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淺談阻抗匹配(六)傳輸線端接的工作原理

冬至子 ? 來源:高速研究員 ? 作者:Joey ? 2023-11-03 14:50 ? 次閱讀

(3)戴維 )端接

上拉端接會(huì)拉高低電平,下拉端接會(huì)降低高電平,這兩種端接方式雖然都可以抑制過沖和振鈴,但同時(shí)也會(huì)減小信號(hào)裕量,如果使用不當(dāng)還會(huì)造成信號(hào)電平的誤觸發(fā)。戴維南端接方式既可以抑制過沖,又沒有這些缺陷。缺點(diǎn)就是在邏輯高和邏輯低狀態(tài)下, 都有直流功耗 ,所以該端接方式 功耗較大 ,同時(shí)所用器件 較多,容易造成PCB布線緊張。

圖片

圖片

工作原理

它采用上拉電阻R1和下拉電阻R2構(gòu)成端接電阻,通過R1和R2吸收反射。R1和R2阻值的選取由下面的條件決定。R1的最大值由可接受的信號(hào)的最大上升時(shí)間(是RC充放電時(shí)間常數(shù)的函數(shù))決定,R1的最小值由驅(qū)動(dòng)源的吸電流數(shù)值決定。R2的選擇應(yīng)滿足當(dāng)傳輸線斷開時(shí)電路邏輯高電平的要求。戴維南等效阻抗可表示為:

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戴維南電壓圖片為:

圖片

圖片的選擇必須確保驅(qū)動(dòng)器的輸出高電平IOH和低電平的IOL電流在驅(qū)動(dòng)器的性能指標(biāo)范圍以內(nèi),其值可按下式確定

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所以,可得到:

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R1的作用是幫助驅(qū)動(dòng)器更加容易到達(dá)邏輯高狀態(tài),這就需通過從VCC向負(fù)載注入電流來實(shí)現(xiàn). R2的作用是幫助驅(qū)動(dòng)器更加容易到達(dá)邏輯低狀態(tài),這通過R2 向地釋放電流來實(shí)現(xiàn)。

恰當(dāng)?shù)剡x取R1和R2的值可以加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器的輸出能力,并且淡化由于信號(hào)占空比不一致而導(dǎo)致的功耗的改變。

戴維南終端匹配技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于,在這種匹配方式下,終端匹配電阻同時(shí)還作為上拉電阻和下拉電阻來使用,因而 提高了系統(tǒng)的噪聲容限 ,通過向負(fù)載提供額外的電流從而降低了對(duì)源端器件驅(qū)動(dòng)能力的要求。適用于分布式負(fù)載;可以完全吸收發(fā)送波,消除反射。這種方案能夠 很好地抑制過沖 。

戴維南終端匹配的缺點(diǎn)就是無論邏輯狀態(tài)是高還是低,在VCC到地之間都會(huì)有一個(gè)常量的直流電流存在,因而會(huì)導(dǎo)致終端匹配電阻中有 靜態(tài)的直流功耗 .信號(hào)負(fù)載為電容時(shí),相對(duì)于沒有匹配的信號(hào)線而言,戴維南終端匹配技術(shù)同樣會(huì)改善信號(hào)的質(zhì)量,使得信號(hào)的擺動(dòng)縮小。

另外,戴維寧端接減小了接容性負(fù)載時(shí)信號(hào)的斜率( 電容充放電導(dǎo)致上升/下降沿變緩 ), 容性負(fù)載和電阻增加了RC時(shí)間常數(shù) ,導(dǎo)致了 驅(qū)動(dòng)器輸出電壓的上升 。簡(jiǎn)言之:增加系統(tǒng)電路功耗;使用兩個(gè)電阻,布局布線難度大;阻值不易選擇。

(4)AC端接

有些地方也叫 RC端接 ,其實(shí)就是在并聯(lián)端接的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電容,電容一般采用0.1uF多層陶瓷電容,由于電容通低頻阻高頻的作用,因此電阻不是驅(qū)動(dòng)源的直流負(fù)載,故這種端接方式 無任何直流功耗 ,交流功耗也非常小,該端接主要用于時(shí)鐘電路。

需注意,此RC電路可能會(huì)因此 電路上升沿變緩 ,雖然會(huì)降低EMC,但如果過緩,則會(huì)引起數(shù)據(jù)線 時(shí)序問題 。在數(shù)據(jù)線上使用這種電路時(shí),需特別小心。

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工作原理:

端接電阻 R要小于等于傳輸線阻抗Z0(常見40-50歐姆) ,電容C推薦使用0.1uF的多層陶瓷電容。

圖片圖片

所以有:

