高速电路中阻抗匹配与端接技术

高速电路中的阻抗匹配与端接技术

高速电路中的阻抗匹配与端接技术2012-07-19#############2012-07-

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李朝辉
()燕山大学信息科学与工程学院,秦皇岛066004
摘要:主要分析了高速电路中由阻抗不匹配引起的信号反射现象
,介绍了几种能减弱或消除
信号反射的端接技术,阐述了不同端接电路的构成和应用以及各自的优缺点。

关键词:反射;阻抗匹配;并行端接;串行端接

中图分类号 : TN 41文献标识码 : A( ) 文章编号 : 1002 - 2279 2007 03 - 0099 - 03 mI p e d a n c e M a tc h in g a nd Te rm in a tio n Te c h n iqu e in H ig h - Sp e e d C irc u it ( )College of Inform a tion S cience and Eng ineering, Yanshan U n iversity, Q

inhuangdao066004, Ch ina
Ab stra c t: The p ap e r ana lyzed the p henom enon tha t m ism atched imp edance w ill cau se signa ls to
reflect back and fo rth down the tran sm ission line in the h igh - sp eedc ircu it.

Seve ra l te rm ina tion
techn ique swh ich can effec tive ly elim ina te, o r a t lea st reduce the reflec tion s a re in troduced.The
struc tu re s, app lica tion s, advan tage s and d isadvantage s of the se techn ique s a re exp a tia ted suffic ien tly.

Keyword s: R eflec tion; Imp edance m a tch ing; Pa ra lle l te rm ination; Se ria l te rm ina tion
[1 ] 引起反方向传播的波形。1引言

电子技术日新月异,目前高速集成电路的信号
切换时间已经达到几百ps, 时钟频率也达到几百
)(MH z,如此高的边沿速率导致PCB印刷电路板上
的大量互连线由理想的导线变为复杂的传输线。如

反射 ,从而产生过冲、下冲、振铃等信号完整性问题。 果在 PCB 上有阻抗不匹配的地方就会产生信号的

负载端阻抗与传输线特征阻抗不匹配会在负载
可以减小或者消除高速电路中的这些传输线效应。()()端B点反射回一部分信号回源端A点,反射电
ρ压信号的幅值由系数决定,L

R- Z L 0 ( )ρ=1 LR + Z 2 信号反射的形成L 0
ρ其中称为负载电压反射系数, 它实际上是反 L我们可以建立图 1
所示的理想传输线模型,其 ( ) ρ 1 可见, - 1 ΦΦ 射电压与入射电压之比。由式L 中传输线上的特征阻抗为Z, 数字信号驱动源 V0S ρ + 1。当负载端开路时 ,R = ?, = 1, 信号被完全L L 的内阻为R,负载阻抗为 R。当R= Z= R时 , S L S 0 L

反射,极性与入射波相同。当负载端短路时,R = 0,
从源端到负载端的阻抗是连续的,不会发生反射,因L为传输线上没有直流消耗

,所以信号的能量一般消ρ= - 1, 信号也被完全反射,但是极性与入射波相L耗在R上,另一半消耗在R上。如果R>Z,那SL L 0 反。当R=Z,
即负载与传输线的特征阻抗相匹配L0 么负载端多余的能量就会反射回源端,由于负载端时,不会发生反射。没有吸收全部的能量,故这种情况称为欠阻尼。如当信号从负载端反射回源端时,又将再次反射果R<Z,
则负载试图消耗比当前源端提供的能量L0 回负载端,形成二次反射,
此时反射电压的幅值由源
ρ端反射系数决定,见下式:S

更多的能量 ,然后通过反射来通知源端输送更多的 R- Z S 0ρ()=2 S 2012-07-19#############2012-07-19######2#0#12-07-19########R+ Z 能量

,传输线上没有反射信号T0
由以上分析可知,在高速数字系统中,传输线上存在
。驱动端和负载端之间电路的戴维宁等效电路阻抗不匹配会引起信号反射,根据传输线的特征阻如图2所示,诺顿等效电路如图3所示。

抗在信号的发射端或接收端进行终端阻抗匹配,从

而使源端反射系数或者负载反射系数为零 ,这样可以减小或消除信号的反射。

通常所采用的端接方式有两种,一种是使负载
阻抗与传输线阻抗匹配,即并行端接;另一种是使源
阻抗与传输线阻抗匹配,即串行端接。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图2主动并行端接的戴维宁等效电路载端消除反射,这样可以减少噪声、电磁干扰以及射

