保護和過濾無線頻率下的數(shù)據(jù)線

USB Type-C帶來了許多機遇，但也不乏挑戰(zhàn)。其中一個挑戰(zhàn)就是如何避免在千兆赫范圍內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)線EMI問題。

這款全新USB Type-C連接器帶來了許多新機遇，但也不乏新的挑戰(zhàn)。

我們來詳細了解共模濾波器(CMF)如何避免在千兆赫范圍內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)線EMI問題，包括：

在需要更換保護和濾波或者只需要更換保護時，如何為USB3.1和HDMI2.0提供CMF，且無需耗時的重新設(shè)計。

如何選擇CMF，同時仍然確保傳輸極快的信號，如USB3.1和HDMI2.0。

其他ESD保護如何降低獨立CMF的信號完整性。

如何選擇CMF用于抑制大多數(shù)關(guān)鍵頻率的共模噪聲。

如何有效保護超快數(shù)據(jù)線的極敏感收發(fā)器免受ESD影響。

若要復(fù)制移動應(yīng)用上的內(nèi)容，如較大視頻，消費者期望USB連接器能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率。因此，行業(yè)開始采用全新USB Type-C連接器也支持的USB3.1。

但是，在WiFi、藍牙和LTE等相同頻率范圍內(nèi)使用無線傳輸?shù)沫h(huán)境中移動2.5或5 GHz基頻數(shù)據(jù)線，這些頻段之間會發(fā)生干擾，如英特爾白皮書中的報告所述。

而USB Type-C連接器為便攜式設(shè)備連接開創(chuàng)了新的機遇。與此同時，選項的數(shù)量也會增加此接口應(yīng)用的復(fù)雜性。需要使用新的解決方案來降低復(fù)雜性，以便加快上市時間。

進一步了解USB3.1，USB Type-C連接器還可以將超高速USB集成到智能手機或平板電腦等便攜式應(yīng)用中，這一點極具吸引力。它還能夠在相同接口上傳輸高速視頻/音頻數(shù)據(jù)。

這時，超高速USB在2.5和5 GHz頻率存在較強的基波信號，就會將其他噪聲源集成到緊湊的應(yīng)用中。CMF是消除不需要的共模噪聲，避免在WiFi、LTE和藍牙等相同頻率的基本和無線數(shù)據(jù)頻段之間造成干擾，且不傳輸差分信號的標準方法。

如今，所有設(shè)計師都喜歡盡量減少材料元件。那么顯然就出現(xiàn)了一個問題，具體設(shè)計中是否需要CMF。理想情況下，帶CMF的組合與不帶CMF的組合沒什么不同，因為設(shè)計階段很難預(yù)測EMI問題。除非采用不會干擾信號路徑的標準ESD保護，未組裝時，CMF的引腳會干擾信號線。如果不需要濾波器，則需要使用具有一流RF數(shù)據(jù)功能的“插件”來彌補這個差距?；蛘?，電路板需要一個新的設(shè)計周期來彌補差距。

自2009年以來，Nexperia一直是USB3.x的ESD保護產(chǎn)品的主要供應(yīng)商之一。根據(jù)我們的經(jīng)驗，USB3的收發(fā)器對ESD脈沖非常敏感，需要極低的鉗位ESD保護。因此，幾乎很自然地要將最新一代極低鉗位ESD保護，即TrEOS保護集成到這個“插件”中，從而取代CMF。TrEOS保護通常也用于集成CMF。通過選擇帶ESD保護的CMF和在相同引腳尺寸僅使用ESD保護，可以讓第一個電路板設(shè)計就成為最終的設(shè)計——至少保護和濾波器件就是如此。我們甚至還能在相同平臺上為一些市場提供CMF，而另一些市場則不提供CMF，并且無需耗時的重新設(shè)計。甚至還能在上市之后添加CMF選項。

選擇針對USB3.1的CMF時，我們選擇PCMFxUSB3S（保護和共模濾波，“x”代表差分線對的數(shù)量），而相同引腳尺寸的ESD保護則命名為PESDxUSB3S。

