jingzhenshuchuchuandianzujiulaiziyuzuixiaohuasheji，duiyushuzidianlulizuizhongyaodeshizhongyuanbufen

，yinggaitebiezhuyibaozhengxinhaowanzhengxing
，zuixiaohuashejizhongjingzhenwaiweidianluchuledianzuhaiyaoyouyixieqitaqijian。

 

 

上圖中不僅考慮阻抗匹配，同時考慮電平匹配。L7為磁珠。

　　

chuandianzushiweilejianxiaofanshebo
，bimianfanshebodiejiayinqiguochong。youshi，butongpicidebanzitexingbuyiyang
，liugedianzuweizhibianyutiaozhengbanzizhuangtaidaozuijia。ruwubiyaochuandianzu
，jiuyong0歐電阻連接。反射波在大部分電路裏有害，但PCI卻恰恰利用了反射波形成有效信號。

　　

一
、減少諧波，有源晶體輸出的是方波，這將引起諧波幹擾，尤其是阻抗嚴重不匹配的情況下，加上電阻後，該電阻將與輸入電容構成RC積分平滑電路，將方波轉換為近似正弦波
，雖然信號的完整性受到一定影響

，但由於該信號還要經過後級放大、整形後才作為時鍾信號，因此，性能並不受影響
，該電阻的大小需要根據輸入端的阻抗

、輸入等效電容
，有源晶體的輸出阻抗等因素選擇。

　　

二
、zukangpipei，jianxiaohuiboganraojidaozhidexinhaoguochong。womenzhidao，zhiyaozukangbupipei，douhuichanshengxinhaofanshe，jihuibo，youyuanjingtideshuchuzukangtongchangdouhendi，yibanzaijibaiouyixia，erxinhaoyuandeshuruduanzaixinpianneibujiegoushangtongchangshiyunfangdeshuruduan，youxinpiandeneibudianluyuwaibudewuyuanshiyingjingtigouchengxiezhendianlu(使用有源晶體後就不需要這個晶體了)，這個運放的輸出阻抗都在兆歐以上。

 

 

源端串接和接收端並接的匹配方式是不一樣的。

 

反射係數，即

 

X=(Z2-Z1)/(Z1+Z2)

 

Z1和Z2分別為傳輸線阻抗失配分界麵前後的瞬時阻抗。

 

那麼這就有3種情況

 

1.Z1=Z2，即阻抗相等，X=0
，即沒有反射

2.Z2=無窮大，X=1
，即完全正反射
，很多接收端的情況

3.Z2=0
，X=-1，即完全負反射，末端短路了，接地了，阻抗為0，反射信號即可以理解為返回路徑上的回流

 

源端串聯電阻R
，和驅動端的源電阻R0，串聯後的總電阻R+R0，總電阻值等於或者最接近傳輸線阻抗Z。那na麼me這zhe時shi候hou信xin號hao分fen壓ya
，真zhen正zheng進jin入ru傳chuan輸shu線xian上shang傳chuan播bo的de隻zhi有you源yuan信xin號hao電dian壓ya的de一yi半ban
，到dao接jie收shou端duan時shi，由you於yu接jie收shou端duan阻zu抗kang為wei無wu窮qiong大da
，發fa生sheng反fan射she，反fan射she係xi數shu為wei1，傳輸係數Y=2，jijinrujieshouduandexinhaoyoudengyuqudongduandexinhaole。erfanhuiyuanduandexinhaoyinweizukangmeiyoubianhua，daoyuanduanshibeiyuandianzuhechuanlianpipeidianzuxishoule，buzaifashengfanshe，zheshilixiangqingkuang。

 

單一網絡SI的(de)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)就(jiu)是(shi)反(fan)射(she)，但(dan)是(shi)這(zhe)又(you)是(shi)一(yi)個(ge)比(bi)較(jiao)大(da)的(de)話(hua)題(ti)，牽(qian)涉(she)到(dao)阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)，拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)，端(duan)接(jie)等(deng)等(deng)
，所(suo)以(yi)想(xiang)說(shuo)的(de)比(bi)較(jiao)透(tou)徹(che)似(si)乎(hu)不(bu)太(tai)容(rong)易(yi)，盡(jin)量(liang)吧(ba)

 

一.反射產生原理

 

 

