快點PCB原創∣聚焦SI問題之匹配電路設計
發布時間：2016-9-29 10:31
發布者：mwkjhl
關鍵詞：
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本篇文檔重點介紹常見信號匹配方式，匹配電路的設計是解決SI問題的重要手段，可以先了解通用的匹配電路方式，再逐步掌握比較復雜拓撲結構下的匹配電路設計。 匹配電路按照所處的位置分為：源端匹配（發送端）、終端匹配（接收端） 1. 常見信號匹配電路 1.1 串聯電阻匹配 串聯電阻匹配通常用于源端（發送端），即在驅動器輸出端和信號傳輸線之間串聯一個電阻。驅動器輸出阻抗R0以及電阻R值的和必須同信號線的特征阻抗Z0匹配。 對于這種類型的匹配電路，由于信號會在傳輸線、串聯匹配電阻以及驅動器的阻抗之間實現信號電壓的分配，因而加在信號傳輸線上的電壓實際只有部分的信號電壓。 而在終端（接收端），由于信號線阻抗和接收器阻抗的不匹配，通常情況下，接收器的輸入阻抗更高，因而會導致大約同樣幅度值信號的反射，稱之為附加的信號波形。因而接收器會馬上看到全部的信號電壓（附加信號和反射信號之和），而附加的信號電壓會向驅動端傳遞。然而不會出現進一步的信號反射，這是因為串聯的匹配電阻在接收器端實現了反射信號的終端匹配。 串聯電阻匹配的優點是在原有電路每一個驅動器僅增加了一個電阻元件，匹配電阻的功耗是最小的，因而驅動器不會增加任何額外的直流負載，也不會在信號線與地平面之間引入額外的阻抗。
對長走線進行串聯電阻匹配后仿真波形如下，供參考：
1.2 并聯電阻匹配 并聯電阻匹配通常用于終端（接收端），即通過一個電阻R將傳輸線的末端接到地或電源VCC上。電阻R的值必須同傳輸線的特征阻抗Z0匹配，以消除信號的反射。如果R同傳輸線的特征阻抗Z0匹配，不論匹配電壓的值如何，終端匹配電阻將吸收形成信號反射的能量。并聯電阻接到電源VCC可以提高驅動能力、接到地則可以提高電流的吸收能力。 并聯電阻匹配的優點是設計和應用簡便易行，在電路末端僅需要一個額外的元器件；缺點在于終端并聯電阻會帶來直流功率消耗。另外并聯電阻匹配也會使信號的邏輯高輸出電平的情況退化、從而降低了接收器對噪聲的免疫能力。
對長走線進行并聯電阻匹配后仿真波形如下，供參考： 
1.3戴維南匹配 戴維南電路匹配技術也叫做雙電阻匹配技術，通常用于終端（接收端）。 采用兩個電阻來實現終端匹配，R1和R2的并聯組合要求同信號線的特征阻抗Z0匹配。R1的作用是幫助驅動器更加容易地到達邏輯高狀態，這通過從VCC向負載注入電流來實現。與此相類似，R2的作用是幫助驅動器更加容易地到達邏輯低狀態，這通過R2向地釋放電流來實現。 戴維南電路匹配的優勢在于終端匹配電阻同時還作為上拉電阻和下拉電阻來使用，因而提高了系統的噪聲容限。戴維南電路匹配通過向負載提供額外的電流從而有效地減輕了驅動器的負擔，同時還可以有效地抑制信號過沖。 戴維南電路匹配的一個缺點是無論邏輯狀態是高還是低，在VCC到地之間都會有一個常量的直流電流存在，因而會導致終端匹配電阻中有靜態的直流功耗。 這種終端匹配技術同樣也要求兩個匹配電阻之間存在一定的比例關系，同時也存在額外的到電源和地的線路連接。負載電容和電阻（Z0、R1和R2的并聯組合）會對信號的上升時間產生影響，提升驅動器的輸出電壓。
對長走線進行戴維南終端匹配后仿真波形如下，供參考：