圖1.Nexperia提供帶ESD保護的CMF（左側(cè)，PCMF系列）和相同引腳尺寸的ESD保護（右側(cè)，PESD系列），允許在不用重新設(shè)計電路板的情況下迅速變更PCMF和PESD。

但是，將CMF與ESD保護組合到單個設(shè)備中并沒有明顯的原因?？纯磫为毜腅SD保護設(shè)備和單獨的CMG（沒有充分的低鉗位ESD保護），二者獨自都能夠為差分信號提供充分的完整性，將單獨的CMF和ESD保護組合則不再能提供信號完整性。

測量帶寬限制的一種方法就是頻率，與低頻信號相比，差分信號會衰減3 dB。log10范圍的-10 dB衰減表示信號功率強度低一個數(shù)量級（或1/10），衰減為-20 dB 1/100，以此類推。

輸入和輸出信號的比率顯示為分散或短散射參數(shù)，其中S21顯示端口2和端口1之間的信號傳輸，S21dd表示差分輸入、差分輸出。

圖2.S21dd是輸入與輸出差分信號的比率，與頻率有關(guān)。此頻率的信號按3 dB衰減，這是差分通帶的頻率限值。曲線圖顯示，當添加ESD保護擁有14 GHz或7 GHz的通帶時，不含ESD保護且基于鐵氧體的CMF衰減，以及相同的濾波器。3dB頻率從6.3 GHz遞減至4.9 GHz或4 GHz。比較CMF的RF特性時，必需比較完整性能。

看個示例，ESD保護擁有14 GHz差分通帶，CMF擁有6.3 GHz的差分通帶，我們發(fā)現(xiàn)，將這兩者組合只能得到4.9 GHz的通帶。所以，比較完整解決方案（包括ESD保護）的性能至關(guān)重要。相比這下，對于帶ESD保護的集成CMF，即PCMFxUSB3S時，若將CMF和ESD保護兩種功能組合，仍然可以提供6.5 GHz的典型通帶。

圖3.帶ESD保護的集成CMF(PCMF3USB3S)的差分通帶，對于引腳1-2和引腳5-6處的線對情況比較。這些線對高度對稱，有助于避免數(shù)據(jù)扭曲。

考慮到所需的ESD保護時會發(fā)現(xiàn)PCMFxUSB3S能夠提供無與倫比的差分通帶。此外，高度對稱還可避免單線路和線對之間的運行時間差異，從而避免造成數(shù)據(jù)扭曲。數(shù)據(jù)扭曲會關(guān)閉時間軸上的眼圖。

圖4.眼圖會覆蓋所有潛在的1-0和0-1信號轉(zhuǎn)換（左側(cè)）。任何轉(zhuǎn)換都不得違反掩碼（右側(cè)），以便為接收器提供可接受的最低信號完整性。

圖4中顯示了一個實際事例，其中對比了10 Gbps時的PCMF2USB3S眼圖（USB3.1最高速度水平）與不含測試設(shè)備的參考電路板(DUT)

圖5.在測試電路板上比較PCMF2USB3S在10 Gbit/s時的USB3.1眼圖。

在外部實驗室使用我們的測試板，PCMF2USB3S在10 Gbit/s條件下通過了USB3.1標準測試。由于這些速度水平的數(shù)據(jù)速率明顯需要精心設(shè)計RF，Nexperia能夠和您分享全新USB Type-C連接器的布局示例。

HDMI標準針對音頻/視頻數(shù)據(jù)采用8個高速差分TMDS線。轉(zhuǎn)換到HDMI2.0時，許多設(shè)計工程師將會面臨一些挑戰(zhàn)：消費者仍會保留購買的HDMI1.4數(shù)據(jù)速率電纜。因此，HDMI接收器不需要擁有更高品質(zhì)的電纜，而是要能在測試點2 (TP2)處理由于糟糕的電纜型號和其他數(shù)據(jù)扭曲變形的信號。

圖6.傳統(tǒng)HDMI眼圖是在測試點1 (Tp1)測得，另一個“最差電纜仿真器”和其他偏斜則添加到測試點2 (TP2)，以反映HDMI2.0數(shù)據(jù)速率對HDMI1.4電纜的使用情況。