先來看上麵的圖，信號在傳輸線中傳輸，從Z1到Z2的de過guo程cheng中zhong，阻zu抗kang發fa生sheng變bian化hua，部bu分fen信xin號hao將jiang沿yan著zhe與yu原yuan傳chuan播bo方fang向xiang相xiang反fan的de方fang向xiang反fan射she，而er另ling一yi部bu分fen將jiang繼ji續xu傳chuan播bo，但dan幅fu度du有you所suo改gai變bian。將jiang瞬shun時shi阻zu抗kang發fa生sheng改gai變bian的de地di方fang稱cheng為wei阻zu抗kang突tu變bian，反fan射she信xin號hao的de大da小xiao由you瞬shun時shi阻zu抗kang的de突tu變bian程cheng度du確que定ding，在zai理li論lun分fen析xi中zhong，我wo們men用yong反fan射she係xi數shu來lai表biao示shi

 

 

兩個區域的阻抗差異越大
，反射信號強度就越大。例如，如果1V信號沿特性阻抗=50W的線網傳播，受到的瞬時阻抗=50W，當它進入特性阻抗為75W的區域時，反射係數為(75-50)/(75+50)= 20%，反射電壓為20%×1V= 0.2V

 

我們可以從理論上對上麵的公式進行推導，但此處不再贅述，有興趣的話可以參考相關資料

 

在實際的工程中
，反射不可能完全消除

，SI工(gong)程(cheng)師(shi)所(suo)要(yao)做(zuo)的(de)就(jiu)是(shi)盡(jin)量(liang)減(jian)少(shao)反(fan)射(she)對(dui)信(xin)號(hao)的(de)影(ying)響(xiang)，反(fan)射(she)的(de)根(gen)源(yuan)是(shi)阻(zu)抗(kang)不(bu)匹(pi)配(pei)，所(suo)以(yi)減(jian)小(xiao)反(fan)射(she)最(zui)有(you)效(xiao)的(de)途(tu)徑(jing)就(jiu)是(shi)端(duan)接(jie)
，端(duan)接(jie)方(fang)法(fa)的(de)選(xuan)擇(ze)，終(zhong)端(duan)電(dian)阻(zu)的(de)選(xuan)取(qu)
，都(dou)對(dui)。

 

根據反射係數的公式
，我們可以得出三種最典型的情況：開路
，短路，匹配

 

1.Z1=Z2

，即阻抗相等

，ρ=0，即沒有反射

2.Z2=無窮大
，ρ=1，即(ji)完(wan)全(quan)正(zheng)反(fan)射(she)
，這(zhe)意(yi)味(wei)這(zhe)在(zai)開(kai)路(lu)短(duan)產(chan)生(sheng)與(yu)入(ru)射(she)波(bo)大(da)小(xiao)相(xiang)同(tong)，方(fang)向(xiang)相(xiang)反(fan)，返(fan)回(hui)源(yuan)端(duan)的(de)反(fan)射(she)波(bo)

，如(ru)果(guo)測(ce)量(liang)開(kai)路(lu)端(duan)得(de)電(dian)壓(ya)，將(jiang)得(de)到(dao)兩(liang)個(ge)電(dian)壓(ya)之(zhi)和(he)

3.Z2=0，ρ=-1，即完全負反射，末端短路了，接地了，阻抗為0，反射信號即可以理解為返回路徑上的回流

 

二.反彈圖

 

反射理論裏麵最重要的莫過於Lattice Diagrams，也就是我們說的反彈圖，有些資料也叫網格圖

 

我(wo)們(men)知(zhi)道(dao)，當(dang)信(xin)號(hao)在(zai)傳(chuan)輸(shu)線(xian)終(zhong)端(duan)的(de)阻(zu)抗(kang)不(bu)連(lian)續(xu)點(dian)被(bei)反(fan)射(she)時(shi)，信(xin)號(hao)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)將(jiang)反(fan)射(she)回(hui)源(yuan)頭(tou)。當(dang)反(fan)射(she)信(xin)號(hao)到(dao)達(da)源(yuan)頭(tou)時(shi)，若(ruo)源(yuan)頭(tou)端(duan)阻(zu)抗(kang)不(bu)等(deng)於(yu)傳(chuan)輸(shu)線(xian)阻(zu)抗(kang)就(jiu)將(jiang)產(chan)生(sheng)二(er)次(ci)反(fan)射(she)。接(jie)著(zhe)，若(ruo)傳(chuan)輸(shu)線(xian)的(de)兩(liang)端(duan)都(dou)存(cun)在(zai)阻(zu)抗(kang)不(bu)連(lian)續(xu)，信(xin)號(hao)將(jiang)在(zai)驅(qu)動(dong)線(xian)路(lu)和(he)接(jie)收(shou)線(xian)路(lu)之(zhi)間(jian)來(lai)回(hui)反(fan)射(she)
，直(zhi)到(dao)最(zui)後(hou)達(da)到(dao)直(zhi)流(liu)穩(wen)態(tai)。

