入偏差的线路板特性是至关重要的，而仅仅引入模式转换的线路板特性则可以忽略。系统设计人员必须仔细选择折中权衡来优化性能。