浅谈差分互连之模态转换 S参数中模态转换的定义

俗话说：少年看山是山，看水是水；中年看山不是山，看水不是水；老年看山还是山，看水还是水！这就说明，不同的人生阅历，我们眼中的世界是不一样的。这又让我想到了小陈之前的文章中的一个说法，在逻辑工程师眼中数字信号就是0101，在硬件工程师眼中，数字信号就是高低跳变的电平。但是在SI工程师眼中，数字信号是一堆不同频率的正弦波的叠加。那么在SI工程师眼中，差分信号又是什么呢？
上篇文章我们讲到了差分信号的模态，其中有个重要的概念，那就是：

这里将单根信号的幅值用另外一种角度描述出来，那就是共模信号与差分信号的叠加。共模信号描述了单端信号中不变的成分，而差分信号描述了单端信号中跳变的部分。所以，在SI工程师眼中，差分信号不仅仅是差分信号，它是差分与共模的叠加。下面我们来直观的感受一下什么是模态转换。
理想情况下，我们希望差分信号是下图1这样的：

图1

图1中两根单端信号完全对称，交叉点也正好在共模电压上。但实际上，我们接受到的信号往往是这样的：

图2

图2中，两根信号并不对称，交叉点也没有在共模电压的位置。这两幅图中的差分信号貌似差别不大，但是共模信号却存在较大的差异。理想情况下，共模信号是一个恒定不变的值，但是像图2这种情况，共模信号却出现了波动。既然有波动，肯定是有外加的能量对他产生干扰，而这种能量就来自于差分信号。我们把这种差分能量向共模能量转换就叫做模态转换。
差分能量转换为共模能量后，差分信号本身的能量会有损失，这种损失在时域中通常表现为信号上升沿的畸变（变缓或者扭曲），而在频域中则表现为高频分量的损失。这一点，在之前的高速先生文档中已经分析的比较清楚了，可以查看以下文章，链接如下：http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/Show.aspx?id=803
我们对模态转换说了这么多，归根结底是因为模态转换他是评估一个传输通道性能好坏的指标，就像我们通常提到的插损和回损。插损是用来评估通道损耗程度的，回损是用来评估通道阻抗连续性的，那么模态转换又是用来评估什么的呢？我们来看看S参数中模态转换的定义，

上式中D指的是differential，C指的是common mode，端口定义如下：

图3

从上式我们可以看出，要想保证信号模态转换为0，两根线必须绝对的对称，即S11=S33，S21=S43，S23=S41。其中的对称包括阻抗的一致性和时延的一致性。
SCD越小越好，越小代表通道的对称性越好。实际情况下，由于设计过程中的各种限制，以及PCB加工公差等原因，以上对称条件不可能完全满足，所以模态转换不可避免。我们在线路板设计中，为把差分线的模态转换控制在较小水平，就要尽量将差分对做到完全对称。
编辑：hfy