高速信号端接技术 zz

chuanshaoke 2010-03-26

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高速信号端接技术

yunyingch 发表于 2010-3-1 16:46:00

高速信号:通常我们定义，一个信号边沿的上升时间如果小于等于4~6 倍的信号传输延时，则认为该信号是高速信号，对该信号的分析要引入传输线理论，而该信号的设计也要考虑信号完整性问题。如对于一个10MHz 的信号，假设其边沿的上升时间为1ns，而常见的FR- 4 基材的PCB 的表层走线的传输速度为180ps/inch。可以推算，如果该信号从源端到宿端的走线长度超过了28000mil，就必须作为高速信号对待了。

阻抗不匹配可能带来的问题

阻抗不匹配可能引起很多信号质量问题，最常见的包括过冲、振荡、台阶、回沟等。这些信号质量问题可能会给电路的可靠工作埋下隐患甚至导致系统完全失效。
（1）过冲
    过冲多是由于驱动太强或匹配不足而导致，过冲的幅度如果超过了芯片允许的最大输入电压，则会对芯片造成损伤，导致器件寿命大大降低。
（2）振荡
    振荡多是由于传输线上电感量太大或阻抗不匹配而引起多次反射造成的。如果振荡的幅度太大同样会对器件寿命造成损伤，同时，振荡会使系统的EMC 性能劣化。另外，如果振荡的幅度超过了信号的判决电平，则会造成错误判决。
（3）台阶
    产生台阶的可能原因是匹配电阻过大，台阶如果出现在阈值电平附近可能会导致错误判决。
（4）回沟
    产生回沟的原因可能是匹配电阻过大或串扰。回沟也会导致错误判决，而且，如果时钟信号在阈值电平附近出现回沟，则可能导致时序电路两次触发。

阻抗匹配端接策略
（1）使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即并行端接；
（2）使源阻抗与传输线阻抗匹配，即串行端接。
如果负载反射系数或源反射系数二者任一为零，反射将被消除.一般应采用并行端接,因其是在信号能量反射回源端之前在负载端消除反射,这样可以减少噪声、电磁干扰以及射频干扰。但是串行端接比较简单，应用也很广泛。

并行端接
并行端接主要是在尽量靠近负载端的位置加上拉或下拉阻抗以实现终端的阻抗匹配，根据不同的应用环境，并行端接又可分为以下几种类型：
① 简单的并行端接
② 戴维宁（Thevenin）并行端接
③ 主动并行端接
④ 并行AC 端接
⑤ 二极管并行端接

串行端接
串行端接是通过在尽量靠近源端的位置串行插入一个电阻（典型阻值10Ω到75Ω）到传输线中来实现的。串行端接是匹配信号源的阻抗，所插入的串行电阻阻值加上驱动源的输出阻抗应大于等于传输线阻抗（轻微过阻尼）。这种策略通过使源端反射系数为零从而抑制从负载反射回来的信号（负载端输入高阻，不吸收能量）再从源端反射回负载端。

高速信号端接技术

yunyingch 发表于 2010-3-1 16:46:00

阻抗不匹配可能带来的问题

阻抗匹配消除反射的端接方案

(2008-06-09 09:49:45)

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杂谈

阻抗匹配一般有5种方法。

1. 源端串联匹配。

2.终端并联匹配

3.戴维南匹配

4.RC网络匹配

5.二极管匹配

源端串联匹配。一般在源端使用，R=Z0（传输线的特性阻抗）-R0(源阻抗）
1. 优点：降低过冲，增强信号完整性。产生更小EMI
2. 缺点：当TTL,CMOS器件出现在相同网络时，串联匹配不是最佳选择。
3. 当一点对多点时此方法不宜使用，因为在走线路径的中间电压只有源端的一半。
终端并联匹配：此电阻值必须等于传输线所要求的电阻值。电阻的一端接信号，一端接地。简单的终端并联匹配一般不用于TTL,COMS电路，因为他们无法提供强大的输出电流。
1. 优点：可用于一点对多点的分布负载，并且完全吸收传输波以消除反射。当分布负载用于走线路径终端时，并联短接匹配对总线非常合适。
2. 缺点：额外增加电路功耗，降低噪声融限。在移动手持设备中很少使用。
戴维南网络匹配：一个电阻上拉，一个电阻下拉。通常采用 220/330,戴维南等效阻抗必须等于走线的特性阻抗。对于大多数设计R1>R2,否则TTL/COMS电路将无法工作。
1. 优点：完全吸收发送波，消除反射。
2. 缺点：增加功耗，降低融限。
RC网络匹配：电阻与电容相连，电阻另一端接信号，电容另一端接地。电阻应等于走线特性阻抗。对差分信号只需三个原件，两个电阻一个电容。
1. 优点：可在分布负载中应用，完全吸收传输波，消除反射，有很低的直流功率损耗
2. 缺点：使得告诉信号的速率变低，另外RC的时间常数会导致电路中存在反射。因此对高频，快速上升的信号应该多加考虑。
二极管网络：一般很少采用。这里不再多说。

在高速电路设计中，传输线上的信号传输与布线长度、传输介质特性、信号工作频率及驱动电流有关，这些参数直接影响着传输线的阻抗。减小和消除反射的方法是根据传输线的特性阻抗在其发送端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使源反射系数或负载反射系数为零。

　　传输线的端接通常采用以下两种策略：

　　(1).使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即RL＝zo。通常传输线的阻抗(几十欧姆)要远远小于器件的输入阻抗(几万欧姆)，因此如果要使接收端的输入阻抗等于传输线阻抗，只能采用负载端的并行端接。

　　(2).使源阻抗与传输线阻抗匹配，即Rs＝Zo。为了能够提供大的驱动能力，源端即驱动端的输出阻抗通常都比较小(十几欧姆)，一般会小于传输线阻抗。因此要使源端的阻抗与传输线阻抗相等，只能采用串行端接。

　　也就是说，如果负载反射系数或源反射系数二者任一为零，都将消除反射。从系统设计的角度来看，应首先选择并行端接方案，因为这种方案在信号能量反射回源端之前已经在负载端消除了反射，即使PL＝0。由于消除了第1次反射，所以可以减小噪声、电磁干扰(EMI)及射频干扰(RFI)。而串行端接技术则是在源端消除由负载端反射回来的信号，即使PL＝0和PL＝1(负载端不加任何匹配)，消除了二次反射。在发生电平转移时，源端会出现持续时间为2Td(Td为信号源端到终端的传输延时)的半波波形。不过由于串行端接技术实现起来简单方便，所以在许多应用中也被广泛使用。两种端接策略各有优缺点，以下简要介绍这两类端接方案。