阻抗匹配與差分線設(shè)計(jì)

1、l阻抗匹配阻抗匹配l差分線設(shè)計(jì)差分線設(shè)計(jì)差分線的基本概念差分線的基本概念差分差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案信號(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)阻抗匹配與差分線設(shè)計(jì)阻抗匹配阻抗匹配l阻抗的定義阻抗的定義傳輸線的特性阻抗是微分線段的特性阻抗。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)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。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：一個(gè)傳輸線的微分線段可以用

2、等效電路描述如下：圖圖1 傳輸線阻抗等效電路傳輸線阻抗等效電路阻抗匹配阻抗匹配 傳輸線的等效電路是由無(wú)數(shù)個(gè)微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)。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)用在內(nèi)。差分模式傳輸線實(shí)際應(yīng)用中，必須具體分析。中，必須具體分析。圖圖2 阻抗計(jì)算阻抗計(jì)算阻抗匹配阻抗匹配l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

3、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。l阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果？阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果？l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。如果是電路板上的率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)?/p>

4、損壞發(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。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。l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)，傳輸線可以看成是成是“短線短線”，反射可以不考慮。，反射可以不考慮。阻抗匹配阻抗匹配l阻抗匹配方式阻抗匹配方式l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。阻抗匹配的技在高速的設(shè)計(jì)中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)

5、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。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)終端匹配串聯(lián)終端匹配并聯(lián)終端匹配并聯(lián)終端匹配戴維南終端匹配戴維南終端匹配AC 終端匹配終端匹配肖特基二極管終端匹配技術(shù)肖特基二極管終端匹配技術(shù)阻抗匹配阻抗匹配l串聯(lián)終端匹配串聯(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

6、端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻件下，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，使源端的輸出阻抗與傳輸線 的特征阻抗的特征阻抗相匹配，抑制從負(fù)載端反射回來(lái)的信號(hào)發(fā)生再次反射。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，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

7、收器的輸出阻抗更高，這會(huì)導(dǎo)致大約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(chēng)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)同樣幅度值信號(hào)的反射，這稱(chēng)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

8、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。完整性。圖圖3 串聯(lián)終端匹配串聯(lián)終端匹配阻抗匹配阻抗匹配l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(lèi)型的電阻匹配技術(shù)來(lái)說(shuō)匹配電阻加入了一個(gè)電阻元件，因此相對(duì)于其它類(lèi)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)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

9、會(huì)在信號(hào)線與地之間引入額外的阻抗。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)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。驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。l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。比較小的輸出阻抗，而且

10、在信號(hào)的電平發(fā)生變化時(shí)，輸出阻抗可能不同。比如電源如電源 電壓為電壓為4.5V的的CMOS驅(qū)動(dòng)器，在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為驅(qū)動(dòng)器，在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為37，在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為，在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為45；TTL驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器和CMOS驅(qū)動(dòng)一樣，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)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或或CMOS電路電路來(lái)說(shuō)，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。來(lái)說(shuō)，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。阻抗匹配阻抗匹配l并聯(lián)并聯(lián)終端匹配終端匹配并聯(lián)終端匹配是最簡(jiǎn)單的阻抗匹配技術(shù)并聯(lián)終端匹配是最簡(jiǎn)單的阻抗匹配技

11、術(shù), ,通過(guò)一個(gè)電阻通過(guò)一個(gè)電阻R R將傳輸線的將傳輸線的末端（可能是開(kāi)路，也可能是負(fù)載）接到地或者接到末端（可能是開(kāi)路，也可能是負(fù)載）接到地或者接到VCC VCC 上。電阻上。電阻R R 的值的值必須同傳輸線的特征阻抗必須同傳輸線的特征阻抗Z0Z0匹配，以消除信號(hào)的反射。如果匹配，以消除信號(hào)的反射。如果R R 同傳輸線的同傳輸線的特征阻抗特征阻抗Z0 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

12、供的電流。將終端匹配到源上提供的電流。將終端匹配到VCC VCC 可以提高驅(qū)動(dòng)器的能力，而將終端匹可以提高驅(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)于配到地則可以提高地上的吸收能力。所以，對(duì)于50%50%占空比的信號(hào)而言，占空比的信號(hào)而言，將終端匹配到將終端匹配到VCC VCC 要優(yōu)于將終端匹配到地。要優(yōu)于將終端匹配到地。圖圖4 并聯(lián)終端匹配并聯(lián)終端匹配阻抗匹配阻抗匹配l優(yōu)點(diǎn)：并聯(lián)終端匹配的優(yōu)勢(shì)是這種類(lèi)型的終端匹配方式僅需要一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)：并聯(lián)終端匹配的優(yōu)勢(shì)是這種類(lèi)型的終端匹配方式僅需要一個(gè)額外的元器件。元器件。l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

13、阻的值缺點(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通常為50到到150，所以在邏輯高和邏輯低狀態(tài)下都會(huì)有恒定的直流電，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。將高輸出電平。將TTL 輸出終端匹配到地會(huì)降低輸出終端匹配到地會(huì)降低VOH 的電平值，從而降低的電平值，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或或CMOS電路。電路。阻抗匹配阻抗匹配l戴維南終端匹配技

14、術(shù)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)器的必須確保驅(qū)動(dòng)器的IOH 和和IOL 電流在驅(qū)動(dòng)器的性能指標(biāo)范圍以電流在驅(qū)動(dòng)器的性能指標(biāo)范圍以內(nèi)。內(nèi)。R1 通過(guò)從通過(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)；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)幫助通過(guò)向地吸收電流來(lái)將驅(qū)動(dòng)器下拉到邏

15、輯低狀態(tài)。當(dāng)R1 和和R2 的的并聯(lián)同信號(hào)線的特征阻抗并聯(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。匹配時(shí)可以加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器的扇出能力。圖圖5 戴維南終端匹配戴維南終端匹配阻抗匹配阻抗匹配l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：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。 l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)使優(yōu)點(diǎn)：是簡(jiǎn)單易行；優(yōu)勢(shì)在于終

16、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)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和和3.3V的的CMOS和和BiCMOS的系統(tǒng)中顯得尤為有益。的系統(tǒng)中顯得尤為有益。l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)？；缺點(diǎn)：是會(huì)帶來(lái)直流