 

下麵
，我們來分析這種情況。如果已知驅動器的源電壓、傳輸線時延TD、信號沿途各區域的阻抗，就可以計算出每個交界麵的反射

，並計算出每一點的實時電壓。

 

例如，已知源電壓是1V，內阻是10Ω，則實際進入時延為1ns 50Ω傳輸線的電壓是1V×50/(10+50)＝0.84V。這個0.84V信號就是沿傳輸線傳播的初始入射電壓。

 

1ns後在線末端，假設傳輸線末端開路
，反射係數為1
，開路端的總電壓為兩個波之和，即0.84V+0.84V＝1.68V。

 

再經過1ns後，0.84V反射波到達源端，又一次遇到阻抗突變。源端的反射係數是(10 - 50)/(10+50)＝- 0.67，這時將有0.84V×(-0.67)＝-0.56V反射回線遠端。

 

這個新產生的波在遠端又會被反射，即-0.56V電壓將被反射。這樣，線遠端開路處將同時有四個波存在：從一次行波中得到2×0.84 V＝1.68 V，從二次反射中得到的2×(-0.56)＝-1.12 V，故總電壓為0.56 V。

 

-0.56V信號到達源端後仍然會再次反射
，反射電壓是+0.38 V。在遠端新的時刻，總電壓0.56V + 0.38V + 0.38V＝1.32V

 

把上麵的計算用圖形來表示的話，就得到了我們所說的反彈圖

 

 

時域信號波形的表現如下圖：

 

 

圖中有兩個重要的特性：

 

1. 遠端的電壓最終逼近源電壓1V，因為該電路是開路的。這是一個必然的結果——源電壓最終是加在開路上。

2.開路處的實際電壓有時大於源電壓。源電壓僅1V，然而遠端測得的最大電壓是1.68V。高出的電壓是由於傳輸線分布參數L

、C諧振產生的。

 

三.反射什麼時候發生

 

那(na)麼(me)
，反(fan)射(she)什(shen)麼(me)時(shi)候(hou)發(fa)生(sheng)呢(ne)？這(zhe)的(de)確(que)是(shi)一(yi)個(ge)值(zhi)得(de)探(tan)討(tao)的(de)問(wen)題(ti)，前(qian)麵(mian)

，我(wo)們(men)提(ti)過(guo)，反(fan)射(she)由(you)阻(zu)抗(kang)突(tu)變(bian)而(er)起(qi)，而(er)且(qie)阻(zu)抗(kang)改(gai)變(bian)的(de)長(chang)度(du)也(ye)有(you)關(guan)係(xi)，下(xia)麵(mian)我(wo)們(men)通(tong)過(guo)簡(jian)單(dan)的(de)仿(fang)真(zhen)來(lai)驗(yan)證(zheng)下(xia)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)

 

首先
，我們在SigXplorer中搭建一個簡易的Point-Point拓撲結構
，開始時對驅動端的源電阻不得而知，使用理想傳輸線，特征阻抗為50ohm
，傳輸延時為0.1ns，未加任何阻抗匹配元件，仿真頻率選擇50Mhz

 

 

仿真波形如下，可以看到，在驅動端和接收端都有比較大的振鈴

 

 

從cong上shang麵mian的de仿fang真zhen結jie果guo看kan
，源yuan端duan內nei阻zu抗kang和he傳chuan輸shu線xian阻zu抗kang不bu匹pi配pei的de確que造zao成cheng的de反fan射she，產chan生sheng了le過guo衝chong並bing生sheng成cheng了le振zhen鈴ling

，這zhe時shi我wo們men就jiu猜cai想xiang這zhe一yi切qie的de產chan生sheng是shi否fou和he傳chuan輸shu線xian的de長chang度du有you關guan係xi呢ne
？下xia麵mian修xiu改gai傳chuan輸shu線xian延yan時shi為wei0.01ns

 

 

這時候會發現剛才的振鈴和過衝都消失了

 

 

仿真頻率仍然為50Mhz

，看(kan)下(xia)仿(fang)真(zhen)波(bo)形(xing)，驚(jing)訝(ya)地(di)看(kan)到(dao)那(na)些(xie)毛(mao)刺(ci)不(bu)見(jian)了(le)，接(jie)收(shou)端(duan)和(he)驅(qu)動(dong)端(duan)的(de)波(bo)形(xing)接(jie)近(jin)重(zhong)合(he)


