Синфазные дроссели в высокоскоростных каналах связи

Синфазные дроссели широко применяются в высокоскоростных последовательных каналах передачи данных, особенно в тех случаях, когда средой передачи является кабель, соединяющий две подсистемы. Эти устройства снижают электромагнитные помехи от кабеля, удовлетворяя в то же время обязательным требованиям. Поскольку синфазные дроссели находятся непосредственно в информационном канале, их электрические характеристики могут повлиять на параметры передаваемого по кабелю дифференциального сигнала. В статье рассматривается проектирование, электрические параметры и область применения стандартных синфазных дросселей. Эта информация может оказаться полезной для разработчиков при выборе компонентов для того или иного приложения. 

FPD-Link II и III компании National Semiconductor — последовательные интерфейсы для автомобильных информационно-развлекательных подсистем. DS90UB901Q/DS90UB902Q и DS90UB925Q/DS90UB926Q — два чипсета параллельно-последовательного и последовательно-параллельного преобразования (SerDes) с последовательным интерфейсом FPD-Link III, который оснащен высокоскоростным прямым каналом и двунаправленным каналом управления для передачи данных по одной дифференциальной паре. Синфазные дроссели иногда применяются в экранированной витой паре, соединяющей подсистемы с параллельно-последовательным и последовательно-параллельным преобразователями. На рисунке 1 показан стандартный интерфейс FPD-Link III, реализованный с помощью преобразователей DS90UB901Q и DS90UB902Q.

Рис. 1. Типовой интерфейс FPD-Link III с использованием синфазных дросселей DS90UB901Q и DS90UB902Q

Синфазные дроссели имеют разную форму. Например, этот элемент может быть выполнен в виде ферритового кольца, обжимающего кабель. Многие поставщики выпускают миниатюрные синфазные дроссели типоразмера 0805 или даже 0603 для монтажа на печатную плату.
Синфазный дроссель состоит из двух идентичных обмоток, которые строго симметрично расположены на ферритовом сердечнике. На рисунке 2 показана конструкция стандартного синфазного дросселя размера 0805. Эквивалентная схема этого устройства представлена на рисунке 3.

Рис. 2. Типовая конструкция синфазного дросселя для поверхностного монтажа

Рис. 3. Эквивалентная схема синфазного дросселя

Идеальный дифференциальный сигнал представляет собой пару сигналов с равными амплитудами, но разными фазами, повернутыми относительно друг друга на 180°. При прохождении дифференциального сигнала через синфазный дроссель каждая из его составляющих создает магнитный поток разной полярности. Эти потоки нейтрализуют друг друга, что делает дроссель прозрачным для прохождения дифференциального сигнала. На практике амплитуда сигнала немного уменьшается из-за искажений.
Аналогично, синфазный сигнал образован двумя сигналами с равной амплитудой и одинаковой фазой. При его прохождении через синфазный дроссель магнитные потоки двух сигналов складываются в ферритовом сердечнике, импеданс дросселя увеличивается, что приводит к значительному подавлению синфазного сигнала.
По сути, синфазный дроссель — это магнитный элемент, который подавляет синфазные сигналы за счет большого импеданса и, наоборот, характеризуется малыми вносимыми потерями при прохождении дифференциального сигнала.
Как правило, поставщики определяют синфазные дроссели с помощью синфазного импеданса на опорной частоте. Дроссели с большим импедансом обеспечивают подавление синфазного сигнала на относительно малых частотах. В таблице 1 представлены характеристики синфазных дросселей серии DLW21 от Murata. Эти устройства используются в высокоскоростных последовательных каналах с интерфейсами HDMI или FPD-Link II и III.

Наилучшим образом характеристики синфазного дросселя описываются с помощью амплитудно-частотных характеристик. На рисунке 4 показана частотная характеристика вносимых потерь для синфазного дросселя, которая определяет способность этого устройства ослаблять нежелательный синфазный сигнал в полосе подавления. В полосе пропускания эти сигналы не подавляются.
На рисунках 5—6 показаны зависимости вносимых и обратных потерь дросселя от частоты для дифференциального сигнала. Вносимые потери определяют используемую полосу частот, а обратные потери показывают, сохраняется ли характеристическое сопротивление среды передачи.

Рис. 4. Зависимость вносимых потерь от частоты синфазного сигнала

Рис. 5. Зависимость вносимых потерь от частоты дифференциального сигнала

Рис. 6. Зависимость обратных потерь от частоты дифференциального сигнала

При передаче дифференциального сигнала требуется обеспечить симметрию и между парой его составляющих, и среды передачи. При проектировании источника дифференциального сигнала необходимо предусмотреть соответствие сигналов по таким параметрам как амплитуда, время нарастания и спада, задержки на распространение и нагрузки. Однако из-за физических ограничений на практике всегда возникают некоторые несоответствия, которые приводят к различиям между сигналами или условиями их распространения. В результате этих различий возникают синфазные сигналы. При не очень эффективной экранирующей способности корпуса оборудования и кабеля некоторое количество электромагнитного излучения проникает во внешнюю среду.
Благодаря тому, что дроссели подавляют синфазную составляющую, пропуская без изменений дифференциальный сигнал, они являются эффективным средством снижения электромагнитного излучения. Как видно из рисунка 7, синфазный дроссель (L1), установленный перед разъемом платы передатчика, используется для подавления нежелательных синфазных сигналов, прежде чем они поступят в жгут проводов.

