高速數(shù)字電路中的終端匹配技術(shù)

1、高速數(shù)字電路中的終端匹配技術(shù)摘要9 c' G" f1 u/ w       PCB板上的導(dǎo)線具有電阻、電容和電感等電氣特性。當(dāng)導(dǎo)線的阻抗與導(dǎo)線兩端外接負(fù)載不匹配時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，從而引起信號(hào)完整性（SI）問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，減少SI 問(wèn)題的常用方法是在傳輸線上增加端接元件，這稱之為終端匹配技術(shù)。本文介紹了常用的幾種終端匹配技術(shù)：包括并行連接的終端匹配、串行連接的終端匹配、戴維南終端匹配、AC 終端匹配和基于二極管的終端匹配。" D, h8 ) d% Z( s# k; 1 N2 b. f. u關(guān)鍵詞   

2、 信號(hào)完整性  電路設(shè)計(jì)  終端匹配技術(shù)# p) R( D* 9 Y) 9 N2 h* V3 y2 g, J" h    隨著數(shù)字電路時(shí)鐘速度的提高，信號(hào)完整性（SI）已成為越來(lái)越關(guān)心的問(wèn)題。當(dāng)電路中信號(hào)能以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)負(fù)載IC 時(shí)，該電路就有很好的信號(hào)完整性。當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問(wèn)題。象誤觸發(fā)、阻尼振蕩、過(guò)沖、欠沖等信號(hào)完整性問(wèn)題會(huì)造成時(shí)鐘間歇振蕩和數(shù)據(jù)出錯(cuò)。在實(shí)際的PCB 板上的導(dǎo)線具有電阻、電容和電感等電氣特性，驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗通常小于PCB 互聯(lián)信號(hào)線的特征阻抗，而PCB 互

3、聯(lián)信號(hào)線的特征阻抗一般來(lái)說(shuō)也小于接收器的輸入阻抗。這種阻抗的不連續(xù)性就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)系統(tǒng)中信號(hào)反射的出現(xiàn)。在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，PCB 板線路上的電容和電感會(huì)使導(dǎo)線等效于一條傳輸線。傳輸線上的阻抗會(huì)使信號(hào)達(dá)不到規(guī)定的電壓幅度，線路阻抗與外接負(fù)載不匹配會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射現(xiàn)象，這些都會(huì)引起信號(hào)完整性問(wèn)題。7 g# h* |8 f, b$ A&     一般來(lái)說(shuō)減少信號(hào)完整性問(wèn)題的常用方法是在傳輸線上增加端接元件。端接元件是一些無(wú)源元件，如電阻和電容。終端匹配技術(shù)就是利用這些元件在傳輸線和負(fù)載間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配從而防止SI 問(wèn)題。電阻可以用來(lái)匹配傳輸線阻抗與接收器的阻抗，而電容則可以

4、用來(lái)限制電壓的變化從而削弱阻尼信號(hào)的能量。最常見(jiàn)的無(wú)源終端匹配技術(shù)包括并行連接的終端匹配技術(shù)、戴維南終端匹配技術(shù)、串行連接的終端匹配技術(shù)以及AC 終端匹配技術(shù)等。了解不同的終端匹配技術(shù)各自的優(yōu)、缺點(diǎn)有助于選擇適合的終端匹配技術(shù)用于PCB 板設(shè)計(jì)以控制SI問(wèn)題。以下就對(duì)這幾種終端匹配技術(shù)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。" 1 p8 r# G+ D- R1并連終端匹配8 K% ! |; y0 ?1 y* a    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（見(jiàn)圖1）。電阻R 的值必須同傳輸線的特征阻抗Z

5、0 匹配，以消除信號(hào)的反射。如果R 同傳輸線的特征阻抗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供的電流。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。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。4 g7 y/ 6 L7 j# X- N- ?4 9 5 ?  ) G& R  J' S7 R4 # & f7 B 2009-12-21 10:32:33 上傳下載附件 (8.55 K

6、B) : Z! k( t: G3 N, r, . G" P+ z& j7 Z+ j. R9 j" t: r# C% c6 Y, v  圖1 并聯(lián)終端匹配技術(shù)# o( D- h0 F3 K8 i- V7 y# H+ s; n/ B% m! ?5 z1 U    并聯(lián)終端匹配的優(yōu)勢(shì)是這種類型的終端匹配方式僅需要一個(gè)額外的元器件。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50 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TTL 輸出

7、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。' c2 _6 h4 b- E2 戴維南終端匹配技術(shù)$ f$ ?2 A5 D/ ?; z3 g    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R2 來(lái)實(shí)現(xiàn)終端匹配（見(jiàn)圖2）。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)范圍以內(nèi)。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)。當(dāng)R1 和R2 的并聯(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

