阻抗匹配與差分線設(shè)計-文庫吧
2024-12-29 08:06 本頁面
【正文】 TTL、 CMOS系統(tǒng)中沒有應(yīng)用，而雙電阻方式 需要兩個元件，這就對 PCB的板面積提出了要求，因此不適合用于高密度印刷電路板。 阻抗匹配 ? AC 終端匹配技術(shù) AC 終端匹配技術(shù)也稱之為 RC終端匹配技術(shù)，它是由一個電阻 R 和一個電容 C 組成的，電阻 R 和電容 C 連接在傳輸線的負載一端。對于 AC 終端匹配來說，電阻 R 的值必須同傳輸線的特征阻抗 Z0 的值匹配才能消除信號的反射，而電容的值的挑選卻十分復(fù)雜。這是因為電容值較小的話會導(dǎo)致 RC 時間常數(shù)過小，這樣一來該 RC 電路就類型于一個尖銳信號沿發(fā)生器，從而引起信號的過沖與下沖；反之，較大的電容值會引入更大的功耗。信號的頻率、信號占空比、以及過去的數(shù)據(jù)位模式等因素都會影響終端匹配電容的充電和放電特性，從而影響功率消耗。通常情況下， RC 時間常數(shù)大于該傳輸線負載延時的兩倍較為理想。 圖 6 AC終端匹配 阻抗匹配 ? 優(yōu)點： AC 終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢在于終端匹配電容阻斷了直流通路，因此節(jié)省了可觀的功率消耗，同時恰當(dāng)?shù)剡x取匹配電容的值，可以確保負載端的信號波形接近理想的方波，同時信號的過沖與下沖又都很小。 ? 缺點： AC 終端匹配技術(shù)的一個缺點是信號線上的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)時間上的抖動，這取決于在此之前的數(shù)據(jù)模式。舉例來說，一長串比較接近的數(shù)據(jù)位會導(dǎo)致信號傳輸線和電容充電到驅(qū)動器的最高輸出電平的值，如果緊接著的是一個相位相反的數(shù)據(jù)位就需要花比正常情況更長的時間來確保信號跨越邏輯閾值電平。因此在設(shè)計系統(tǒng)時序的余量時務(wù)必將這一額外的時間考慮在內(nèi)以確保設(shè)計的系統(tǒng)能夠正常運作。 阻抗匹配 ? 肖特基二極管終端匹配技術(shù) 肖特基二極管終端匹配技術(shù)也稱之為二極管終端匹配技術(shù)，由兩個肖特基二極管組成。傳輸線末端的信號反射，導(dǎo)致負載輸入端上的電壓升高超過 VCC 和二極管 D1 的正向偏值電壓，使得該二極管正向?qū)ㄟB接到 VCC 上，從而將信號的過沖嵌位在 VCC 和二極管的閾值電壓的和上。同樣，連接到地上的二極管 D2 也可以將信號的下沖限制在二極管的正向偏置電壓上。因為二極管不會吸收任何的能量，僅僅只是將能量導(dǎo)向電源或者是地，傳輸線上就會出現(xiàn)多次的信號反射。由于能量會通過二極管到電源和二極管到地的消耗，信號的反射會逐漸衰減，能量的損耗限制了信號反射的幅度，以維持信號的完整性。 圖 7 肖特基二極管終端匹配 阻抗匹配 ? 二極管器件作為終端匹配元件時對于信號的性能具有很重要的作用。較高的開啟時間 TON 會導(dǎo)致信號下沖；較高的正向偏值電壓 VF會產(chǎn)生時間上的抖動；較高的反向恢復(fù)時間 TRR 會提升信號的上升時間 TR。同時多次信號反射的存在可能會影響后續(xù)信號的波形，所以必須驗證二極管在開關(guān)頻率上的響應(yīng)。所以要想發(fā)揮二極管終端匹配技術(shù)的這種優(yōu)勢可以采用具有較小的 TON、 VF 和 TRR 的二極管作為終端匹配元件來保持信號的完整性。