17、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TTL、CMOS系統(tǒng)中沒(méi)有應(yīng)用，而雙電阻方式系統(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)需要兩個(gè)元件，這就對(duì)PCB的板面的板面積提出了要求，因此不適合用于高密度印刷電路板。積提出了要求，因此不適合用于高密度印刷電路板。阻抗匹配阻抗匹配lAC 終端匹配技術(shù)終端匹配技術(shù)

18、 AC 終端匹配技術(shù)也稱(chēng)之為終端匹配技術(shù)也稱(chēng)之為RC終端匹配技術(shù)，它是由一個(gè)電阻終端匹配技術(shù)，它是由一個(gè)電阻R 和一個(gè)電和一個(gè)電容容C 組成的，電阻組成的，電阻R 和電容和電容C 連接在傳輸線的負(fù)載一端。對(duì)于連接在傳輸線的負(fù)載一端。對(duì)于AC 終端匹配來(lái)說(shuō)，終端匹配來(lái)說(shuō)，電阻電阻R 的值必須同傳輸線的特征阻抗的值必須同傳輸線的特征阻抗Z0 的值匹配才能消除信號(hào)的反射，而電容的的值匹配才能消除信號(hào)的反射，而電容的值的挑選卻十分復(fù)雜。這是因?yàn)殡娙葜递^小的話會(huì)導(dǎo)致值的挑選卻十分復(fù)雜。這是因?yàn)殡娙葜递^小的話會(huì)導(dǎo)致RC 時(shí)間常數(shù)過(guò)小，這樣時(shí)間常數(shù)過(guò)小，這樣一來(lái)該一來(lái)該RC 電路就類(lèi)型于一個(gè)尖銳信號(hào)沿發(fā)生器

19、，從而引起信號(hào)的過(guò)沖與下沖；電路就類(lèi)型于一個(gè)尖銳信號(hào)沿發(fā)生器，從而引起信號(hào)的過(guò)沖與下沖；反之，較大的電容值會(huì)引入更大的功耗。信號(hào)的頻率、信號(hào)占空比、以及過(guò)去的反之，較大的電容值會(huì)引入更大的功耗。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。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。通常情況下，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。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。圖圖6 AC終端匹配終端匹配阻抗匹配阻抗匹配l優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：AC AC 終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于終端匹配電容阻斷了

20、直流通路，因此終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于終端匹配電容阻斷了直流通路，因此節(jié)省了可觀的功率消耗，同時(shí)恰當(dāng)?shù)剡x取匹配電容的值，可以確保負(fù)載端節(jié)省了可觀的功率消耗，同時(shí)恰當(dāng)?shù)剡x取匹配電容的值，可以確保負(fù)載端的信號(hào)波形接近理想的方波，同時(shí)信號(hào)的過(guò)沖與下沖又都很小。的信號(hào)波形接近理想的方波，同時(shí)信號(hào)的過(guò)沖與下沖又都很小。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：AC AC 終端匹配技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是信號(hào)線上的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)時(shí)間上的終端匹配技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是信號(hào)線上的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)時(shí)間上的抖動(dòng)，這取決于在此之前的數(shù)據(jù)模式。舉例來(lái)說(shuō)，一長(zhǎng)串比較接近的數(shù)據(jù)抖動(dòng)，這取決于在此之前的數(shù)據(jù)模式。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

21、驅(qū)動(dòng)器的最高輸出電平的值，如果緊接位會(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)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。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)間跨越邏輯閾值電平。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?？紤]在內(nèi)以確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作。阻抗匹配阻抗匹配l肖特基二極管終端匹配技術(shù)肖特基二極管終端匹配技術(shù)肖特基二極管終端匹配技術(shù)也稱(chēng)之為二極管終端匹配技術(shù)，由兩個(gè)肖特基二肖特基二極管終端匹配技術(shù)也稱(chēng)之為二極管

22、終端匹配技術(shù)，由兩個(gè)肖特基二極管組成。傳輸線末端的信號(hào)反射，導(dǎo)致負(fù)載輸入端上的電壓升高超過(guò)極管組成。傳輸線末端的信號(hào)反射，導(dǎo)致負(fù)載輸入端上的電壓升高超過(guò)VCC 和二和二極管極管D1 的正向偏值電壓，使得該二極管正向?qū)ㄟB接到的正向偏值電壓，使得該二極管正向?qū)ㄟB接到VCC 上，從而將信號(hào)的上，從而將信號(hào)的過(guò)沖嵌位在過(guò)沖嵌位在VCC 和二極管的閾值電壓的和上。同樣，連接到地上的二極管和二極管的閾值電壓的和上。同樣，連接到地上的二極管D2 也也可以將信號(hào)的下沖限制在二極管的正向偏置電壓上。因?yàn)槎O管不會(huì)吸收任何的可以將信號(hào)的下沖限制在二極管的正向偏置電壓上。因?yàn)槎O管不會(huì)吸收任何的能量，僅僅只是將

23、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。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。由于能量會(huì)通過(guò)二極管到電源和二極管到地的消耗，信號(hào)的反射會(huì)逐漸衰減，能由于能量會(huì)通過(guò)二極管到電源和二極管到地的消耗，信號(hào)的反射會(huì)逐漸衰減，能量的損耗限制了信號(hào)反射的幅度，以維持信號(hào)的完整性。量的損耗限制了信號(hào)反射的幅度，以維持信號(hào)的完整性。圖圖7 肖特基二極管終端匹配肖特基二極管終端匹配阻抗匹配阻抗匹配l二極管器件作為終端匹配元件時(shí)對(duì)于信號(hào)的性能具有很重要的作用。較高二極管器件作為終端匹配元件時(shí)對(duì)于信號(hào)的性能具有很重要的作用。較高的開(kāi)啟時(shí)間的開(kāi)啟時(shí)間TON 會(huì)導(dǎo)致信號(hào)下沖

