端接目的與種類
在高速數(shù)字系統(tǒng)中,傳輸線上阻抗不匹配會(huì)引起信號(hào)反射,減小和消除反射的方法是根據(jù)傳輸線的特性阻抗在其發(fā)送端或接收端進(jìn)行阻抗匹配,從而使源反射系數(shù)或負(fù)載反射系數(shù)為零。
傳輸線的端接通常采用兩種策略:
1)使負(fù)載阻抗與傳輸線阻抗匹配,即終端端接;
2)使源阻抗與傳輸線阻抗匹配,即源端端接。
端接策略選擇
如果負(fù)載反射系數(shù)或源反射系數(shù)二者任一為零,反射將被消除。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度,應(yīng)首選策略 1,因其是在信號(hào)能量反射回源端之前在負(fù)載端消除反射,因而消除一次反射,這樣可以減小噪聲、電磁干擾(EMI)及射頻干擾(RFI),而策略 2 則是在源端消除由負(fù)載端反射回來(lái)的信號(hào),只是消除二次反射,在發(fā)生電平轉(zhuǎn)移時(shí),源端會(huì)出現(xiàn)半波波形,不過(guò)由于策略 2 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便,在許多應(yīng)用中也被廣泛采用。
串接端接
源端端接主要是串接端接方法,串行端接是通過(guò)在盡量靠近源端的位置串行插入一個(gè)電阻 RT(典型 10Ω到 75Ω)到傳輸線中來(lái)實(shí)現(xiàn)。串行端接是匹配信號(hào)源的阻抗,所插入的串行電阻阻值加上驅(qū)動(dòng)源的輸出阻抗應(yīng)大于等于傳輸線阻抗(輕微過(guò)阻尼)。這種策略通過(guò)使源端反射系數(shù)為零從而抑制從負(fù)載反射回來(lái)的信號(hào)(負(fù)載端輸入高阻,不吸收能量)再?gòu)脑炊朔瓷浠刎?fù)載端。
串行端接的優(yōu)點(diǎn)在于:
每條線只需要一個(gè)端接電阻,無(wú)需與電源相連接,消耗功率小。
串聯(lián)電阻匹配終端的優(yōu)勢(shì)還在于可以減少板上器件的使用數(shù)量和連線密度。
串行端接的缺點(diǎn)在于:
當(dāng)信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換時(shí),源端會(huì)出現(xiàn)半波幅度的信號(hào),這種半波幅度的信號(hào)沿傳輸線傳播至負(fù)載端,又從負(fù)載端反射回源端,持續(xù)時(shí)間為 2TD(TD 為信號(hào)源端到終端的傳輸延遲),這意味著此時(shí)沿傳輸線不能加入其它的信號(hào)輸入端。
串行端接適用于如下場(chǎng)合:
1)可以不受終端負(fù)載阻抗的影響;
2)器件輸出阻抗小于傳輸線特性阻抗;
3)一般在源同步信號(hào)中用得較多的是源端匹配,因?yàn)樵赐叫盘?hào)線的信號(hào)流向相同,串?dāng)_主要為后向串?dāng)_,源端匹配就可以吸收后向的串?dāng)_。
4)信號(hào)通路上加接了元件,增加了 RC 時(shí)間常數(shù)從而減緩了負(fù)載端信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間,因而不適合用于高頻信號(hào)通路(如高速時(shí)鐘等)
并行端接
并行端接主要是在盡量靠近負(fù)載端的位置加上拉和 / 或下拉阻抗以實(shí)現(xiàn)終端的阻抗匹配,根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境,這種端接方式是簡(jiǎn)單地在負(fù)載端加入一下拉到信號(hào)地的電阻 R(R=Z0)來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配。采用此端接的條件是驅(qū)動(dòng)端必須能夠提 R=Z0 供輸出高電平時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流以保證通過(guò)端接電阻的高電平電壓滿足門限電壓要求。在輸出為高電平狀態(tài)時(shí),這種并行端接電路最大的缺點(diǎn)是消耗的電流過(guò)大,如果電源是 5v,驅(qū)動(dòng)電流可能達(dá)到 50-100ma,這是普通驅(qū)動(dòng)器無(wú)法達(dá)到的。一般器件很難可靠地支持這種端接電路。
戴維寧(Thevenin)端接
戴維寧(Thevenin)端接即分壓器型端接,它采用上拉電阻 R1 和下拉電阻 R2 構(gòu)成端接電阻,通過(guò) R1 和 R2 吸收反射,此端接通常是為了獲得最快的電路性能和驅(qū)動(dòng)分布負(fù)載而采用的。
