高速通訊中阻抗匹配的研究
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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。例如我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)計(jì)中,很多采用的都是源段的串連匹配。對(duì)于什么情況下需要匹配,采用什么方式的匹配,為什么采用這種方式。
例如：差分的匹配多數(shù)采用終端的匹配;時(shí)鐘采用源段匹配;
1、 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)載端反射回來的信號(hào)發(fā)生再次反射.
串聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：
A 由于串聯(lián)匹配電阻的作用,驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳播時(shí)以其幅度的50％向負(fù)載端傳播;
B 信號(hào)在負(fù)載端的反射系數(shù)接近＋1,因此反射信號(hào)的幅度接近原始信號(hào)幅度的50％。
C 反射信號(hào)與源端傳播的信號(hào)疊加,使負(fù)載端接受到的信號(hào)與原始信號(hào)的幅度近似相同;
D 負(fù)載端反射信號(hào)向源端傳播,到達(dá)源端后被匹配電阻吸收;？
E 反射信號(hào)到達(dá)源端后,源端驅(qū)動(dòng)電流降為0,直到下一次信號(hào)傳輸。
相對(duì)并聯(lián)匹配來說,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。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＋4.5V的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[4];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電路來說,不可能有十分正確的匹配電阻,只能折中考慮。
鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號(hào)網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配,所有的負(fù)載必須接到傳輸線的末端。否則,接到傳輸線中間的負(fù)載接受到的波形就會(huì)象圖3.2.5中C點(diǎn)的電壓波形一樣?？梢钥闯?有一段時(shí)間負(fù)載端信號(hào)幅度為原始信號(hào)幅度的一半。顯然這時(shí)候信號(hào)處在不定邏輯狀態(tài),信號(hào)的噪聲容限很低。
串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小,不會(huì)給驅(qū)動(dòng)器帶來額外的直流負(fù)載,也不會(huì)在信號(hào)和地之間引入額外的阻抗;而且只需要一個(gè)電阻元件。
2、 并聯(lián)終端匹配
并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下,通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。實(shí)現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。
并聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：
A 驅(qū)動(dòng)信號(hào)近似以滿幅度沿傳輸線傳播;
B 所有的反射都被匹配電阻吸收;
C 負(fù)載端接受到的信號(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度近似相同。
在實(shí)際的電路系統(tǒng)中,芯片的輸入阻抗很高,因此對(duì)單電阻形式來說,負(fù)載端的并聯(lián)電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等。假定傳輸線的特征阻抗為50Ω,則R值為50Ω。如果信號(hào)的高電平為5V,則信號(hào)的靜態(tài)電流將達(dá)到100mA。由于典型的TTL或CMOS電路的驅(qū)動(dòng)能力很小,這種單電阻的并聯(lián)匹配方式很少出現(xiàn)在這些電路中。
雙電阻形式的并聯(lián)匹配,也被稱作戴維南終端匹配,要求的電流驅(qū)動(dòng)能力比單電阻形式小。這是因?yàn)閮呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配,每個(gè)電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]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：
⑴． 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等;
⑵． 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)電流過大;
⑶． 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)電流過大。
并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行;顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來直流功耗：?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)能力問題在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒有應(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。
當(dāng)然還有：AC終端匹配; 基于二極管的電壓鉗位等匹配方式。
二 .將訊號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花
2.1 數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號(hào)線（Signal Line）中,當(dāng)出現(xiàn)方波訊號(hào)的傳輸時(shí),可將之假想成為軟管（hose）送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱,另一端接在水龍頭。當(dāng)握管處所施壓的力道恰好,而讓水柱的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時(shí),則施與受兩者皆歡而順利完成使命,豈非一種得心應(yīng)手的小小成就？
2.2 然而一旦用力過度水注射程太遠(yuǎn),不但騰空越過目標(biāo)浪費(fèi)水資源,甚至還可能因強(qiáng)力水壓無處宣泄,以致往來源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折,而且還大捅紕漏滿臉豆花呢！
2.3 反之,當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者,則照樣得不到想要的結(jié)果。過猶不及皆非所欲,唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。
2.4 上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié),正可用以說明方波（Square Wave）訊號(hào)（Signal）在多層板傳輸線（Transmission Line,系由訊號(hào)線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成）中所進(jìn)行的快速傳送。此時(shí)可將傳輸線（常見者有同軸電纜Coaxial Cable,與微帶線Microstrip Line或帶線Strip Line等）看成軟管,而握管處所施加的壓力,就好比板面上“接受端”（Receiver）元件所并聯(lián)到Gnd的電阻器一般,可用以調(diào)節(jié)其終點(diǎn)的特性阻抗（Characteristic Impedance）,使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。
三. 傳輸線之終端控管技術(shù)（Termination）
3.1 由上可知當(dāng)“訊號(hào)”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn),欲進(jìn)入接受元件（如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作時(shí),則該訊號(hào)線本身所具備的“特性阻抗”,必須要與終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行,如此才不致任務(wù)失敗白忙一場(chǎng)。用術(shù)語說就是正確執(zhí)行指令,減少雜訊干擾,避免錯(cuò)誤動(dòng)作”。一旦彼此未能匹配時(shí),則必將會(huì)有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈,進(jìn)而形成反射雜訊（Noise）的煩惱。
3.2 當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗（Z0）被設(shè)計(jì)者訂定為28ohm時(shí),則終端控管的接地的電阻器（Zt）也必須是28ohm,如此才能協(xié)助傳輸線對(duì)Z0的保持,使整體得以穩(wěn)定在28 ohm的設(shè)計(jì)數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下,訊號(hào)的傳輸才會(huì)最具效率,其“訊號(hào)完整性”（Signal Integrity,為訊號(hào)品質(zhì)之專用術(shù)語）也才最好。
四.特性阻抗（Characteristic Impedance）
4.1 當(dāng)某訊號(hào)方波,在傳輸線組合體的訊號(hào)線中,以高準(zhǔn)位（High Level）的正壓訊號(hào)向前推進(jìn)時(shí),則距其最近的參考層（如接地層）中,理論上必有被該電場(chǎng)所感應(yīng)出來的負(fù)壓訊號(hào)伴隨前行（等于正壓訊號(hào)反向的回歸路徑Return Path）,如此將可完成整體性的回路（Loop）系統(tǒng)。該“訊號(hào)”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以凍結(jié),即可想象其所遭受到來自訊號(hào)線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值（Instantanious Impedance）,此即所謂的“特性阻抗”?！ ∈枪试摗疤匦宰杩埂睉?yīng)與訊號(hào)線之線寬（w）、線厚（t）、介質(zhì)厚度（h）與介質(zhì)常數(shù)（Dk）都扯上了關(guān)系。
4.2 阻抗匹配不良的后果 由于高頻訊號(hào)的“特性阻抗”（Z0）原詞甚長(zhǎng),故一般均簡(jiǎn)稱之為“阻抗”。讀者千萬要小心,此與低頻AC交流電（60Hz）其電線（并非傳輸線）中,所出現(xiàn)的阻抗值（Z）并不完全相同。數(shù)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都能管理妥善,而控制在某一范圍內(nèi)（
評(píng)論