24、；較高的正向偏值電壓會(huì)導(dǎo)致信號(hào)下沖；較高的正向偏值電壓VF會(huì)產(chǎn)生時(shí)間上會(huì)產(chǎn)生時(shí)間上的抖動(dòng)；較高的反向恢復(fù)時(shí)間的抖動(dòng)；較高的反向恢復(fù)時(shí)間TRR 會(huì)提升信號(hào)的上升時(shí)間會(huì)提升信號(hào)的上升時(shí)間TR。同時(shí)多次。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)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)。所以要想發(fā)揮二極管終端匹配技術(shù)的這種優(yōu)勢(shì)可以采用具頻率上的響應(yīng)。所以要想發(fā)揮二極管終端匹配技術(shù)的這種優(yōu)勢(shì)可以采用具有較小的有較小的TON、VF 和和TRR 的二極管作為終端匹配元件來(lái)保持信號(hào)的完整的二極管作為終端匹配元件來(lái)保持信號(hào)的完整性。而肖特基二極

25、管具備以上的特征。性。而肖特基二極管具備以上的特征。差分線的基本概念差分線的基本概念 差分信號(hào)傳輸差分信號(hào)傳輸 與單端信號(hào)傳輸相比有如下優(yōu)點(diǎn)：與單端信號(hào)傳輸相比有如下優(yōu)點(diǎn)： 輸出驅(qū)動(dòng)總的輸出驅(qū)動(dòng)總的 會(huì)比單端信號(hào)線上的大幅降低，從而減少了軌會(huì)比單端信號(hào)線上的大幅降低，從而減少了軌道塌陷和潛在的電磁干擾道塌陷和潛在的電磁干擾(EMI) 與單端放大器相比，接收器中的差分放大器有著更高的增益與單端放大器相比，接收器中的差分放大器有著更高的增益 差分信號(hào)在一對(duì)緊耦合差分對(duì)中傳播時(shí)，在返回路徑中對(duì)付串差分信號(hào)在一對(duì)緊耦合差分對(duì)中傳播時(shí)，在返回路徑中對(duì)付串?dāng)_和突變的魯棒性更好擾和突變的魯棒性更好 因?yàn)槊總€(gè)

26、信號(hào)都有自己的回路，所以差分信號(hào)通過(guò)接插件或封因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)都有自己的回路，所以差分信號(hào)通過(guò)接插件或封裝時(shí)，不易受到開(kāi)關(guān)噪聲的干擾裝時(shí)，不易受到開(kāi)關(guān)噪聲的干擾 使用價(jià)格低廉的雙絞線即可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離差分信號(hào)的傳輸使用價(jià)格低廉的雙絞線即可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離差分信號(hào)的傳輸差分線的基本概念差分線的基本概念l 差分和共模差分和共模差分信號(hào)差分信號(hào)Vdiff Vdiff定義為：定義為： 其中，其中，V1、V2分別是信號(hào)線分別是信號(hào)線1和信號(hào)線和信號(hào)線2相對(duì)于共用返回路徑的信相對(duì)于共用返回路徑的信號(hào)電壓。號(hào)電壓。共模信號(hào)共模信號(hào)Vcomm Vcomm定義為：定義為： 即共模信號(hào)用兩條信號(hào)線上平均電壓表示。其中，即共

27、模信號(hào)用兩條信號(hào)線上平均電壓表示。其中，V1、V2分別是分別是信號(hào)線信號(hào)線1和信號(hào)線和信號(hào)線2相對(duì)于共用返回路徑的信號(hào)電壓。相對(duì)于共用返回路徑的信號(hào)電壓。diff12VVVcom m121()2VVV差分線的基本概念差分線的基本概念l差分對(duì)和差分阻抗差分對(duì)和差分阻抗 差分對(duì)差分對(duì)差分對(duì)是指一對(duì)存在耦合的傳輸線，每條線都可以用簡(jiǎn)單的單端差分對(duì)是指一對(duì)存在耦合的傳輸線，每條線都可以用簡(jiǎn)單的單端傳輸線。這兩條線組合在一起就稱(chēng)為傳輸線。這兩條線組合在一起就稱(chēng)為“一個(gè)差分對(duì)一個(gè)差分對(duì)”。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線的基本概念 差分阻抗差分阻抗差分對(duì)最重要的電氣特性是差分信號(hào)

28、的阻抗，稱(chēng)為差分對(duì)最重要的電氣特性是差分信號(hào)的阻抗，稱(chēng)為“差分阻抗差分阻抗”，即差分對(duì)，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。這個(gè)定義是計(jì)算差分阻抗對(duì)差分信號(hào)的阻抗，是差分信號(hào)電壓與其電流的比值。這個(gè)定義是計(jì)算差分阻抗的基礎(chǔ)，其微妙之處在于怎樣定義信號(hào)的電壓和電流。對(duì)差分對(duì)來(lái)說(shuō)，若兩線離的基礎(chǔ)，其微妙之處在于怎樣定義信號(hào)的電壓和電流。對(duì)差分對(duì)來(lái)說(shuō)，若兩線離得足夠遠(yuǎn)，則每條線的單端阻抗得足夠遠(yuǎn)，則每條線的單端阻抗Z0為為50歐姆。流經(jīng)信號(hào)傳輸線和返回路徑之間的歐姆。流經(jīng)信號(hào)傳輸線和返回路徑之間的電流為：電流為：式中，式中，Ione為流入信號(hào)線并從返回路徑流出的電流；為流入信號(hào)線

29、并從返回路徑流出的電流；Vone為信號(hào)線與相鄰返為信號(hào)線與相鄰返 回路徑回路徑的電壓；的電壓；Z0為信號(hào)線的單端特性阻抗。為信號(hào)線的單端特性阻抗。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)。它的電壓是每條信號(hào)線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)。它的電壓是每條信號(hào)線上電壓的兩倍：上電壓的兩倍：2 Vone。根據(jù)阻抗的定義，差分信號(hào)的阻抗為。根據(jù)阻抗的定義，差分信號(hào)的阻抗為:式中，式中，Zdiff為差分阻抗；為差分阻抗；Vdiff為電壓差或差分信號(hào)變化；為電壓差或差分信號(hào)變化；Ione為流入一條信號(hào)線后為流入一條信號(hào)線后從其回路流出的電流；從其回路流出的電流；Vone為一條信號(hào)線與相

30、鄰返回通路的電壓；為一條信號(hào)線與相鄰返回通路的電壓；Z0為單條線的為單條線的單端特性阻抗。單端特性阻抗。oneone0IVZdiffoneonediff0oneoneone222VVVZZIII差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算l 無(wú)耦合時(shí)的差分阻抗無(wú)耦合時(shí)的差分阻抗 假設(shè)兩條傳輸線相隔足夠遠(yuǎn)，比如兩線相隔距離至少是線寬的兩倍，假設(shè)兩條傳輸線相隔足夠遠(yuǎn)，比如兩線相隔距離至少是線寬的兩倍，兩條線之間的相互作用就不明顯了，這就是無(wú)耦合的情況。兩條線之間的相互作用就不明顯了，這就是無(wú)耦合的情況。 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如果一個(gè)差分信號(hào)沿差分對(duì)傳輸?shù)?/p>