Рис. 7. Типичный высокоскоростной последовательный канал передачи данных

Для обеспечения надежного функционирования электронных подсистем они тестируются на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС). К некоторым наиболее часто используемым тестам на ЭМС относятся методы инжекции объемного тока (Bulk Current Injection, BCI) и внешних радиопомех (Radio Frequency Interference, RFI). В первом из них для испытания помехоустойчивости в жгут проводов вводится сигнал помех при помощи трансформатора тока. Во втором методе применяется антенна, которая передает сильный сигнал помехи, воздействующий на испытуемую подсистему.
В зависимости от эффективности экранировки жгута проводов некоторое количество электромагнитных помех поступает на входы высокоскоростного дифференциального приемника как синфазный сигнал помехи. Если он велик, синфазный дроссель устанавливается возле входов приемника. 

Для передачи дифференциальных сигналов по высокоскоростному кабелю требуется обеспечить высокую степень симметрии между двумя его проводами. Симметрия определяется соответствием между такими физическими параметрами проводов как их длина и диаметр, свойства материалов проводников и диэлектрическая стойкость их изоляции, а также характеристический импеданс каждого проводника. Строение кабеля в очень большой мере обусловливает взаимную связь между двумя проводниками, которая определяет характеристический импеданс кабеля. При варьировании этого параметра вдоль кабеля, что наблюдается в случае витой пары, электрические параметры также варьируют, приводя к тем или иным отклонениям от симметрии.
При передаче дифференциального сигнала по хорошо сбалансированному кабелю амплитуды двух сигналов имеют равную величину и противоположные фазы. Любое различие между этими двумя сигналами приводит к тому, что небольшая часть дифференциального сигнала преобразуется в синфазный сигнал. На конце кабеля появляется искаженный дифференциальный сигнал, в котором амплитуды двух сигналов различны, а фазы нельзя считать строго противоположными.
Синфазный дроссель, установленный в конце кабеля, уменьшает величину синфазного сигнала и повышает степень сбалансированности кабеля.

Синфазный дроссель является эффективным средством подавления электромагнитных помех, повышения помехоустойчивости и снижения дисбаланса кабеля. Идеальный дроссель не оказывает негативного влияния на характеристики дифференциального сигнала и подавляет синфазный сигнал.
Однако на практике синфазные дроссели неидеальны, и их применение немного ухудшает качество дифференциального сигнала. Например, дроссели вносят помехи в этот сигнал, искажая его. Кроме того, дроссели не вполне эффективно отфильтровывают синфазный сигнал на низких частотах. Возникающая межсимвольная интерференция происходит из-за неравных групповых задержек между сигналами низкой и высокой частоты.

В зависимости от частоты следования пикселов DS90UB901Q преобразует параллельные видеоданные в последовательный поток битов со скоростью до 1,2 Гбит/с, тогда как скорость преобразования DS90UB925Q достигает 2,975 Гбит/с. Для расчета ослабления синфазного сигнала значение fCCmin следует установить равным частоте следования пикселов, которая является наименьшей частотой синфазного сигнала. При расчее ширины полосы дифференциального сигнала fDDmax задается значение, равное половине скорости последовательной передачи битов, что соответствует самой короткой длительности импульсов в последовательном потоке данных.
Выбор дросселя для конкретного приложения зависит от двух основных условий — максимального подавления нежелательного синфазного сигнала и минимального ухудшения характеристики дифференциального сигнала. Для выполнения первого условия необходимо исходить из частоты синфазного сигнала и степени его ослабления. Вообще говоря, большее подавление синфазного сигнала на относительно невысоких частотах достигается за счет большего импеданса и, как правило, за счет меньшей полосы и больших вносимых потерь для дифференциального сигнала. Чтобы свести к минимуму ухудшение параметров дифференциального сигнала, синфазный дроссель должен обладать малыми вносимыми потерями на максимальной скорости функционирования приемника. Необходимо, чтобы обратные потери были высокими (менее –20 дБ) и не сказывались неблагоприятно на характеристическом импедансе кабеля.
Преобразователь DLW21SN121HQ2 компании Murata поддерживает интерфейс DS90UB925Q/926Q FPD-Link III на скоростях 1,5–2,975 Гбит/с и обеспечивает подавление синфазных сигналов, начиная с 30 МГц (см. рис. 4–6). В свою очередь, преобразователь DXW21BN7511S компании Murata поддерживает интерфейс FPD-Link III на скоростях 0,5—1,0 Гбит/с и обеспечивает подавление синфазных сигналов, начиная с 30 МГц.

Чтобы свести к минимуму паразитную емкость контактных площадок и подложки дросселя относительно земли, применяются известные методы проектирования топологии микросхем. Минимизация паразитной емкости преследует цель максимально увеличить ширину полосы дифференциального сигнала при минимальных вносимых потерях. На рисунке 8 показан пример топологии печатной платы для синфазного дросселя типоразмера 0805. В земляном слое под дросселем предусмотрен вывод для уменьшения паразитной емкости.

Рис. 8. Топология печатной платы синфазного дросселя

Дисбаланс характеристик кабеля приводит к появлению нежелательных синфазных сигналов, в результате чего возникает неравенство амплитуд и сдвиг фаз в составляющей паре дифференциального сигнала. Синфазные сигналы являются источниками электромагнитного излучения и помех. Синфазные дроссели подавляют нежелательные синфазные сигналы и пропускают дифференциальные сигналы, почти не ухудшая их параметров, а также обеспечивают ЭМС и компенсацию дисбаланса параметров кабеля. Выбор дросселя для конкретного приложения основан на обеспечении требуемого уровня подавления синфазного сигнала и соответствующей ширины полосы для прохождения дифференциального сигнала.