共模滤波器基础

① 快速差动数据传送和共模噪音问题

近年的数字通信接口以USB和HDMI为中心，以差动模式（Differential Mode)传送数据已成为主流。

为了实现数据传送的快速化，有通过减小振幅来相对缩短跃迁时间，并提高传送率的手段。以往的单端传送，若采用低振幅化，则存在容易受到外来噪音和地电位影响的问题。但是，差动传送是以等振幅将反相的信号以2线1组（D+,D）传送并作为其差分，因此，不容易受外来噪音和地电位的影响，而且，2线周边的磁场被消除，不需要的放射少，几乎所有的快速通信均才采用了差动传送方式。

此类差动传送中，也有共模（同相：Common Mode）噪音发生的情况。会引起通过容量结合的来自其他电路的噪音重叠和D+,D-信号不均衡的情况等。　后者有如下模式转换，例如，通过PCB类型的配线长之差等而引起的斜交（Skew）、D+,D-信号的边际率之差、脉冲幅度之差、传送线路的非对称性强的情况时所引起差动信号的一部分被转换成共模的模式。

此时发生的共模噪音发生于与差动信号的频带相同的频带，在以往的单端模拟电路中使用的频率分离型的Low Pass Filter (LPF)，无法消除共模噪音。因此，能够将数据信号=差动模式和噪音=共模模式根据传送模式的不同进行分离的共模滤波器作为差动传送的标准滤波器在如今被广泛地使用。

② 共模滤波器是指

共模滤波器在差动传送电路中配备有与D+,D-连接的2个线圈并采用了使2个线圈磁性结合的结构。

此类结构的滤波器在差动模式信号和共模噪音进入时，基于等值显示磁性结合状态的图示来说明会带来怎样的作用。当差动模式信号进入时，在磁性结合电路中因D+信号所发生的磁束和因D-信号所发生的磁束被取消，不产生阻抗，差动模式信号通过。另外，当共模噪音进入时，由于D+信号和D-信号所发生的磁束产生相互增强的阻抗，妨碍共模噪音的通过。也就是说，共模滤波器相对差动模式信号作为传送线路工作，而相对共模噪音则作为感应器工作。

相对此共模噪音的感应器的阻抗，被称为共模阻抗，作为表示共模噪音除去性能的代表指标，通常使用100MHz下的阻抗值。

只有这样在D+、D-传送线路间的线圈的磁性结合结果结构，才是能够分离差动信号和共模噪音的重要要素。

内部模式图	传送模式	作用（线圈截面）	等值功能
在D+,D-之间磁性结合	差动模式 (差动) ↓ 数字信号	-磁束消除，低阻抗	传送线路
	共模 ↓ 噪音成分	-磁束加强，增大阻抗	感应器

③ 层压共模滤波器的结构和工作

给出实际的本公司的层压共模噪音滤波器的结构图。

本公司产品的特点在于，通关过采用喷镀工法实现了传统印刷工法所无法实现的精细线距的线圈形成，使用该微细线圈导体和磁性材料，提高消除共模噪音的能力。
此外，线圈导体周边采用配置有低损失电介质的不同材料层压结构，通过2个线圈间的高磁性结合和减少浮游容量等的寄生成分，来抑制差动模式下的损失，应对快速数据传送。

输入了差动模式的信号时和输入了共模噪音时的产品内部磁场分布在示意图中给出。
如前项中所述，在差动模式下，仅线圈之间发生磁场，其周边的磁场被消除，并作为差动传送线路工作。
另外，相对共模噪音，2个线圈整体可见大的磁场，作为感应器工作。

⑤ 智能手机所代表的近年的噪音问题

在智能手机和平板电脑所代表的便携式终端上，有控制摄像头和LCD的MIPI和USB等的数字信号线路。此外，狭窄框体内安装有蜂窝、WiFi、蓝牙、GPS等的无线通信功能。
如图所示，近年的数字差动数据通信的传送频带与无线通信的频带重叠。由此，来自数字信号线路的噪音被传递至无线通信用天线，发生接收灵敏度劣化的问题。
图中所示为接近天线的差动传送线路上发生斜交时的蜂窝通信的接收灵敏度测定结果（横轴表示电波强度、纵轴表示比特误码率）。当差动信号上没有斜交时，即使是弱的电波强度下也能够实现比特误码率低的信号接收，但由于差动信号的斜交增加，即，共模噪音增加而使接收灵敏度劣化。

在此背景下，作为来自数字信号线路的噪音所致的自体中毒对策之一，近年来共模滤波器被智能手机和平板电脑所广泛使用。

此外，用于此种用途时，为了抑制进入无线通信频带的噪音，在选定滤波器时，重视共模滤波器的噪音衰减特性（频率特性）。

⑥ 主要滤波器特性参数

选定共模滤波器时，以往使用的是共模阻抗的频率特性，但本产品采用的是在更有用的、高频电路中以往就使用的S-parameter所导出的Mixed Mode S-parameter。
按输入模式（共模、差动模式）和输出、反射的模式（共模、差动模式）进行了规定，作为记述输入模式下动作不同的共模噪音滤波器的特性的参数是最佳的。