31、達(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。這種多次反射就會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響信非常大，差分信號(hào)將會(huì)反射回源端。這種多次反射就會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響信號(hào)質(zhì)量。下圖所示的就是一個(gè)差分線末端出現(xiàn)的模擬差分信號(hào)。振鈴的出號(hào)質(zhì)量。下圖所示的就是一個(gè)差分線末端出現(xiàn)的模擬差分信號(hào)。振鈴的出現(xiàn)是由于差分信號(hào)在低阻抗的驅(qū)動(dòng)器和高阻抗的線端之間的多重反彈。圖現(xiàn)是由于差分信號(hào)在低阻抗的驅(qū)動(dòng)器和高阻抗的線端之間的多重反彈。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。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9 差分電路和差分線對(duì)的遠(yuǎn)端接收信號(hào)差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算

32、 消除反射的一種方法就是在兩條信號(hào)線的末端跨接一個(gè)端接電阻來(lái)消除反射的一種方法就是在兩條信號(hào)線的末端跨接一個(gè)端接電阻來(lái)匹配差分阻抗。對(duì)差分信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)線末端的端接電阻和差分對(duì)的阻匹配差分阻抗。對(duì)差分信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)線末端的端接電阻和差分對(duì)的阻抗是相同的，這將會(huì)消除反射。下圖就是在兩信號(hào)線之間加入抗是相同的，這將會(huì)消除反射。下圖就是在兩信號(hào)線之間加入100歐姆電歐姆電阻后，接收端的差分信號(hào)。圖中差分對(duì)末端有端接，并且差分對(duì)之間沒(méi)阻后，接收端的差分信號(hào)。圖中差分對(duì)末端有端接，并且差分對(duì)之間沒(méi)有耦合。有耦合。圖10 差分對(duì)遠(yuǎn)端接收到的差分信號(hào)差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算l 耦合時(shí)

33、的差分阻抗耦合時(shí)的差分阻抗 當(dāng)兩條帶狀線相距越來(lái)越近時(shí)，它們邊緣的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)重疊，二者之間的耦當(dāng)兩條帶狀線相距越來(lái)越近時(shí)，它們邊緣的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)重疊，二者之間的耦合程度也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。耦合程度用單位長(zhǎng)度上的互感電容合程度也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。耦合程度用單位長(zhǎng)度上的互感電容C12與互感電感與互感電感L12表示。表示。 當(dāng)把兩信號(hào)線靠近時(shí)，當(dāng)把兩信號(hào)線靠近時(shí)，C11和和C12都會(huì)改變。當(dāng)信號(hào)線都會(huì)改變。當(dāng)信號(hào)線1與其返回路徑的一些邊緣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)，區(qū)域被相鄰信號(hào)線干擾時(shí)，C11將減小，將減小，C12會(huì)增加。但是，負(fù)載電容會(huì)增加。但是，負(fù)載電容CL = C11+ C12改改變

34、不大。下圖所示為單位長(zhǎng)度上負(fù)載電容變不大。下圖所示為單位長(zhǎng)度上負(fù)載電容CL、單位長(zhǎng)度對(duì)角電容、單位長(zhǎng)度對(duì)角電容C11及耦合電容及耦合電容C12的變化情況。帶狀線材料是的變化情況。帶狀線材料是FR4，線寬，線寬5 mil，特性阻抗，特性阻抗50歐姆。歐姆。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)，當(dāng)把兩信號(hào)線靠近時(shí)，L11和和L12都將發(fā)生改變。下圖所示為單位長(zhǎng)度都將發(fā)生改變。下圖所示為單位長(zhǎng)度上環(huán)路自感上環(huán)路自感L11的變化和單位長(zhǎng)度上環(huán)路互感的變化和單位長(zhǎng)度上環(huán)路互感L12隨兩線的邊緣舉例的變化隨兩線的邊緣舉例的

35、變化。由于相鄰導(dǎo)線的感應(yīng)渦流，。由于相鄰導(dǎo)線的感應(yīng)渦流，L11將會(huì)有略微的減小將會(huì)有略微的減小(最近時(shí)的減小量小于最近時(shí)的減小量小于1)，L12會(huì)增加。會(huì)增加。圖12 L11與L12隨兩線邊緣舉例的變化差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 總之，把兩條走線放置在一起時(shí)，耦合增加。但是，即使在間距更緊總之，把兩條走線放置在一起時(shí)，耦合增加。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)耦合度密的情況下，間距等于線寬，最大的相對(duì)耦合度(即即C12/C11或或L12/L11)仍小仍小于于15%。當(dāng)間距大于。當(dāng)間距大于15 mil時(shí)，相對(duì)耦合減小至?xí)r，相對(duì)耦合減小至1%，基本可忽

36、略不計(jì)。下，基本可忽略不計(jì)。下圖所示為當(dāng)兩條圖所示為當(dāng)兩條50歐姆、歐姆、5 mil的的FR4帶狀線間的間距變化時(shí)相對(duì)互容和相帶狀線間的間距變化時(shí)相對(duì)互容和相對(duì)互感的隨線距的變化，即相對(duì)電容耦合與相對(duì)電感耦合的比值，如何隨對(duì)互感的隨線距的變化，即相對(duì)電容耦合與相對(duì)電感耦合的比值，如何隨間隔的變化而變化。注意，對(duì)于帶狀線這種有相同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳輸線，兩間隔的變化而變化。注意，對(duì)于帶狀線這種有相同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳輸線，兩傳輸線的相對(duì)耦合電容與相對(duì)耦合電感是相同的。傳輸線的相對(duì)耦合電容與相對(duì)耦合電感是相同的。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)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 當(dāng)兩傳