频干扰。下面介绍这两种主要的端接技术及其优缺

点。 3. 1 并行端接并行端接主要是在尽量靠近负载端的位置加上 主动并行端接的诺顿等效电路 3. 1. 1 简单的并行端接其中 , V 为入射电压 ,

I为入射电流,V 为反射ii r 这种方式是简单地在负载端加入一下拉到地电压,I为反射电流,I为R上通过的电流。由图2r l T ( ) 的电阻RR= Z来实现匹配,以消除信号的反TT 0 可得:射。采用这种端接的条件是驱动端必须能够提供输出高电平时的驱动电流,以保证通过端接电阻的高()V + V = V+ IR3 i r T l T电平能满足门限电压的要求。在数字电路系统中,由图3可得
:返回通路上的电流通常都大于系统中供电电源提供
()的电流,终端匹配到地可以提高电流的吸收能力。I-I- V/R= I 4 i r T T l简单的并行端接的优点是设计和应用简单易即V/ Z- V / Z- V/R= I,于是有:i0 r

0 T T l 行 ,只需要增加一个元件 , 是最简单的并行端接技 Z 0 ( )术 。其缺点是匹配电阻 R会有直流功率消耗 , 在 5 V - V = ×V+ IZT i r T l 0R T Ω

输出为高电平状态时,对于50的端接电阻,维持R- Z T 0TTL
高电平时消耗电流高达48mA,这是因为驱动器()( )×V , 可以看由式3和式5可得V= i r R+ Z 的最小高电平输出V=2. 4V ,因此一般器件很T0() OH m in
难可靠的支持这种端接电路。另外这种端接技术也到反射电压的幅值V只与入射电压V有关,与偏ri 会使信号的逻辑高输出电平下降。将TTL输出终移电压V无关,且当R=Z时,V = 0, 即传输线上TT 0 r 端匹配到地会降低VOH的电平值,从而降低了负载没有反射信号存在。输入端的噪声容限。3.1. 3 戴维宁并行端接3.1. 2 主动并行端接如图4所示,戴维宁端接即分压器型端接,采用上拉电阻R和下拉电阻R来构成端接电阻,R和12 1
R的并联与Z相匹配。R的作用是帮助驱动器更20 1

加容易到达逻辑高状态 ,这就需要通过 V向负载注 cc ( ) 在这种端接方式中 , 匹配电阻 RR= Z将 T T 0 入电流来实现。

R向地释放电流来实现。TT 2
汲、灌电流能力的电源,用来满足驱动器输出电因为R和R的并联与

Z相匹配,所以有:12 0
压跳变的要求。如果偏移电压V为正电压,负载RRT1 2 ( )6 Z= 0 R+ R 端输入为逻辑低电平时有直流功率损耗;如果偏移12
由于R和R的分压作用,有:电压V为负电压,负载端输入为逻辑高电平时有12

T
VR直流功率损耗。这种方式的优点在于能够提高驱动TH2 ( )7 = R + R V

器的驱动能力 ,缺点是端接时除了一个电阻外 ,还需

Z×V为接收器的分布电容,C为传输线上单位长度的电0CC0 ( )( ), R= Z×由式6和式7可得,R= 2 0 1 V容值。电容C的值也可以由下式确定,C = TH V CC tPD [ 2 ] 。其中V是未知的,它的值可以按下面的TH,其中Z为驱动器的输出阻抗。S- VV THCC Z 0 | Zln | 0 原则来确定。因为给负载注入电流比吸收多余的电Z- Z0

S
流更加重要,所以确定V的值选择在驱动器输出TH
这种端接方式的优点是电容有阻低频、通高频高电平时,条件是在最小高电平输出V时有最()OH m in的作用,因此电阻R驱动器的直流负载,没有直流T
大的输出电流I,因此有图5所示的等效电路,() OH m ax损耗
。恰当地选取电容值可确保负载端波形接近理