，似(si)乎(hu)沒(mei)有(you)發(fa)生(sheng)一(yi)點(dian)變(bian)形(xing)。到(dao)這(zhe)裏(li)有(you)人(ren)也(ye)許(xu)會(hui)下(xia)這(zhe)樣(yang)的(de)結(jie)論(lun)
，傳(chuan)輸(shu)線(xian)足(zu)夠(gou)短(duan)的(de)時(shi)候(hou)
，就(jiu)不(bu)發(fa)生(sheng)反(fan)射(she)了(le)。那(na)麼(me)
，到(dao)底(di)多(duo)短(duan)的(de)時(shi)候(hou)才(cai)會(hui)沒(mei)有(you)反(fan)射(she)呢(ne)？這(zhe)裏(li)直(zhi)接(jie)引(yin)用(yong)Eric博士的研究結果：

 

當TD<上升邊的20%時，振鈴可以忽略
，傳輸線不需要匹配(即線較短的電小尺寸時)

 

 

在 FR4中(前提)，信號傳播速度大約為6in/ns。如果上升邊是1ns，終端沒有匹配的傳輸線最大允許長度約為6 in/ns×0.2ns＝1.2 in。

 

一個易記的經驗法則是：為避免信號完整性出問題
，沒有終端匹配的FR4傳輸線最大容許長度約為：

 

 

其中：Lenmax 沒有終端匹配的傳輸線最大允許長度，單位in

 

RT 信號上升邊，單位ns

 

經驗法則：沒有終端匹配的傳輸線最大允許長度的英寸(inch)值等於信號上升邊的納秒(ns)值。

 

也就是說，如果上升時間是1 ns,則沒有終端端接的傳輸線的最大長度約為1 in,如果上升時間為0.1 ns,則最大長度為0.1 in.

 

上麵的經驗公式是一個非常有用的經驗公式
，它可以用於各種不同的情況中
，比如阻抗突變的長度
，比如短樁線的長度對反射的影響

 

比如在實際的Layout中
，我們希望所有傳輸線的阻抗是一樣的
，但是有時候傳輸線經過BGA的時候，不可避免的需要改變線寬，所以阻抗也跟著就改變了，那麼阻抗的改變對信號的影響如何呢
，繼續看仿真結果

 

 

可以看到，當突變的阻抗(TL3)大於特性阻抗時，信號會有一個向上的過衝
，當突變的阻抗小於特性阻抗時，信號會有一個向下的過衝, 那麼，按照上麵的分析，是不是如果TL3長度足夠短時，反射就可以消除呢，答案是肯定的

 

 

上麵的圖為傳輸線上有25Ω短突變時的反射信號和傳輸信號。如果突變段的時延小於信號上升邊20%
，就不會造成問題，從而，得到了與前麵相同的經驗法則，即可允許的阻抗突變最大長度為

 

 

 

經驗法則：突變段的長度(in)應小於信號上升邊(ns)
，此時可以忽略突變的影響。

 

同樣，可以得到短樁線的最小長度也滿足這個經驗公式

 

 

三.點對點拓撲的端接策略

 

上shang麵mian雖sui然ran分fen析xi了le阻zu抗kang突tu變bian傳chuan輸shu線xian長chang度du足zu夠gou短duan的de時shi候hou
，反fan射she可ke以yi消xiao除chu，但dan是shi在zai現xian在zai的de設she計ji中zhong
，幾ji乎hu所suo有you互hu連lian線xian的de長chang度du都dou大da於yu這zhe個ge值zhi，所suo以yi能neng至zhi少shao在zai一yi端duan消xiao除chu反fan射she
，就jiu可ke以yi減jian小xiao振zhen鈴ling噪zao聲sheng

 

 

上圖是幾種常用的端接方式，第一種源端串聯端接是最常用的方法，下麵來仿真一下

 

 

因為大部分時候，我們並不知道Source 芯片內部的內阻，所以
，串聯電阻的值也隻能通過仿真或者嚐試的辦法得到，如上圖，我們設置R2的值為0~80 Ohm，步進為20，可以得到下麵的波形
，過衝最高的為0ohm, 而40ohm 的波形（藍色）是最接近理想情況的。

 

 