37、輸線相隔較遠(yuǎn)時(shí)，線當(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)。特性阻的特性阻抗完全與另一條線無(wú)關(guān)。特性阻抗與抗與C11呈反比關(guān)系：呈反比關(guān)系： 式中，式中，Z0為線上的特性阻抗；為線上的特性阻抗；C11為信號(hào)線與返回通路之間的電容。當(dāng)為信號(hào)線與返回通路之間的電容。當(dāng)信號(hào)線相距非常近時(shí)，臨近信號(hào)線的存在會(huì)影響線信號(hào)線相距非常近時(shí)，臨近信號(hào)線的存在會(huì)影響線1的阻抗，這被稱(chēng)為的阻抗，這被稱(chēng)為“臨近效應(yīng)臨近效應(yīng)”。 下面分析三種情況下，單根信號(hào)線的特性阻抗隨兩信號(hào)線間距的變化下面分析三種情況下，單根信號(hào)線的特性阻抗隨兩信號(hào)線間距的變化情況：情況： 1）當(dāng)?shù)诙l信號(hào)線連接在返回路徑線上，例如

38、當(dāng)?shù)诙l信號(hào)線連接在返回路徑線上，例如0V信號(hào)作用在線信號(hào)作用在線2上，上，只有線只有線1被驅(qū)動(dòng)。被驅(qū)動(dòng)。 那么線那么線1的阻抗將取決于負(fù)載電容。驅(qū)動(dòng)線的特性阻抗和驅(qū)動(dòng)線上單位的阻抗將取決于負(fù)載電容。驅(qū)動(dòng)線的特性阻抗和驅(qū)動(dòng)線上單位長(zhǎng)度的電容有關(guān)：長(zhǎng)度的電容有關(guān)：當(dāng)兩條信號(hào)線越靠越近時(shí)，線當(dāng)兩條信號(hào)線越靠越近時(shí)，線1的阻抗將減小，但減小幅度不到的阻抗將減小，但減小幅度不到1%。0111ZC01112L11ZCCC差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 2） 第二條走線也被驅(qū)動(dòng)并且信號(hào)與線第二條走線也被驅(qū)動(dòng)并且信號(hào)與線1相反，例如線相反，例如線1上的信號(hào)從上的信號(hào)從0 V上上升到升到1

39、V，線，線2上的信號(hào)從上的信號(hào)從0 V下降到下降到-1 V。 當(dāng)線當(dāng)線1上的驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟時(shí)，因?yàn)榫€上的驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟時(shí)，因?yàn)榫€1與返回路徑間存在與返回路徑間存在dV11/dt，于是會(huì)產(chǎn)，于是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穿過(guò)電容生一個(gè)穿過(guò)電容C11的電流。同時(shí)，因?yàn)閮删€之間的電壓變化的電流。同時(shí)，因?yàn)閮删€之間的電壓變化dV12/dt，同樣，同樣有電流從線有電流從線1流向線流向線2。這個(gè)變化的電壓將是線。這個(gè)變化的電壓將是線1與其回路上電壓的兩倍，即與其回路上電壓的兩倍，即V12 = 2V11。流經(jīng)信號(hào)線的電流將由下式?jīng)Q定：。流經(jīng)信號(hào)線的電流將由下式?jīng)Q定： 因?yàn)閮蓷l信號(hào)線由方向相反的兩個(gè)跳變信號(hào)驅(qū)動(dòng)，電流從驅(qū)動(dòng)流入線因?yàn)閮蓷l

40、信號(hào)線由方向相反的兩個(gè)跳變信號(hào)驅(qū)動(dòng)，電流從驅(qū)動(dòng)流入線1，然后流向返回路徑。當(dāng)兩條信號(hào)線互相靠近時(shí)，為了能夠驅(qū)動(dòng)單端信號(hào)線然后流向返回路徑。當(dāng)兩條信號(hào)線互相靠近時(shí)，為了能夠驅(qū)動(dòng)單端信號(hào)線更大的電容，這個(gè)電流將會(huì)增大。更大的電容，這個(gè)電流將會(huì)增大。 1112oneR11 one12 oneoneL121112dd2()ddVVIV TC VC VVCCCCtt差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(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)，只有電容號(hào)線之間不存在電壓差，所以

41、對(duì)驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，只有電容C11存在，這就意味著存在，這就意味著要驅(qū)動(dòng)的電容減小了。此時(shí)流經(jīng)信號(hào)線要驅(qū)動(dòng)的電容減小了。此時(shí)流經(jīng)信號(hào)線1的電流為：的電流為： 由上面的分析可知，當(dāng)?shù)诙l臨近信號(hào)線存在時(shí)，信號(hào)線由上面的分析可知，當(dāng)?shù)诙l臨近信號(hào)線存在時(shí)，信號(hào)線1的特性阻抗的特性阻抗不是一個(gè)特定的值，這個(gè)值還取決于臨近信號(hào)線的驅(qū)動(dòng)情況。如果信號(hào)線不是一個(gè)特定的值，這個(gè)值還取決于臨近信號(hào)線的驅(qū)動(dòng)情況。如果信號(hào)線2被固定在被固定在0電位，則阻抗接近于無(wú)耦合時(shí)的值。如果信號(hào)線電位，則阻抗接近于無(wú)耦合時(shí)的值。如果信號(hào)線2加相反信號(hào)，加相反信號(hào)，則阻抗值會(huì)降低。如果信號(hào)線則阻抗值會(huì)降低。如果信號(hào)線2加相同電壓，則阻

42、抗值會(huì)升高。加相同電壓，則阻抗值會(huì)升高。 圖圖11.9 給出了這三種情況下，信號(hào)線給出了這三種情況下，信號(hào)線1的單端特性阻抗隨兩信號(hào)線間距的單端特性阻抗隨兩信號(hào)線間距的變化情況。圖中傳輸線為的變化情況。圖中傳輸線為50歐姆、歐姆、5 mil寬的寬的FR4帶狀線。帶狀線。11oneR110neoneL1211d()dVIVTC VVCCCt差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算圖11.9 三種情況下信號(hào)線1的單端特性阻抗隨兩信號(hào)線間距的變化情況差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 當(dāng)差分信號(hào)沿差分對(duì)傳播時(shí)，對(duì)它來(lái)說(shuō)，阻抗是每條線與其回路間單當(dāng)差分信號(hào)沿差分對(duì)傳播時(shí)，對(duì)它來(lái)說(shuō)

