【正文】 ?阻抗匹配 ?差分線設(shè)計(jì) ?差分線的基本概念 ?差分 信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 ?差分 信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案 阻抗匹配與差分線設(shè)計(jì) 阻抗匹配 ? 阻抗的定義 傳輸線的特性阻抗是微分線段的特性阻抗。 特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念，它與傳輸線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，也不能通過(guò)使用歐姆表來(lái)測(cè)量。 一個(gè)傳輸線的微分線段可以用等效電路描述如下： 圖 1 傳輸線阻抗等效電路 阻抗匹配 傳輸線的等效電路是由無(wú)數(shù)個(gè)微分線段的等效電路串聯(lián) 。 這是在無(wú)損耗條件下描述的，電阻上熱損耗和介質(zhì)損耗都被忽略了的，也就是直流電壓變化和漏電引起的電壓波形畸變都未考慮在內(nèi)。差分模式傳輸線實(shí)際應(yīng)用中，必須具體分析。 圖 2 阻抗計(jì)算 阻抗匹配 ? 阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。 ? 阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果？ ? 在高速的設(shè)計(jì)中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣如果不匹配，則會(huì)形成反射，能量傳遞不過(guò)去，降低效率；會(huì)在傳輸線上形成駐波（簡(jiǎn)單的理解，就是有些地方信號(hào)強(qiáng)，有些地方信號(hào)弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。 ? 在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問(wèn)題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長(zhǎng)相對(duì)于傳輸線來(lái)說(shuō)很長(zhǎng)，傳輸線可以看成是 “短線 ”，反射可以不考慮。 阻抗匹配 ? 阻抗匹配方式 ? 在高速的設(shè)計(jì)中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說(shuō)是豐富多樣，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用，需要衡量多個(gè)方面的因素。下面介紹幾種常見(jiàn)匹配方式。 ?串聯(lián)終端匹配 ?并聯(lián)終端匹配 ?戴維南終端匹配 ?AC 終端匹配 ?肖特基二極管終端匹配技術(shù) 阻抗匹配 ? 串聯(lián)終端匹配 串聯(lián)終端匹配串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號(hào)的源端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻 R，使源端的輸出阻抗與傳輸線 的特征阻抗相匹配，抑制從負(fù)載端反射回來(lái)的信號(hào)發(fā)生再次反射。 在串行連接終端匹配技術(shù)中，由于信號(hào)會(huì)在傳輸線、串行連接匹配電阻以及驅(qū)動(dòng)器的阻抗之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓的分配，因而加在傳輸線上的電壓只有信號(hào)電壓的一半。而在接收端，由于傳輸線阻抗和接收器阻抗的不匹配，通常情況下接收器的輸出阻抗更高，這會(huì)導(dǎo)致大約同樣幅度值信號(hào)的反射，這稱之為附加的信號(hào)波形。故分配在負(fù)載端的信號(hào)電壓大約是驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)電壓的一半，再加上同樣幅值的附加信號(hào)電壓，使得接收器馬上就會(huì)接收到完整的信號(hào)電壓。而附加的信號(hào)電壓會(huì)反向傳遞到驅(qū)動(dòng)端，但是串行連接的匹配電阻在接收器端實(shí)現(xiàn)了反射信號(hào)的終端匹配，因而不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)一步的信號(hào)反射，從而保證了傳輸線上信號(hào)的完整性。 圖 3 串聯(lián)終端匹配 阻抗匹配 ? 優(yōu)點(diǎn)：串行連接終端匹配技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是這種匹配技術(shù)僅僅為每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器加入了一個(gè)電阻元件，因此相對(duì)于其它類型的電阻匹配技術(shù)來(lái)說(shuō)匹配電阻的功耗是最小的，它沒(méi)有為驅(qū)動(dòng)器增加任何額外的直流負(fù)載，并且也不會(huì)在信號(hào)線與地之間引入額外的阻抗。 相對(duì)并聯(lián)匹配來(lái)說(shuō)，串聯(lián)匹配不要求信號(hào)驅(qū)動(dòng)器具有很大的電流驅(qū)動(dòng)能力。選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單，就是要求匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。 ? 缺點(diǎn)：理想的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗為零，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器總是有比較小的輸出阻抗，而且在信號(hào)的電平發(fā)生變化時(shí)，輸出阻抗可能不同。比如電源 電壓為＋ CMOS驅(qū)動(dòng)器，在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為37Ω，在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為 45Ω； TTL驅(qū)動(dòng)器和 CMOS驅(qū)動(dòng)一樣，其輸出阻抗會(huì)隨信號(hào)的電平大小變化而變化。因此，對(duì) TTL或 CMOS電路來(lái)說(shuō)，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。 阻抗匹配 ? 并聯(lián) 終端匹配 并聯(lián)終端匹配是最簡(jiǎn)單的阻抗匹配技術(shù) ,通過(guò)一個(gè)電阻 R將傳輸線的末端（可能是開(kāi)路，也可能是負(fù)載）接到地或者接到 VCC 上。電阻 R 的值必須同傳輸線的特征阻抗 Z0匹配，以消除信號(hào)的反射。如果 R 同傳輸線的特征阻抗 Z0 匹配，那么匹配電阻將吸收造成信號(hào)反射的能量，而不管匹配電壓的值。在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，返回通路上吸收的電流通常都大于電源上提供的電流。將終端匹配到 VCC 可以提高驅(qū)動(dòng)器的能力，而將終端匹配到地則可以提高地上的吸收能力。所以，對(duì)于 50%占空比的信號(hào)而言，將終端匹配到 VCC 要優(yōu)于將終端匹配到地。 圖 4 并聯(lián)終端匹配 阻抗匹配 ? 優(yōu)點(diǎn)：并聯(lián)終端匹配的優(yōu)勢(shì)是這種類型的終端匹配方式僅需要一個(gè)額外的元器件。 ? 缺點(diǎn)：這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于終端匹配電阻會(huì)帶來(lái)直流功耗，匹配電阻的值通常為 50Ω到 150Ω，所以在邏輯高和邏輯低狀態(tài)下都會(huì)有恒定的直流電流從驅(qū)動(dòng)器流入驅(qū)動(dòng)器的直流負(fù)載中。另外并聯(lián)終端匹配也會(huì)降低信號(hào)的高輸出電平。將 TTL 輸出終端匹配到地會(huì)降低 VOH 的電平值，從而降低接收器輸入端的抗噪聲能力。不適用與驅(qū)動(dòng)能力很小的 TTL或 CMOS電路。 阻抗匹配 ? 戴維南終端匹配技術(shù) 戴維南終端匹配技術(shù)也叫做雙終端匹配技術(shù)，它采用兩個(gè)電阻 R1 和R2 來(lái)實(shí)現(xiàn)終端匹配。根據(jù)戴維南終端匹配設(shè)計(jì)規(guī)則，戴維南電壓VTH=VR2 必須確保驅(qū)動(dòng)器的 IOH 和 IOL 電流在驅(qū)動(dòng)器的性能指標(biāo)范圍以內(nèi)。 R1 通過(guò)從 VCC 向負(fù)載注入電流來(lái)幫助驅(qū)動(dòng)器更容易到達(dá)邏輯高狀態(tài)；R2 幫助通過(guò)向地吸收電流來(lái)將驅(qū)動(dòng)器下拉到邏輯低狀態(tài)。當(dāng) R1 和 R2 的并聯(lián)同信號(hào)線的特征阻抗 Z0 匹配時(shí)可以加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器的扇出能力。 圖 5 戴維南終端匹配 阻抗匹配 ? 考慮到芯片的驅(qū)動(dòng)能力，兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則： ? 規(guī)則一： 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等； ? 規(guī)則一： 與電源連接的電阻值不能太小，以免信號(hào)為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大； ? 規(guī)則一： 與地連接的電阻值不能太小，以免信號(hào)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大。 ? 優(yōu)點(diǎn)：是簡(jiǎn)單易行；優(yōu)勢(shì)在于終端匹配電阻仍然是作為上拉電阻和下拉電阻來(lái)使用，它能夠有效地抑制信號(hào)過(guò)沖，使得信號(hào)的偏擺縮小，從而加強(qiáng)了系統(tǒng)的噪聲容限。戴維南終端匹配技術(shù)同樣通過(guò)向負(fù)載提供額外的電流也減輕了驅(qū)動(dòng)器的負(fù)擔(dān)，這部分額外的電流在大的信號(hào)擺動(dòng)電壓系統(tǒng)比如基于 5V和 CMOS和BiCMOS的系統(tǒng)中顯得尤為有益。 ? 缺點(diǎn)：是會(huì)帶來(lái)直流功耗：?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴呐c信號(hào)的占空比緊密相關(guān)？；雙電阻方式則無(wú)論信號(hào)是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對(duì)功耗要求高的系統(tǒng)。另外，單電阻方式由于驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題在一般的