1.4 AC匹配 AC匹配也可稱為RC終端匹配技術，由一個電阻R和一個電容C組成，電阻R和電容C連接在傳輸線的負載端。 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的反射，電容值的選擇要注意與R值的配合、要確保RC時間常數大于該傳輸線負載延時的兩倍。終端匹配元器件上的功率消耗是頻率、信號占空比、以及過去數據位模式的函數。所有這些因素都將影響終端匹配電容的充電和放電特性，從而影響功率消耗。 AC匹配的優勢在于終端匹配電容阻隔了直流通路，因此節省了可觀的功率消耗，同時恰當地選取匹配電容的值，可以確保負載端的信號波形接近理想的方波，同時信號的過沖與下沖又都很小。 AC終端匹配技術的缺點是信號線上的數據可能出現時間上的抖動，這主要取決于在此之前的數據位模式。
對長走線進行RC終端匹配后仿真波形如下，供參考：
1.5 肖特基二極管匹配 肖特基二極管匹配也稱之為二極管終端匹配技術，由兩個肖特基二極管組成。傳輸線末端任何的信號反射，如果導致接收器輸入端上的電壓超過VCC和二極管的正向偏值電壓，該二極管就會正向導通連接到VCC上。該二極管導通從而將信號的過沖箝位到VCC和二極管的閾值電壓的和上。 同樣連接到地上的二極管也可以將信號的下沖限制在二極管的正向偏置電壓上。然而該二極管不會吸收任何的能量，而僅僅只是將能量導向電源或者是地。這種工作方式的結果是，傳輸線上就會出現多次的信號反射。信號的反射會逐漸衰減，主要是因為能量會通過二極管在電源和地之間實現能量的交換，以及傳輸線上的電阻性損耗。能量的損耗限制了信號反射的幅度，確保信號的完整性。 不同于傳統的終端匹配技術，肖特基二極管終端匹配技術的優勢是無須考慮真正意義上的匹配。所以，當傳輸線的特征阻抗Z0不清楚時，比較適合采用這種終端匹配技術。同時，在肖特基二極管上的動態導通電阻上消耗的功率遠遠小于任何電阻類型終端匹配技術的功率消耗。事實上，反射功率的一部分會通過正向偏置的二極管反饋回到VCC或者地，同樣也可以在傳輸線上任何可能引發信號反射的位置加入肖特基二極管。二極管終端匹配技術的缺點是多次信號反射的存在可能會影響后續信號的行為。
2. 多負載拓撲電路的匹配設計 在實際電路中常常會遇到多負載拓撲總線電路結構，這時需要根據負載情況及電路的布線拓撲結構來確定端接方式和使用端接的數量。一般情況下可以考慮以下兩種方案。 如果多個負載之間的距離較近，可通過一條傳輸線與驅動端連接，負載都位于這條傳輸線的終端，這時只需要一個端接電路。如采用串行電阻匹配，則在傳輸線源端按照阻抗匹配加入一串行電阻即可；如采用并行端接（以簡單并行端接為例），則端接應置于離源端距離最遠的負載處，同時，線網的拓撲結構應優先采用菊花鏈的連接方式，如下圖所示：
如果多個負載之間的距離較遠，需要通過多條傳輸線與驅動端連接，這時每個負載都需要一個端接電路。如采用串行端接，則在傳輸線源端每條傳輸線上均加入一串行電阻；如采用并行端接（以簡單并行端接為例），則應在每一負載處都進行端接，下圖所示：
多負載拓撲結構電路的匹配設計比較復雜，是否采用遠端串聯電阻還需要考慮信號的驅動能力和反射情況，根據具體PCB走線拓撲的情況，需要對終端并聯匹配電阻的阻值進行選擇，這通常通過電路信號仿真工具來進行。 在仿真工具中，搭建電路拓撲結構，仿真工具支持參數掃描模式，通過多種參數組合仿真、在其中選擇最優的匹配設計方案。 |
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