43、，阻抗是每條線與其回路間單端特性阻抗的串聯(lián)。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)端特性阻抗的串聯(lián)。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)。正如上面所提到的，此時(shí)每條線的阻抗將因?yàn)楸舜说鸟詈隙鴾p小，而差。正如上面所提到的，此時(shí)每條線的阻抗將因?yàn)楸舜说鸟詈隙鴾p小，而差分阻抗仍是每條線特性阻抗的兩倍。圖分阻抗仍是每條線特性阻抗的兩倍。圖14示出了兩線間距減小時(shí)差分阻抗示出了兩線間距減小時(shí)差分阻抗的變化情況。圖中導(dǎo)線材料為的變化情況。圖中導(dǎo)線材料為50歐姆、歐姆、5 mil寬的寬的FR4帶狀線。對(duì)帶狀線來(lái)帶狀線。對(duì)帶狀線來(lái)說(shuō)，相比于間距等于說(shuō)，相比于間距等于3倍線寬的無(wú)耦合情況，在可

44、制造的最小間距倍線寬的無(wú)耦合情況，在可制造的最小間距(如間距等如間距等于線寬于線寬)下，存在耦合時(shí)的差分阻抗也僅僅減小約下，存在耦合時(shí)的差分阻抗也僅僅減小約12%。圖14 減小兩線的間距時(shí)50歐姆帶狀線的差分阻抗變化情況差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算l 返回電流分布對(duì)阻抗的影響返回電流分布對(duì)阻抗的影響 當(dāng)差分對(duì)的兩信號(hào)線間距比較大時(shí)，兩線間的耦合度比較小，在這當(dāng)差分對(duì)的兩信號(hào)線間距比較大時(shí)，兩線間的耦合度比較小，在這種情況下，如果用差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)它們，除了信號(hào)線中會(huì)出現(xiàn)電流外，種情況下，如果用差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)它們，除了信號(hào)線中會(huì)出現(xiàn)電流外，返回平面中也會(huì)出現(xiàn)與之大小相等，方向相

45、反的電流。并且返回平面中返回平面中也會(huì)出現(xiàn)與之大小相等，方向相反的電流。并且返回平面中的電流不會(huì)出現(xiàn)重疊。此時(shí)返回路徑平面中的總電流為零，但是每條信的電流不會(huì)出現(xiàn)重疊。此時(shí)返回路徑平面中的總電流為零，但是每條信號(hào)線底下的平面中有確定的局部電流分布。任何改變電流分布的因素都號(hào)線底下的平面中有確定的局部電流分布。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。將會(huì)改變差分對(duì)的差分阻抗。 對(duì)一對(duì)共用返回導(dǎo)體的單端傳輸線來(lái)說(shuō)，如果返回導(dǎo)體距信號(hào)線足對(duì)一對(duì)共用返回導(dǎo)體的單端傳輸線來(lái)說(shuō)，如果返回導(dǎo)體距信號(hào)線足夠遠(yuǎn)，那么差分信號(hào)的返回導(dǎo)體電流分布就會(huì)相互重疊，相互抵消。此夠遠(yuǎn)，那么差分信號(hào)的返回導(dǎo)體電流分

46、布就會(huì)相互重疊，相互抵消。此時(shí)返回路徑導(dǎo)體的存在對(duì)差分阻抗產(chǎn)生不了任何影響。時(shí)返回路徑導(dǎo)體的存在對(duì)差分阻抗產(chǎn)生不了任何影響。 分析三種典型的情況：分析三種典型的情況： 邊緣耦合的微帶線、雙絞線電纜、側(cè)面耦合邊緣耦合的微帶線、雙絞線電纜、側(cè)面耦合的帶狀線。的帶狀線。差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 邊緣耦合的微帶線邊緣耦合的微帶線 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，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。則返回平面上有明顯電流的分布，平面的存在影響了差分阻則兩線的耦合度最大。則返回平面上有明顯電流的

47、分布，平面的存在影響了差分阻抗。如果將平面移到更遠(yuǎn)，每條線的單端特性阻抗增加，差分阻抗也會(huì)增加。但是抗。如果將平面移到更遠(yuǎn)，每條線的單端特性阻抗增加，差分阻抗也會(huì)增加。但是，隨著平面越移越遠(yuǎn)，差分信號(hào)的返回電流在平面中的重疊程度也越來(lái)越大，當(dāng)返，隨著平面越移越遠(yuǎn)，差分信號(hào)的返回電流在平面中的重疊程度也越來(lái)越大，當(dāng)返回平面達(dá)到一個(gè)足夠遠(yuǎn)的距離時(shí)，返回路徑電流重疊的程度達(dá)到使返回路徑電流消回平面達(dá)到一個(gè)足夠遠(yuǎn)的距離時(shí)，返回路徑電流重疊的程度達(dá)到使返回路徑電流消失的程度。此時(shí)，返回路徑平面的存在將不會(huì)再影響差分阻抗。如下圖所示：失的程度。此時(shí)，返回路徑平面的存在將不會(huì)再影響差分阻抗。如下圖所示：圖1

48、5 不同距離時(shí)邊緣耦合微帶線的單端阻抗和差分阻抗變化差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 雙絞線電纜雙絞線電纜 對(duì)屏蔽雙絞線來(lái)說(shuō)，每條信號(hào)線的返回路徑都是屏蔽層。雙絞線的間距取決于對(duì)屏蔽雙絞線來(lái)說(shuō)，每條信號(hào)線的返回路徑都是屏蔽層。雙絞線的間距取決于絕緣層的厚度。當(dāng)兩條雙絞線都近似位于屏蔽層的中心而由差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，它們絕緣層的厚度。當(dāng)兩條雙絞線都近似位于屏蔽層的中心而由差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，它們的返回電流朝相反方向流動(dòng)，并相互疊加，屏蔽層內(nèi)將沒(méi)有剩余電流分布。此時(shí)屏的返回電流朝相反方向流動(dòng)，并相互疊加，屏蔽層內(nèi)將沒(méi)有剩余電流分布。此時(shí)屏蔽線產(chǎn)生不了電效應(yīng)作用，對(duì)差分阻抗沒(méi)有影響。當(dāng)屏蔽層