图中所示为表示主要滤波器特性的参数。

作为差动模式传送的信号质量损失目标参数，有差动模式的插入损失（Sdd21）。此外，Sdd21的损失为3dB的频率被定义为截止频率，为选定滤波器的重要指标。

此外，有成为噪音消除性能目标的共模衰减量（Scc21)、以及差动信号的一部分被转换成共模的模式转换量（Scd21）。

图中所示为共模滤波器的频率特性。Sdd21最好为低损失，Scc21、Scd21则最好为宽频带、高衰减。

	电路图	INPUT	OUTPUT	滤波器参数 (Mixed Mode S-Parameter)
信号质量		差速 （差动）	差速 （差动）	差动 插入损失 Sdd21 (“0”dB=ideal)
消除噪音		共模	共模	共模衰减量 Scc21 (“-∞”dB=ideal)
		差速 （差动）	共模	模式转换 Scd21 (“-∞”dB=ideal)

⑦ 数据库

本公司提供如下表示此类滤波器特性的参数，即，
  ・S-parameter
  ・Spice类型

S-parameter以实测值为基准加以提供，通过图示的运算被转换为Mixed Mode S-parameter，可导出各种参数的频率特性。

此外，Spice类型则作为等值电路类型提供。

⑧ 共模滤波器的选定 [１]

阐述共模滤波器的选定方法。
原则上，有不衰减数字信号、衰减噪音两个步骤。

首先，为了使数字信号无损失地通过，选定差动模式插入损失少的步骤。如图所示，数字信号波形的整形至少需要3次～5次以上的谐波成分，因此，通常选定带有数字信号的基本频率ｆo的3×fo或者5×fo以上的截止频率。
另外，在近年的快速传送方面，为了补偿高频成分的损失，进行输出侧的加强、接收端的补偿器处理的接口较为多见。此时，通过规定的符合性测试，在实际使用上若没有问题，也有被采用于3×fo以下频率的情况。

差动模式特性阻抗的匹配

在差动模式传送中，作为另一个重要的参数，有差动模式的特性阻抗。（以下特性的阻抗）通常根据阻抗的规格中规定的特性阻抗来进行传送线路设计。例如， USB的话，若为特性阻抗90Ω、HDMI，则规定为100Ω。

假设在传送频带内，共模噪音滤波器大幅度地偏离该特性阻抗时，则会发生差动信号的反射、损失，信号变差。
图中所示为带有相同截止频率3GHz的共模，但特性阻抗不同的2个滤波器的HDMI-1080p-Eye波罩测试比较结果。
与具备特性阻抗100Ω的本公司产品相比，特性阻抗较低，为80Ω的其他公司滤波器的信号可见劣化。

如此一来，还需要注意差动模式的特性阻抗匹配。

评价该特性阻抗匹配的方法有以时间轴进行评价的TDR测定和以频率轴进行评价的S-parameter。

根据本公司提供的S-parameter进行运算，可获得共模滤波器的频率轴特性阻抗信息。

在TDR测定中，自连接器一侧输入阶跃脉冲，通过观测其响应，可测定差动模式的特性阻抗。如果，被测定线路中有与带有已输入的规定特性阻抗的阶跃脉冲不同的带有特性脉冲的部位时，在该部位会发生反射、损失。重新将其处理为特性阻抗的值，并作为线路上的信息将其返回。TDR特性的优势特点在于可在组装了组件的状态下连同位置信息一起观测特性阻抗，还能够把握基板上未匹配部位。

通过TDR测定实施差动模式特性阻抗匹配

TDR测定的示例所示为，表示HDMI阻抗相关本公司共模滤波器TDR特性的产品。能够看出可获得连接器、共模滤波器、HDMI-IC及其各部位上的特性阻抗信息。

可见本公司共模滤波器充分满足了HDMI传送线路的特性阻抗100Ω+/-15Ω，在差动传送中具备卓越的匹配性。

⑨ 共模滤波器的选定 [２]

然后，是根据共模噪音衰减频率特性，选定与共模噪音消除目标频带相称的产品。

如图所示，本公司配备有面向智能手机的无线通信带频下高衰减的产品、以及如HDMI的需要衰减宽带噪音的产品，并可根据用途提供最佳的滤波器。

⑩ 智能手机的接收灵敏度改善示例

给出使用了本公司的共模滤波器时的测定智能手机的蜂窝接收灵敏度的示例。

在LCD的Mipi接口部配置共模滤波器，通过抑制来自软电线的放射以改善接收灵敏度的示例。