阻抗匹配與差分線設(shè)計(jì)-wenkub
2023-01-28 08:06:08 本頁(yè)面
【正文】 壓上。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。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。另外，單電阻方式由于驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題在一般的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。 ? 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。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?xún)?nèi)。另外并聯(lián)終端匹配也會(huì)降低信號(hào)的高輸出電平。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。 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。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。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。下面介紹幾種常見(jiàn)匹配方式。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。 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)。?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。差分模式傳輸線實(shí)際應(yīng)用中，必須具體分析。 ? 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。 ?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。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。 ? 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。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。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。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。 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)。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。 阻抗匹配 ? AC 終端匹配技術(shù) AC 終端匹配技術(shù)也稱(chēng)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。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。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。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。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(kāi)關(guān)頻率上的響應(yīng)。 ?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。 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(chēng)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。 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)。 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。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。圖中差分對(duì)末端有端接，并且差分對(duì)之間沒(méi)有耦合。當(dāng)信號(hào)線 1與其返回路徑的一些邊緣區(qū)域被相鄰信號(hào)線干擾時(shí)， C11將減小， C12會(huì)增加。 圖 11 CL, C11與 C12隨兩線的邊緣舉例的變化 差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 當(dāng)把兩信號(hào)線靠近時(shí)， L11和 L12都將發(fā)生改變。但是，即使在間距更緊密的情況下，間距等于線寬，最大的相對(duì)耦合度 (即 C12/C11或 L12/L11)仍小于 15%。 圖 13 間距變化時(shí)相對(duì)互容和相對(duì)互感的變化 差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 當(dāng)兩傳輸線相隔較遠(yuǎn)時(shí)，線 1的特性阻抗完全與另一條線無(wú)關(guān)。 那么線 1的阻抗將取決于負(fù)載電容。同時(shí)，因?yàn)閮删€之間的電壓變化 dV12/dt，同樣有電流從線 1流向線 2。 1 1 1 2o n e R 1 1 o n e 1 2 o n e o n e L 1 21 1 1 2dd 2 ( )dd??? ? ? ? ? ? ??????VVI V T C V C V V C CCC tt差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 3） 假設(shè)給第二條信號(hào)線加上與第一條信號(hào)線相同的信號(hào)，由于兩條信號(hào)線之間不存在電壓差，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，只有電容 C11存在，這就意味著要驅(qū)動(dòng)的電容減小了。如果信號(hào)線 2加相同電壓，則阻抗值會(huì)升高。差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)在這兩條信號(hào)線上驅(qū)動(dòng)兩個(gè)相反的信號(hào)。對(duì)帶狀線來(lái)說(shuō)，相比于間距等于 3倍線寬的無(wú)耦合情況，在可制造的最小間距 (如間距等于線寬 )下，存在耦合時(shí)的差分阻抗也僅僅減小約 12%。任何改變電流分布的因素都將會(huì)改變差分對(duì)的差分阻抗。 差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 ? 邊緣耦合的微帶線 若邊緣耦合微帶線的兩線間距達(dá)到可制造的最小值，通常這個(gè)典型值為線寬，則兩線的耦合度最大。此時(shí)，返回路徑平面的存在將不會(huì)再影響差分阻抗
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