但是加入電阻以後呢，從TL1看進去，入射電壓就等於由R2分壓的電壓
，如果完美匹配的話，就是原電壓的1/2, 通過波形來看一下，R2.2 端得波形如下圖灰色的信號所示，它在一定的時間內有一個台階
，幅度為原電壓的一半
，持續時間為2倍的傳輸延時，這也就是為什麼在實際的測試中，在輸出端測出的波形經常會有一個台階的原因

 

 

簡易阻抗匹配方法

 

在(zai)高(gao)速(su)的(de)設(she)計(ji)中(zhong)，阻(zu)抗(kang)的(de)匹(pi)配(pei)與(yu)否(fou)關(guan)係(xi)到(dao)信(xin)號(hao)的(de)質(zhi)量(liang)優(you)劣(lie)。阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)的(de)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)說(shuo)是(shi)豐(feng)富(fu)多(duo)樣(yang)
，在(zai)此(ci)隻(zhi)對(dui)幾(ji)種(zhong)簡(jian)單(dan)常(chang)用(yong)的(de)端(duan)接(jie)方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)介(jie)紹(shao)。為(wei)什(shen)麼(me)要(yao)進(jin)行(xing)阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)呢(ne)
？無(wu)外(wai)乎(hu)幾(ji)種(zhong)原(yuan)因(yin)

，如(ru)減(jian)少(shao)反(fan)射(she)、控製信號邊沿速率、減少信號波動
、一些電平信號本身需要等等。

 

端接阻抗匹配一般有5種方法：

 

1.源端串聯匹配，

2.終端並聯匹配
，

3.戴維南匹配，

4.RC網絡匹配
，

5.二極管匹配。

 

1.串聯端接匹配：

 

 

一般多在源端使用
，Rs（串聯電阻） = Z0（傳輸線的特性阻抗）- R0(源阻抗）。例如：若R0為22,Z0為55Ω，則Rs應為33Ω。

 

優點：

 

①器件單一；

②抑製振鈴，減少過衝；

③適用於集總線型負載和單一負載
；

④增強信號完整性
，產生更小EMI。

 

缺點：

 

①當TTL,CMOS器件出現在相同網絡時，串聯匹配不是最佳選擇；

②分布式負載不是適用
，因為在走線路徑的中間，電壓僅是源電壓的一半；

③接收端的反相反射仍然存在；

④影響信號上升時間並增加信號延時。

 

2.並聯端接匹配：

 

 

此Rt電阻值必須等於傳輸線所要求的電阻值，電阻的一端接信號，一端接地或電源。簡單的終端並聯匹配一般不用於TTL,COMS電路
，因為在高邏輯狀態時，此方法需要較大的驅動電流。

 

優點：

 

①器件單一；

②適用於分布式負載；

③反射幾乎可以完全消除；

④電阻阻值易於選擇。

 

缺點：

 

①此電阻需要驅動源端的電流驅動，增加係統電路的功耗；

②降低噪聲容限。

此電阻值必須等於傳輸線所要求的電阻值。電阻的一端接信號
，一端接地。簡單的終端並聯匹配一般不用於TTL,COMS電路，因為他們無法提供強大的輸出電流。

 

3.戴維南端接匹配：

 

 

一個電阻上拉

，一個電阻下拉，通常采用 R1/R2 = 220/330的比值。戴維南等效阻抗必須等於走線的特性阻抗。對於大多數設計R1>R2,否則TTL/COMS電路將無法工作。

 

優點：

 

①適用於分布式負載；

②完全吸收發送波，消除反射。

 

缺點：

 

①增加係統電路的功耗
；

②降低噪聲容限

；

③使用兩個電阻，增加布局
、布線難度；

④電阻值不易於選擇。

 

4.RC網絡匹配：

 

 

電阻與電容相連，電阻另一端接信號，電容另一端接地。電阻應等於走線特性阻抗，容值通常較小（20pF-600pF）。對差分信號隻需三個原件，兩個電阻加一個電容。

 

優點：

 

①適用於分布式及總線型負載
；

②完全吸收發送波，消除反射；

③具有很低的直流功率損耗。

 

缺點：

 

①會降低高速信號的速率
，增加信號延時；

②RC電路的時間常數會導致電路中存在反射
；

③對於高頻、高速短路要慎用；

④使用兩個器件
，增加布局

、布線難度。

 

5.二極管端接匹配：

 

 

此端接常用於差分或成對網絡，二極管常用於限製走線過程的過衝。

 

優點：

 

①預防輸入端的過衝。

 

缺點：

 

①不能減少反射。

 

 

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