TP2上的其他眼仍然不得違反掩碼：

圖7.測試電路板上PCMF2HDMI2S帶“最差電纜仿真器”（上圖）和其他偏斜在測試點2 (TP2)測得的眼圖，以及測試電路板上不含測試設(shè)備(DUT)的參考眼圖（下圖）。盡管眼圖看起來似乎有點陌生，但這卻是很好的“通帶”結(jié)果。TP1熟悉的眼圖看起來明顯更加美觀，并且可以在PCMFxHDMI2S的數(shù)據(jù)手冊中找到。

將CMF和ESD保護集成到一個設(shè)備的另一個原因，就是信號線對上的任何阻抗干擾都將影響一部分信號。如果信號路徑中發(fā)生嚴重干擾，那么就會造成多重相互干擾的反射、嚴重損害信號完整性，會關(guān)閉眼圖。一些數(shù)據(jù)標準，如HDMI標準的TMDS線，會限制數(shù)據(jù)線阻抗中發(fā)生此類阻抗偏差的次數(shù)和數(shù)量。

信號路徑上的阻抗變化會通過時域反射(TDR)測量顯示，其中信號的運行時間與信號路徑的距離成一定比例。對于USB3.1，差分阻抗應(yīng)該為90 歐姆，HDMI TMDS的差分阻抗為100 歐姆。如果信號路徑的其他部分增加更多電容性負載，則信號會將本地阻抗降到目標值以下；如果其他部分增加更多電感性負載，那么本地阻抗將在目標值以上。任何阻抗偏差，無論是電容性阻抗還是電感性阻抗，都將引發(fā)這些信號反射。

圖8中包含一個示例，其中顯示了兩個帶ESD保護的不同集成式CMF在一段運行時間（距離）的阻抗差異。例如，圖中顯示了不帶測試設(shè)備(DUT)的測試電路板的阻抗。一個設(shè)備PCMFxHDMI2S顯示對應(yīng)帶極低電容的單獨ESD保護設(shè)備存在阻抗下降，另一個集成式CMF則顯示存在違背HDMI標準規(guī)定限值的電感行為。

圖8.兩個使用200 ps濾波器（符合HDMI標準）進行ESD保護的集成式共模濾波器的TDR（時域反射）測量。阻抗Z可隨運行時間（距離）進行測量。PCMF濾波器明顯位于HDMI標準設(shè)置的限值以內(nèi)，而比較濾波器則太過電感性而無法通過此測試。這兩款濾波器與不帶濾波器的參考電路板（無干擾傳輸線路）進行比較。由于電路板位置和設(shè)備大小不同，所以時間范圍也不盡相同。

由于全新Type-C連接器支持發(fā)送功能，例如通過USB3.1接口發(fā)送HDMI數(shù)據(jù)，所以用于此接口的設(shè)備能夠符合幾個標準的要求就顯得尤為重要了。但即便是不需要遵守HDMI標準，最大程度降低設(shè)備阻抗的影響也會最大程度減少反射，并針對所有數(shù)據(jù)標準提供良好的信號完整性。

第一部分總結(jié)：在信號完整性方面，必須選擇廣泛差分通帶解決方案確保信號傳輸，并比較組合CMF和ESD保護的完整解決方案。

由于選擇CMF用于抑制不需要的噪聲，所以共模抑制顯然也是一個重要參數(shù)。在S21cc中，共模抑制也歸為一種頻率散射參數(shù)。同樣，-10 dB的衰減將意味著共模噪聲頻率低一個數(shù)量級(1/10)。

圖9.比較PCMFxUSB3S與圖1中所示USB3.1鐵氧體濾波器的共模抑制。由于需要避免2.5 GHz時USB3.1 5 Gbps基波與WiFi、藍牙和LTE-頻段之間的干擾，所以此頻率范圍內(nèi)的強大抑制功能顯得尤其重要。2.5 GHz左右的PCMFxUSB3S抑制明顯超過-30 dB（不到共模功率的1/1000），并能在700 MHz和10 GHz之間提供高一個數(shù)量級的功率抑制，覆蓋所有帶寬帶共模抑制的GSM/3G/LTE/WiFi/GPS/藍牙頻率。

