阻抗匹配與差分線設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧
2024-12-29 08:06 本頁(yè)面
【正文】 TTL、 CMOS系統(tǒng)中沒(méi)有應(yīng)用，而雙電阻方式 需要兩個(gè)元件，這就對(duì) 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(gè)電阻 R 和一個(gè)電容 C 組成的，電阻 R 和電容 C 連接在傳輸線的負(fù)載一端。對(duì)于 AC 終端匹配來(lái)說(shuō)，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(hào)的反射，而電容的值的挑選卻十分復(fù)雜。這是因?yàn)殡娙葜递^小的話會(huì)導(dǎo)致 RC 時(shí)間常數(shù)過(guò)小，這樣一來(lái)該 RC 電路就類型于一個(gè)尖銳信號(hào)沿發(fā)生器，從而引起信號(hào)的過(guò)沖與下沖；反之，較大的電容值會(huì)引入更大的功耗。信號(hào)的頻率、信號(hào)占空比、以及過(guò)去的數(shù)據(jù)位模式等因素都會(huì)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(shí)間常數(shù)大于該傳輸線負(fù)載延時(shí)的兩倍較為理想。 圖 6 AC終端匹配 阻抗匹配 ? 優(yōu)點(diǎn)： AC 終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(shí)恰當(dāng)?shù)剡x取匹配電容的值，可以確保負(fù)載端的信號(hào)波形接近理想的方波，同時(shí)信號(hào)的過(guò)沖與下沖又都很小。 ? 缺點(diǎn)： AC 終端匹配技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是信號(hào)線上的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)時(shí)間上的抖動(dòng)，這取決于在此之前的數(shù)據(jù)模式。舉例來(lái)說(shuō)，一長(zhǎng)串比較接近的數(shù)據(jù)位會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸線和電容充電到驅(qū)動(dòng)器的最高輸出電平的值，如果緊接著的是一個(gè)相位相反的數(shù)據(jù)位就需要花比正常情況更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)確保信號(hào)跨越邏輯閾值電平。因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)序的余量時(shí)務(wù)必將這一額外的時(shí)間考慮在內(nèi)以確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠正常運(yùn)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(gè)肖特基二極管組成。傳輸線末端的信號(hào)反射，導(dǎo)致負(fù)載輸入端上的電壓升高超過(guò) 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(hào)的過(guò)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(hào)的下沖限制在二極管的正向偏置電壓上。因?yàn)槎O管不會(huì)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(huì)出現(xiàn)多次的信號(hào)反射。由于能量會(huì)通過(guò)二極管到電源和二極管到地的消耗，信號(hào)的反射會(huì)逐漸衰減，能量的損耗限制了信號(hào)反射的幅度，以維持信號(hào)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(shí)對(duì)于信號(hào)的性能具有很重要的作用。較高的開啟時(shí)間 TON 會(huì)導(dǎo)致信號(hào)下沖；較高的正向偏值電壓 VF會(huì)產(chǎn)生時(shí)間上的抖動(dòng)；較高的反向恢復(fù)時(shí)間 TRR 會(huì)提升信號(hào)的上升時(shí)間 TR。同時(shí)多次信號(hào)反射的存在可能會(huì)影響后續(xù)信號(hào)的波形，所以必須驗(yàn)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(shì)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(lái)保持信號(hào)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(hào)傳輸 與單端信號(hào)傳輸相比有如下優(yōu)點(diǎn)： → 輸出驅(qū)動(dòng)總的 會(huì)比單端信號(hào)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(hào)在一對(duì)緊耦合差分對(duì)中傳播時(shí)，在返回路徑中對(duì)付串?dāng)_和突變的魯棒性更好 → 因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)都有自己的回路，所以差分信號(hào)通過(guò)接插件或封裝時(shí)，不易受到開關(guān)噪聲的干擾 → 使用價(jià)格低廉的雙絞線即可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離差分信號(hào)的傳輸 差分線的基本概念 ? 差分和共模 ?差分信號(hào) Vdiff Vdiff定義為： 其中， V V2分別是信號(hào)線 1和信號(hào)線 2相對(duì)于共用返回路徑的信號(hào)電壓。 ?共模信號(hào) Vm Vm定義為： 即共模信號(hào)用兩條信號(hào)線上平均電壓表示。其中， V V2分別是信號(hào)線 1和信號(hào)線 2相對(duì)于共用返回路徑的信號(hào)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(duì)和差分阻抗 ? 差分對(duì) 差分對(duì)是指一對(duì)存在耦合的傳輸線，每條線都可以用簡(jiǎn)單的單端傳輸線。這兩條線組合在一起就稱為“一個(gè)差分對(duì)”。 圖 8 幾種最常見(jiàn)的差分線對(duì)的截面圖 差分線的基本概念 ? 差分阻抗 差分對(duì)最重要的電氣特性是差分信號(hào)的阻抗，稱為“差分阻抗”，即差分對(duì)對(duì)差分信號(hào)的阻抗，是差分信號(hào)電壓與其電流的比值。這個(gè)定義是計(jì)算差分阻抗的基礎(chǔ)，其微妙之處在于怎樣定義信號(hào)的電壓和電流。對(duì)差分對(duì)來(lái)說(shuō)，若兩線離得足夠遠(yuǎn)，則每條線的單端阻抗 Z0為 50歐姆。流經(jīng)信號(hào)傳輸線和返回路徑之間的電流為： 式中， Ione為流入信號(hào)線并從返回路徑流出的電流； Vone為信號(hào)線與相鄰返 回路徑的電壓； Z0為信號(hào)線的單端特性阻抗。 傳輸線上的跳變差分信號(hào)是兩條信號(hào)線上的差信號(hào)。它的電壓是每條信號(hào)線上電壓的兩倍： 2 Vone。根據(jù)阻抗的定義，差分信號(hào)的阻抗為 : 式中， Zdiff為差分阻抗； Vdiff為電壓差或差分信號(hào)變化； Ione為流入一條信號(hào)線后從其回路流出的電流； Vone為一條信號(hào)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(hào)的阻抗分析與計(jì)算 ? 無(wú)耦合時(shí)的差分阻抗 假設(shè)兩條傳輸線相隔足夠遠(yuǎn)，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(wú)耦合的情況。 如果一個(gè)差分信號(hào)沿差分對(duì)傳輸?shù)竭_(dá)接收終端，那么終端的差分阻抗非常大，差分信號(hào)將會(huì)反射回源端。這種多次反射就會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響信號(hào)質(zhì)量。下圖所示的就是一個(gè)差分線末端出現(xiàn)的模擬差分信號(hào)。振鈴的出現(xiàn)是由于差分信號(hào)在低阻抗的驅(qū)動(dòng)器和高阻抗的線端之間的多重反彈。圖中差分對(duì)互連末端沒(méi)有端接，并且差分對(duì)之間沒(méi)有耦合。 圖 9 差分電路和差分線對(duì)的遠(yuǎn)端接收信號(hào) 差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 消除反射的一種方法就是在兩條信號(hào)線的末端跨接一個(gè)端接電阻來(lái)匹配差分阻抗。對(duì)差分信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)線末端的端接電阻和差分對(duì)的阻抗是相同的，這將會(huì)消除反射。下圖就是在兩信號(hào)線之間加入 100歐姆電阻后，接收端的差分信號(hào)。圖中差分對(duì)末端有端接，并且差分對(duì)之間沒(méi)有耦合。 圖 10 差分對(duì)遠(yuǎn)端接收到的差分信號(hào) 差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 ? 耦合時(shí)的差分阻抗
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