此端接方案降低了對(duì)源端器件驅(qū)動(dòng)能力的要求,電阻 R1 和 R2 一直在從系統(tǒng)電源吸收電流,直流功耗較大。
并聯(lián)端接的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)沿全線無(wú)失真。在驅(qū)動(dòng)多扇出時(shí),負(fù)載可經(jīng)分枝短線沿線分布,而不是像在串聯(lián)端接中那樣必須把負(fù)載集中在線的末端。
交流端接
R 要小于等于傳輸線阻抗 Z0,電容 C 必須大于 100pF,推薦使用 0.1uF 的多層陶瓷電容。電容有阻低頻通高頻的作用,因此電阻 R 不是驅(qū)動(dòng)源的直流負(fù)載,故這種端接方式無(wú)任何直流功耗。并行 AC 端接是在波形匹配的基礎(chǔ)上增加一個(gè)電容,它消耗更少的功率。引入的延時(shí)與 RC 有關(guān)。AC 終端匹配技術(shù)主要用于時(shí)鐘電路。
二極管端接
優(yōu)勢(shì)
通常是自動(dòng)的,許多器件都有輸入保護(hù)二極管
劣勢(shì)
二極管頻率響應(yīng)特性要求
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指一根網(wǎng)線的布線順序及布線結(jié)構(gòu)。在實(shí)際電路中常常會(huì)遇到單一驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載的情況,驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載構(gòu)成了信號(hào)的拓?fù)洹2煌耐負(fù)浞植紝?duì)信號(hào)的影響是非常顯著的。當(dāng)使用高速邏輯器件時(shí),除非走線分支長(zhǎng)度保持很短,否則邊沿快速變化的信號(hào)將被信號(hào)主干走線上的分支走線所扭曲。
通常情形下,PCB 走線采用兩種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即菊花鏈(Daisy Chain)布線和星形(Star)分布。
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)?/strong>
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式是指每個(gè)輸出僅驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載,這是信號(hào)的理想驅(qū)動(dòng)方式。系統(tǒng)中的各種信號(hào)(特別是高速信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào))應(yīng)盡可能采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式。端接方式靈活,可以根據(jù)信號(hào)要求、單板布線情況,驅(qū)動(dòng)器件等具體情況,使用源端匹配和終端匹配,信號(hào)傳輸質(zhì)量可以得到保障。
菊花鏈
對(duì)于菊花鏈布線,布線從驅(qū)動(dòng)端開始,依次到達(dá)各接收端。如果使用串聯(lián)電阻來(lái)改變信號(hào)特性,串聯(lián)電阻的位置應(yīng)該緊靠驅(qū)動(dòng)端。在控制走線的高次諧波干擾方面,菊花鏈走線效果最好。但這種走線方式布通率最低,不容易 100%布通。
實(shí)際設(shè)計(jì)中,菊花鏈布線中分支長(zhǎng)度盡可能短,安全的長(zhǎng)度值應(yīng)該是:Stub Delay <= Trt *0.1.。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)占用的布線空間較小并可用單一電阻匹配終結(jié)。但是這種走線結(jié)構(gòu)使得在不同的信號(hào)接收端信號(hào)的接收是不同步的。
星形拓?fù)?/strong>
星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效地避免時(shí)鐘信號(hào)不同步問(wèn)題,其缺點(diǎn)是每條分支上都需要終端電阻。終端電阻的阻值應(yīng)和連線的特征阻抗相匹配。這可通過(guò)手工計(jì)算,也可通過(guò) CAD 工具計(jì)算出特征阻抗值和終端匹配電阻值。
當(dāng)系統(tǒng)的不同信號(hào)接收端信號(hào)的接收要求是同步時(shí),星形拓?fù)涫亲詈线m的。
在一般情況下,都不可以完全消除反射,通過(guò)改變電阻阻值與端接方式,最終找到一個(gè)可以接受的方案。