8、的扇出能力，并且減小由于信號(hào)占空比的變化導(dǎo)致的功耗的改變。6 f3 E% E: L  H( B1 V# Q* K6 # o, x9 v* h0 2009-12-21 10:34:33 上傳下載附件 (10.37 KB) . S" ?- g* u4 % f5 e0 j7 f5 % z1 g: w8 y9 q3 D3 . P. _, l# N$ m   圖2 戴維南終端匹配技術(shù): z3 Z" h7 " t8 1 9 D0 U" X+ z" x. * j: |% e0 3 o: A1 M   

9、; 戴維南終端匹配的優(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。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3.3V 的CMOS 和BiCMOS 的系統(tǒng)中顯得尤為有益。戴維南終端匹配需要有存在著比例關(guān)系的兩個(gè)電阻在VCC 和地之間有額外的線路連接，這樣無(wú)論電路的邏輯狀態(tài)是高還是低，都會(huì)有一個(gè)從VCC 到地的常量的直流電流，這會(huì)導(dǎo)致終端匹配電阻中有靜態(tài)的直流功耗。與此同時(shí)，傳輸線上的電壓也就等于三態(tài)總線上的戴維南電壓，這個(gè)值接近于器件的

10、開(kāi)關(guān)閾值電壓，這對(duì)于CMOS 邏輯器件來(lái)說(shuō)同樣會(huì)導(dǎo)致更高的功耗。7 I! r& # G& q3 串行連接終端匹配技術(shù)  E! _6 t# e1 l    串行連接終端匹配技術(shù)是在源端的終端匹配技術(shù)。同其它類型的終端匹配技術(shù)不一樣，串行連接終端匹配技術(shù)是由連接在驅(qū)動(dòng)器輸出端和信號(hào)線之間的一個(gè)電阻組成（見(jiàn)圖3）。驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗RD 以及電阻R 值的和必須同- |6 F9 _5 r: F) z信號(hào)線的特征阻抗Z0 匹配。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

11、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。7 A8 x0 i+ Z. J* n3 _# u" w% 3 U% H: m* 4 q4 8 u 2009-12-21 10:34:34 上傳下載附件

12、(9.09 KB) ; a, ( |+ V; _# w4 x+ k1 F4 j. Z* p/ r  y& b8 p2 h圖3 串行連接的終端匹配技術(shù)' d2 K. 6 H. s/ x9 Y1 v2 O2 % H8 U6 G1 o    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)在信號(hào)線與地之間引入額外的阻抗。串行連接的終端匹配技術(shù)的典型應(yīng)用包括CMOS 到CMOS 的連接，這是由于串行連接的終端匹

13、配電阻不會(huì)在信號(hào)傳輸線和地之間導(dǎo)入額外的阻抗。而且這種終端匹配技術(shù)也特別適合先進(jìn)的CMOS 邏輯器件系列，比如FACT 和ECL 邏輯。對(duì)于FACT 器件系列來(lái)說(shuō)，串行連接的終端匹配電阻增加了驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗。所以，相對(duì)于沒(méi)有終端匹配的驅(qū)動(dòng)器連接來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)器會(huì)消耗更少的功耗。$ I7 P4 |; z. ?4 AC 終端匹配技術(shù): g  f- v9 I0 k: 0 M- O        AC 終端匹配技術(shù)也稱之為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（見(jiàn)圖

14、4）。對(duì)于AC 終端匹配來(lái)說(shuō)，電阻R 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，這樣一來(lái)該RC 電路就類型于一個(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，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。2 a- o, I2 F: v0 f1 M+ g! * " m4 D1 F. r) W! j* 2 C* a* L2009-12-21

15、10:34:34 上傳下載附件 (9.41 KB) ' M; m% i1 o. a  - e# s7 C( K! ?- B7 $ O# _! m圖4 AC終端匹配技術(shù)2 6 u: A% e) U' k5 B! F* K& ?9 c3 d        AC 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。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)間上的抖動(dòng)

16、，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。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。8 U/ l0 V. Z7 Z! I+ A5 肖特基二極管終端匹配4 ' y  / v8 V3 p6 Y7 C% R( A    肖特基二極管終端匹配技術(shù)也稱之為二極管終端匹配技術(shù)，由兩個(gè)肖特基二極管組成（見(jiàn)圖5）。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

17、高超過(guò)VCC 和二極管D1 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D2 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。$ K0 P! ; u# w: d4 A/ ) z, a0 ) 7 i  a* M. Y9 x2009-12-21 10:34:34 上傳下載附件 (

18、9.13 KB) , k  8 j9 K5 T$ _# O/ q8 o, P" : " # m; Z4 w" c& j6 q圖5 肖特基二極管終端匹配技術(shù)0 x* R1 v# O! i( l( 0 T6 H2 n+ 9 n/ N' b5 b  3 h3 K+ R5 g* U3 Y0 F, K    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TON 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TR。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