高速差分数据传输EMI低通滤波器

 

过去，ESD保护或EMI滤波功能以使用RC或LC解决方案为主，例如 LTTC或硅芯片。但是，数据速率更高的总线的问世，以及差分信号传输替代并行总线的发展趋势，自然迫使设计人员提高整个系统的EMC抗干扰性，寻求新的解决方案。毋庸置疑，考虑到LC或RC滤波器是由电感或电阻与接地电容器组成，特别是内在电容效应本身将会影响信号的完整性，这两类滤波器将无法适应数据总线不断提高速率的趋势。因此，只要抑制电容即可避免滤波器出现电容效应；但是这种方法意味丧失滤波器芯片的滤波属性。当数据速率提高到每秒几百兆位以上时，这种方法是一个进退维谷的问题。

 

CMF滤波器又称共模滤波器，是解决这个进退两难问题的好办法，不仅支持受最高的数据速率，还是差分信号传输技术如USB、HDMI和MIPI的最佳保护方案。

 

保护USB2.0接口的共模滤波器

高速USB 2.0接口利用差分信号方法在两条数据线上传输数据，最高传输速率达到480 Mbps。差分信号是指信号不以地线为基准电压，而是一个信号以另一个信号为基准电压。差分信号在两条线上传输，每条线上的信号相位差180度，这意味着必须使用一个恰当的滤波拓扑，才能正确地滤除无用频率，同时不会破坏目标差分信号的完整性。

 

新款CMF滤波器让目标差分信号通过滤波器，但不会破坏差分信号的完整性，同时还能滤除共模信号。共模滤波器的电感特性为差分信号产生最大7 GHz的宽频带，同时为共模信号产生小于100 MHz的窄频带。

一个理想的共模滤波器可有选择地抑制共模信号，同时放行差分信号，而不会对差分信号有任何影响。

 

差分模式的电流方向相反，产生的磁场的极性相反，磁场被相互抵消，在这种情况下，经过CMF滤波器的信号没有遇到任何阻抗，更谈不上信号衰减问题。

 

共模信号的电流向同一个方向流动，在滤波器上产生一个同相磁场，两个磁场相互叠加。结果，轭流圈对于共模信号是一个很大的阻抗，因此会降低共模信号的完整性。

 

SCC21标准描述了共模衰减的基本特性，如下图所示:

 

USB 480 Mbps信号可产生240 MHz基频 。因为该信号本身是方波，我们不难估算出传送信号所需的带宽。利用傅利叶级数逼近算法，最后所需带宽大约是基频的三倍。因此，差分信号传输至少需要720 MHz的带宽。从SCC21标准的共模滤波图中不难看出，为了让三次谐波通过滤波器，部分符合的要求的频率被滤除。

 

我们对一个内置意法半导体的ECMF滤波器的USB接口进行测试，从USB 480Mb/s的眼状图中可以看出，该接口设计100%符合USB高速数据传输标准，同时信号衰减度测量值在900MHz时达到30db。

 

这个原理还适用于更高速度的接口，例如，MIPI 或HDMI/MHL接口。

 

上图显示的测试结果与在USB 2.0上所做的测试完全相同，现在，我们在数据传输速率更高的接口如HDMI720p上再做一次测试。

 

下图是一个MIPI接口的谐波测量结果，滤波器放行的MIPI信号的最高频率800Mhz(200Mhz 时钟信号的四次谐波) ，同时滤除900Mhz到 2.2Ghz的噪声。

 

 

鉴于共模滤波器支持高达千兆位级（Gb/s）的数据速率，同时可抑制高达千兆赫兹（GHz）的共模噪声，我们得出结论，共模滤波器是差分信号传输技术的最佳滤波解决方案。

 

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