而肖特基二極管具備以上的特征。 差分線的基本概念 差分信號傳輸 與單端信號傳輸相比有如下優(yōu)點： → 輸出驅(qū)動總的 會比單端信號線上的大幅降低，從而減少了軌道塌陷和潛在的電磁干擾 (EMI) → 與單端放大器相比，接收器中的差分放大器有著更高的增益 → 差分信號在一對緊耦合差分對中傳播時，在返回路徑中對付串?dāng)_和突變的魯棒性更好 → 因為每個信號都有自己的回路，所以差分信號通過接插件或封裝時，不易受到開關(guān)噪聲的干擾 → 使用價格低廉的雙絞線即可實現(xiàn)較遠距離差分信號的傳輸 差分線的基本概念 ? 差分和共模 ?差分信號 Vdiff Vdiff定義為： 其中， V V2分別是信號線 1和信號線 2相對于共用返回路徑的信號電壓。 ?共模信號 Vm Vm定義為： 即共模信號用兩條信號線上平均電壓表示。其中， V V2分別是信號線 1和信號線 2相對于共用返回路徑的信號電壓。 dif f 1 2??V V Vc o m m 1 21 ()2??V V V差分線的基本概念 ? 差分對和差分阻抗 ? 差分對 差分對是指一對存在耦合的傳輸線，每條線都可以用簡單的單端傳輸線。這兩條線組合在一起就稱為“一個差分對”。 圖 8 幾種最常見的差分線對的截面圖 差分線的基本概念 ? 差分阻抗 差分對最重要的電氣特性是差分信號的阻抗，稱為“差分阻抗”，即差分對對差分信號的阻抗，是差分信號電壓與其電流的比值。這個定義是計算差分阻抗的基礎(chǔ)，其微妙之處在于怎樣定義信號的電壓和電流。對差分對來說，若兩線離得足夠遠，則每條線的單端阻抗 Z0為 50歐姆。流經(jīng)信號傳輸線和返回路徑之間的電流為： 式中， Ione為流入信號線并從返回路徑流出的電流； Vone為信號線與相鄰返 回路徑的電壓； Z0為信號線的單端特性阻抗。 傳輸線上的跳變差分信號是兩條信號線上的差信號。它的電壓是每條信號線上電壓的兩倍： 2 Vone。根據(jù)阻抗的定義，差分信號的阻抗為 : 式中， Zdiff為差分阻抗； Vdiff為電壓差或差分信號變化； Ione為流入一條信號線后從其回路流出的電流； Vone為一條信號線與相鄰返回通路的電壓； Z0為單條線的單端特性阻抗。 on e on e 0?I V Zd i f f o n e o n ed i f f 0o n e o n e o n e2 22＝ ＝ ＝ ＝? ??V V VZZI I I差分信號的阻抗分析與計算 ? 無耦合時的差分阻抗 假設(shè)兩條傳輸線相隔足夠遠，比如兩線相隔距離至少是線寬的兩倍，兩條線之間的相互作用就不明顯了，這就是無耦合的情況。 如果一個差分信號沿差分對傳輸?shù)竭_接收終端，那么終端的差分阻抗非常大，差分信號將會反射回源端。這種多次反射就會產(chǎn)生噪聲，影響信號質(zhì)量。下圖所示的就是一個差分線末端出現(xiàn)的模擬差分信號。振鈴的出現(xiàn)是由于差分信號在低阻抗的驅(qū)動器和高阻抗的線端之間的多重反彈。圖中差分對互連末端沒有端接，并且差分對之間沒有耦合。 圖 9 差分電路和差分線對的遠端接收信號 差分信號的阻抗分析與計算 消除反射的一種方法就是在兩條信號線的末端跨接一個端接電阻來匹配差分阻抗。對差分信號來說，信號線末端的端接電阻和差分對的阻抗是相同的，這將會消除反射。下圖就是在兩信號線之間加入 100歐姆電阻后，接收端的差分信號。圖中差分對末端有端接，并且差分對之間沒有耦合。 圖 10 差分對遠端接收到的差分信號 差分信號的阻抗分析與計算 ? 耦合時的差分阻抗
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