想方波 ,而信号的过冲和下冲又都很小。缺点在于其中 Z为驱动器的输出阻抗。可以得到下式 : S 电容的状态与前一时间信号的数据类型有关 ,所以

数据会出现时间上的抖动。由于这种方式的效果与
传输线的长度有关,当传输线上分布多个驱动器时
会降低匹配的效果。另外这种方式不能用于电流模
式的驱动器。

3. 1. 5 二极管并行端接在某些情况下可以使用肖
特基二极管进行传输

线的端接,条件是二极管的开关速度至少比信号上升时间快4倍以上。在线路阻抗不好确定的情况图4戴维宁并行端接下,使用二极管端接既方便又省时,如果在系统调试

时发现振铃问题,也可以很容易的加入二极管来减

小。

( 肖特基二极管的低正向电压降 V0. 3V ,0. 45f )V 将输入信号钳位到 - V到 V+ V之间 ,这样就 f CC f 显著地减小了信号的过冲和下冲。但是 ,因为反射 源层或地层中去 ,所以传输线上会存在多重反射 ,只

是由于二极管和传输线上的能量损耗,而这些反射图5计算
V的戴维宁等效电路TH信号的幅度非常有限,因此就保证了信号的完整性。V-V ()O H m inTH二极管端接的优点在于它不需要传输线的阻抗()8 = I ()O H m axZ+ Z S 0匹配,也不会受到传输线特征阻抗变化的影响,而且

() 所以有VZ+Z, 其中-= VI THS 0 O H (m in) O H (m ax)二极管可以放在传输线上任何可能发生反射的地
V和I的值可以在驱动器的说明手册中OH(m in) OH (m ax) 方

。缺点在于二极管的开关速度很难做到很快 ,因 查到。此对于速度较高的系统不适用。此外 ,这种方法还

戴维宁端接的优点是提高了系统的噪声容限,会引起EMI问题
,当二极管钳位一个大的脉冲电流降低了对源端器件驱动能力的要求,能很好的解决时,这种电流可以传播到地平面中,因而增加EMI。过冲问题。缺点在于匹配电阻R和R上一直有一12 3. 2 串行端接个常量的直流电流存在,因此直流功耗比较大。

不同于以上介绍的并行端接技术,串行端接是3.1. 4 AC并行端接
信号源端的端接技术,它是在驱动器和源端之间加AC并行端接也称为RC并行端接,它使用电阻
入一个电阻R。驱动器的输出阻抗Z与电阻RTS T和电容网络作为端接阻抗。电阻R的值要与传输T的串联必须与传输线的特征阻抗Z相匹配,即R0 T线的特征阻抗相匹配,而电容值的选择比较复杂,电

= Z- Z。这种方式通过使源端的反射系数为零来 0 S 容值太小会导致 RC时间常数过小 ,这样 RC电路就

射,所以只有在两倍于信号在传输线上的传输延时过冲与下冲,一般电容值须大于100pF, 另一方面,
后,才能在驱动端看到变化后完整的信号幅度。

较大的电容会带来更大的功率消耗。一般情况下,
()下转第104页τ要确保RC时间常数大于传输线延时的两倍,即=RC > 2 t 1 + C / C ,其中t为传输线的延时,C
pe ra tu re. d ll中,可以供VC, VB , D e lp h i等高级语言
,曲线显示便于操作员了解温度的变化趋势和比据

直接调用,使用方便,而且能够为不同的项目所共
较多个测点的同期温度变化情况。单点查询的曲线用,实现了代码的重用。显示结果如图5所示。

3.2 数据监控模块

块发出查询温度指令 ,然后读取指令模块返回的温 数据监控模块根据用户的设定 ,定时向指令模

的温度值,然后把温度数据发送给数据处理模块和
数据显示模块。

3. 3 数据处理模块
数据分为实时数据和历史数据两部分。对于
()实时数据监控模块即时传来的数据,该
模块将对测点的温度与该测点的设定值进行比较,
如果温度正常则不做任何处理,否则根据比较结果图 4温度监测系统的显示界面做出相应的报警,同时把故障数据存入数据库。报

警具有语音报警和画面显示报警两种形式。对于
()历史数据库数据库中的数据,该模块提
供历史数据分析、趋势分析功能。根据长期的历史
温度数据的分析,能够显示电缆接头的负荷情况,给
出负载对电缆头温度的影响,并对未来一段时间内
电缆温度的变化趋势进行预测,修正测点温度的设定值。图5