49、距雙絞線線非常近時(shí)，蔽線產(chǎn)生不了電效應(yīng)作用，對(duì)差分阻抗沒(méi)有影響。當(dāng)屏蔽層距雙絞線線非常近時(shí)，兩條雙絞線偏離中心軸的位置將導(dǎo)致它們?cè)谄帘螌又械姆祷仉娏鞣植忌杂胁煌?。此兩條雙絞線偏離中心軸的位置將導(dǎo)致它們?cè)谄帘螌又械姆祷仉娏鞣植忌杂胁煌４藭r(shí)屏蔽層位置的改變將會(huì)輕微地改變差分阻抗。下圖顯示出了屏蔽體的半徑增大時(shí)時(shí)屏蔽層位置的改變將會(huì)輕微地改變差分阻抗。下圖顯示出了屏蔽體的半徑增大時(shí)，單端雙絞線與屏蔽層間的單端特性阻抗和雙絞線的差分阻抗的變化情況。，單端雙絞線與屏蔽層間的單端特性阻抗和雙絞線的差分阻抗的變化情況。圖16 屏蔽體的半徑增大時(shí)單端雙絞線與屏蔽層間的單端特性阻抗和雙絞線的差分阻抗的變化情況

50、差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 側(cè)面耦合的帶狀線側(cè)面耦合的帶狀線 對(duì)側(cè)面耦合帶狀線而言，也存在著同樣的效應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)參考平面互相靠近并且對(duì)側(cè)面耦合帶狀線而言，也存在著同樣的效應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)參考平面互相靠近并且傳輸線由差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)參考平面內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)各自獨(dú)立的明顯的返回電流傳輸線由差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)參考平面內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)各自獨(dú)立的明顯的返回電流。此時(shí)，平面的存在會(huì)影響到差分阻抗。當(dāng)平面間距增加時(shí)，每條線在兩個(gè)平面內(nèi)。此時(shí)，平面的存在會(huì)影響到差分阻抗。當(dāng)平面間距增加時(shí)，每條線在兩個(gè)平面內(nèi)的返回電流分布都基本相同，因此平面內(nèi)的電流相互抵消。此時(shí)平面的影響可以忽的返回電流分布都基本

51、相同，因此平面內(nèi)的電流相互抵消。此時(shí)平面的影響可以忽略。下圖示出了平面間距增加時(shí)，信號(hào)線與平面間單端特性阻抗和兩信號(hào)線間差分略。下圖示出了平面間距增加時(shí)，信號(hào)線與平面間單端特性阻抗和兩信號(hào)線間差分阻抗的變化。阻抗的變化。圖17 平面間距增加時(shí)信號(hào)線與平面間的單端特性阻抗和兩信號(hào)線間差分阻抗的變化差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 小結(jié)：小結(jié)： 上述三種典型的情況說(shuō)明了差分對(duì)一個(gè)非常重要的性質(zhì)：當(dāng)信號(hào)線與返回平面間的耦上述三種典型的情況說(shuō)明了差分對(duì)一個(gè)非常重要的性質(zhì)：當(dāng)信號(hào)線與返回平面間的耦合度大于兩信號(hào)線間的耦合度時(shí)，返回路徑平面中將會(huì)出現(xiàn)明顯的返回電流。此時(shí)平面合度大于兩信號(hào)線

52、間的耦合度時(shí)，返回路徑平面中將會(huì)出現(xiàn)明顯的返回電流。此時(shí)平面在確定差分對(duì)差分阻抗時(shí)起到重要作用。而當(dāng)兩信號(hào)線間的耦合度遠(yuǎn)大于信號(hào)線與返回在確定差分對(duì)差分阻抗時(shí)起到重要作用。而當(dāng)兩信號(hào)線間的耦合度遠(yuǎn)大于信號(hào)線與返回平面間的耦合度時(shí)，平面中的大部分返回電流會(huì)疊加、抵消。這種情況下平面影響不了平面間的耦合度時(shí)，平面中的大部分返回電流會(huì)疊加、抵消。這種情況下平面影響不了差分信號(hào)，將它移走不會(huì)影響到差分阻抗。此時(shí)第一條線的返回電流可以看成由第二條差分信號(hào)，將它移走不會(huì)影響到差分阻抗。此時(shí)第一條線的返回電流可以看成由第二條信號(hào)線來(lái)傳送。信號(hào)線來(lái)傳送。 高頻信號(hào)是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流，差分線除了有對(duì)地

53、的耦合外，還存在相互高頻信號(hào)是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流，差分線除了有對(duì)地的耦合外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，那一種就成為主要的回流通路。在之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，那一種就成為主要的回流通路。在PCB電路設(shè)計(jì)中，一般電路設(shè)計(jì)中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占差分走線之間的耦合較小，往往只占 1020%的耦合度，更多的還是對(duì)地的耦合，所以差的耦合度，更多的還是對(duì)地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時(shí)候，無(wú)參考平面的分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時(shí)候，無(wú)參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會(huì)提供主要的回流通絡(luò)，盡管

54、參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走區(qū)域，差分走線之間的耦合才會(huì)提供主要的回流通絡(luò)，盡管參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走線的影響沒(méi)有對(duì)普通的單端走線來(lái)的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加線的影響沒(méi)有對(duì)普通的單端走線來(lái)的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加EMI。差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案及其解決方案l 差分線的端接差分線的端接 當(dāng)差分信號(hào)到達(dá)開(kāi)路終端時(shí)，將會(huì)受到一個(gè)很大的阻抗并反射回來(lái)當(dāng)差分信號(hào)到達(dá)開(kāi)路終端時(shí)，將會(huì)受到一個(gè)很大的阻抗并反射回來(lái)。如果不對(duì)此反射加以控制，它就可能會(huì)超過(guò)噪聲容限引起過(guò)度噪聲。如果不對(duì)此反射加以控制，它就可能會(huì)超過(guò)噪聲容限引起過(guò)度噪聲。減小反射的一

55、種方法就是在差分對(duì)末端加上一個(gè)與差分匹配阻抗的電阻減小反射的一種方法就是在差分對(duì)末端加上一個(gè)與差分匹配阻抗的電阻性阻抗。有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)端接性阻抗。有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)端接T型結(jié)構(gòu)和型結(jié)構(gòu)和型結(jié)構(gòu)。型結(jié)構(gòu)。圖18 差分對(duì)的 型端接和T型端接結(jié)構(gòu)(可以同時(shí)端接差分信號(hào)和共模信號(hào))差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案及其解決方案l 奇模狀態(tài)與偶模狀態(tài)的影響奇模狀態(tài)與偶模狀態(tài)的影響 共模阻抗共模阻抗為了克服反射，在每根差分線上加的終端匹配電阻應(yīng)為奇模阻抗為了克服反射，在每根差分線上加的終端匹配電阻應(yīng)為奇模阻抗Zodd，而不是，而不是Zo。在一般的差分信號(hào)的應(yīng)用中，為了避免