選擇共模濾波器時，應(yīng)該關(guān)注針對基波以及需要相互隔離的無線和有線數(shù)據(jù)標準的更高諧波的強大共模抑制功能。對于5 Gbps時的USB3.1，2.5 GHz時的基波處于擁擠的無線頻段（LTE、WiFi、藍牙）的中間，在此區(qū)域需要超強抑制功能。對于HDMI2.0，1.7至3 GHz的頻率最為關(guān)鍵。與此同時，共模抑制還應(yīng)該擁有足夠?qū)挼膸?，從而抑制不顯眼的頻率范圍內(nèi)的潛在噪聲問題。

迄今為止，我們已經(jīng)解決了如何確定信號完整性和共模噪聲抑制的問題。但是，ESD脈沖鉗位在保護敏感收發(fā)器時的效果如何？

看看極快信號的收發(fā)器，如USB3.1，我們會發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)的ESD生存水平不是由ESD保護設(shè)備的耐受性定義的，而是由鉗位行為定義的。就是說，ESD保護設(shè)備傳輸多少剩余ESD呢？這是我們目前得到的所有收發(fā)器的情況。盡管如此，我們的PCMF/PESD系列可耐受15 kV觸點的IEC 61000-4-2 ESD脈沖，后者超過了此IEC標準的最高水平4。PCMFxUSB3S和PCMFxHDMI2S以及PESDxUSB3S全都建立在Nexperia的TrEOS保護技術(shù)的基礎(chǔ)之上，其中結(jié)合了行業(yè)領(lǐng)先的開關(guān)速度(0.5 ns)、最低動態(tài)阻抗以及針對8/20浪涌及ESD脈沖的高耐受性。

這些全新CMF在保護極敏感收發(fā)器方面的效果如何？我們嘗試將PCMFxUSB3S結(jié)合目前最敏感的USB3.1收發(fā)器使用，確認此組合在幾個通道中的耐用水平已經(jīng)超過了15 kV IEC 61000-4-2。除了高效處理共模問題，在處理USB3.1頻率同時還保護極敏感的收發(fā)器免遭ESD影響方面，PCMF是迄今為止（2016年4月）最有效的解決方案。

一些基于鐵氧體/陶瓷的CMF可提供集成ESD保護功能；由于他們具備幾百伏的鉗位電壓，所以不會為敏感的收發(fā)器芯片提供額外保護。圖9顯示了集成ESD保護的陶瓷/鐵氧體濾波器與更早的PCMF流程生成的對比情況。

圖10比較了帶硅基ESD保護的集成CMF與帶集成ESD保護的鐵氧體CMF的TLP鉗位。PCMFxUSB3S、PCMFxHDMI2S和PESDxUSB3S提供更低的鉗位電壓，但是，在需要顯示鐵氧體基ESD保護的TLP行為的范圍內(nèi)，這可能會丟失。

既然鐵氧體在ESD鉗位方面明顯不具備競爭力，那么PCMFxUSB3S系列與帶硅基ESD保護的其他CMF比較如何呢？簡單地說，相比所有其他共模濾波器，PCMFxUSB3S能夠提供最低的鉗位電壓。

圖11.比較PCMF系列與集成ESD保護的其他CMF的TLP鉗位。

總之，查看極快數(shù)據(jù)線的保護和濾波時，我們可以明確這些要點：

差分信號必須要能傳達保護和濾波解決方案，如差分通帶和眼圖所示，這還需要通過合規(guī)標準。

在單獨CMF中增加其他ESD保護功能會明顯弱化系統(tǒng)性能，即便兩個設(shè)備各自都展現(xiàn)出一流的RF性能時也是如此。

USB3.1在2.5和5 GHz等關(guān)鍵頻率下的共模抑制必須非常高。

ESD鉗位必須非常低。

最終，系統(tǒng)必須要能交換使用帶ESD保護的CMF與僅含ESD保護的CMF，避免重新設(shè)計并支持更短上市時間。

審核編輯：郭婷