56、引入來(lái)自地的噪。在一般的差分信號(hào)的應(yīng)用中，為了避免引入來(lái)自地的噪音，也有采用一個(gè)阻值為音，也有采用一個(gè)阻值為2倍倍Zodd的電阻跨在差分對(duì)上的匹配方式，的電阻跨在差分對(duì)上的匹配方式，這個(gè)電阻就是差分電阻，它的值應(yīng)為奇模阻抗的二倍。這個(gè)電阻就是差分電阻，它的值應(yīng)為奇模阻抗的二倍。共模阻抗：共模阻抗：Zcomm= Zo（1k）就是說(shuō)，在共模信號(hào)時(shí)，實(shí)際阻抗會(huì)比相同條件下的單線阻抗高就是說(shuō)，在共模信號(hào)時(shí)，實(shí)際阻抗會(huì)比相同條件下的單線阻抗高diffodd2 ZZ差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案及其解決方案l 奇模狀態(tài)與偶模狀態(tài)的影響奇模狀態(tài)與偶模狀態(tài)的影響 奇模阻抗與偶模阻

57、抗奇模阻抗與偶模阻抗 奇模阻抗：奇模阻抗：當(dāng)差分信號(hào)加到差分對(duì)上，它將使差分對(duì)處于奇模狀態(tài)。此時(shí)每條信號(hào)線的特性阻抗被稱(chēng)為奇模特性阻抗，簡(jiǎn)稱(chēng)為奇模阻抗。 偶模阻抗：偶模阻抗：當(dāng)共模信號(hào)加到差分對(duì)上，它將使差分信號(hào)處于偶模狀態(tài)。此時(shí)每條信號(hào)線的特性阻抗被稱(chēng)為偶模特性阻抗,簡(jiǎn)稱(chēng)為偶模阻抗。 差分阻抗與奇模阻抗、共模阻抗與偶模阻抗差分阻抗與奇模阻抗、共模阻抗與偶模阻抗 差分阻抗與奇模阻抗的關(guān)系差分阻抗與奇模阻抗的關(guān)系 差分阻抗是奇模阻抗的2倍： 共模阻抗與偶模阻抗的關(guān)系共模阻抗與偶模阻抗的關(guān)系 共模阻抗是偶模阻抗的1/2： diffodd2 ZZevenevenevencommequivevenev

58、en2ZZZZZZZ差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案及其解決方案l 差分信號(hào)的錯(cuò)位與失真差分信號(hào)的錯(cuò)位與失真 如果某些因素使得差分線中的一條受到影響而另一條未受到影響，差分信如果某些因素使得差分線中的一條受到影響而另一條未受到影響，差分信號(hào)就會(huì)失真，使得部分差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為共模信號(hào)。例如：差分線的不對(duì)稱(chēng)、驅(qū)號(hào)就會(huì)失真，使得部分差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為共模信號(hào)。例如：差分線的不對(duì)稱(chēng)、驅(qū)動(dòng)器端的偏斜、兩種差分驅(qū)動(dòng)器跳變時(shí)的錯(cuò)位等等。下面兩圖分別反映了差分動(dòng)器端的偏斜、兩種差分驅(qū)動(dòng)器跳變時(shí)的錯(cuò)位等等。下面兩圖分別反映了差分驅(qū)動(dòng)器跳變時(shí)的錯(cuò)位以及差分線的不對(duì)稱(chēng)（一條走線比另一條多了一個(gè)

59、容性負(fù)驅(qū)動(dòng)器跳變時(shí)的錯(cuò)位以及差分線的不對(duì)稱(chēng)（一條走線比另一條多了一個(gè)容性負(fù)載）的情況下對(duì)差分信號(hào)質(zhì)量的影響。載）的情況下對(duì)差分信號(hào)質(zhì)量的影響。圖19 錯(cuò)位從上升時(shí)間的20變化到2倍時(shí)接收到的差分信號(hào)邊沿變化情況圖20 差分線的一條線上存在一個(gè)1 pF的容性負(fù)載時(shí)對(duì)差分信號(hào)的影響差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案及其解決方案 錯(cuò)位和失真帶來(lái)的影響錯(cuò)位和失真帶來(lái)的影響 錯(cuò)位和失真對(duì)差分信號(hào)的質(zhì)量影響不大，但是，它們卻對(duì)共模信號(hào)的質(zhì)錯(cuò)位和失真對(duì)差分信號(hào)的質(zhì)量影響不大，但是，它們卻對(duì)共模信號(hào)的質(zhì)量影響很大，而共模信號(hào)會(huì)顯著地增加量影響很大，而共模信號(hào)會(huì)顯著地增加EMI。并且，

60、由于各種不對(duì)稱(chēng)的因。并且，由于各種不對(duì)稱(chēng)的因素存在，使得不管共模信號(hào)在遠(yuǎn)端是否被端接，都會(huì)有共模信號(hào)產(chǎn)生，從素存在，使得不管共模信號(hào)在遠(yuǎn)端是否被端接，都會(huì)有共模信號(hào)產(chǎn)生，從而導(dǎo)致而導(dǎo)致EMI。圖。圖21和和22分別反映的就是共模信號(hào)在遠(yuǎn)端未被端接與被端接分別反映的就是共模信號(hào)在遠(yuǎn)端未被端接與被端接兩種情況下電壓信號(hào)與差分信號(hào)及共模信號(hào)的關(guān)系。兩種情況下電壓信號(hào)與差分信號(hào)及共模信號(hào)的關(guān)系。圖21 差分信號(hào)端接共模信號(hào)開(kāi)路時(shí)電壓信號(hào)與差分信號(hào)及共模信號(hào)的關(guān)系圖22 共模信號(hào)和差分信號(hào)都被端接時(shí)遠(yuǎn)端的電壓信號(hào)與差分信號(hào)及共模信號(hào)的關(guān)系差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案及其解