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可見電容C的選擇很復(fù)雜. 電容值太小會(huì)導(dǎo)致RC 時(shí)間常數(shù)過小,這樣一來該RC 電路就類似于一個(gè)尖銳信號(hào)沿發(fā)生器,從而引入信號(hào)的過沖與下沖,一般高速電路電容值10-100pF. 另一方面,較大的電容值會(huì)帶來更大的功率消耗. 通常情況下,要確保RC時(shí)間常數(shù)大于該傳輸線負(fù)載延時(shí)的兩倍,即

圖片,

其中:圖片為接收器的分布電容,圖片為PCB 傳輸線的內(nèi)在電容.

理想的電容值將隨著傳輸線阻抗,邊沿速率,預(yù)期的信號(hào)質(zhì)量的變化而變化。這個(gè)值不是最關(guān)鍵的,但是測(cè)試表明,對(duì)于FCT邏輯,100PF的電容值能夠得到很好的折衷,將電容值增加到200PF會(huì)改善信號(hào)的質(zhì)量,但是卻以功率損耗為代價(jià)。把電容值減小到47PF,降低了功率損耗,但是信號(hào)的質(zhì)量會(huì)變差。值低于47PF會(huì)對(duì)濾波有非常高的頻率響應(yīng),對(duì)傳輸線的端接是無效的。值高于200PF,會(huì)增加功率損耗而不會(huì)有附加的信號(hào)質(zhì)量的改善。

RC 終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于終端匹配電容阻隔了直流通路,因此節(jié)省了較大的功率消耗( 直流功耗低 ). 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 ,而信號(hào)的過沖與下沖又都很小.適用于分布式及總線型負(fù)載,完全吸收發(fā)送波,消除反射;

RC 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)(時(shí)序問題) . 標(biāo)準(zhǔn)的RS2422 接口協(xié)議不建議使用RC 終端匹配技術(shù). 同樣,電流模式的驅(qū)動(dòng)器也不能采用RC 終端匹配技術(shù).另外,RC端接的性能依賴于傳輸線的長(zhǎng)度,RC端接不適合于在傳輸線上有多源分布的情況。

另外RC終端匹配易降低信號(hào)速率, 增加延時(shí),上升沿變緩; RC時(shí)間常數(shù)會(huì)導(dǎo)致電路中存在反射;高頻、高速慎用;兩個(gè)器件,布局布線難度大,成本高。

(5)終端肖特基并聯(lián)端接

又叫二極管并聯(lián)端接,通常應(yīng)用在器件內(nèi)部(電壓位,保護(hù)器件 )。

傳輸線末端任何的信號(hào)反射,如果導(dǎo)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(huì)正向?qū)ㄟB接到VCC上。該二極管導(dǎo)通從而將信號(hào)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(hào)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(huì)吸收任何的能量,而僅僅只是將能量導(dǎo)向電源或者是地。這種工作方式的結(jié)果是,傳輸線上就會(huì)出現(xiàn)多次的信號(hào)反射。

信號(hào)的反射會(huì)逐漸衰減,主要是因?yàn)槟芰繒?huì)通過二極管在電源和地之間實(shí)現(xiàn)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(hào)反射的幅度,確保信號(hào)的完整性。

現(xiàn)在很多器件自帶有輸入保護(hù)二極管,該端接能有效減小信號(hào)過沖和下沖,但并不能消除反射( 只是降幅 );同時(shí) 二極管的開關(guān)速度會(huì)限制響應(yīng)時(shí)間 ,所以較高速系統(tǒng)不合適。

某些情況可以使用肖特基二極管或快速開關(guān)硅管進(jìn)行傳輸線端接,條件是 二極管的開關(guān)速度必須至少比信號(hào)上升時(shí)間快4倍以上(肖特基響應(yīng)速度約10ns,普通二極管400ns) 。在面包板和底板等線阻抗不好確定的情況下,使用二極管端接即方便又省時(shí)。如果在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)振鈴問題,可以很容易地加入二極管來消除。

圖片

典型的二極管端接如上圖所示。肖特基二極管的低正向電壓降Vf(典型0.3到0.45V)將輸入信號(hào)鉗位到GROUND-Vf和VCC+Vf之間。這樣就顯著減小了信號(hào)的過沖(正尖峰)和下沖(負(fù)尖峰)。在某些應(yīng)用中也可只用一個(gè)二極管。

二極管端接的優(yōu)點(diǎn)在于:二極管替換了需要電阻和電容元件的戴維寧端接或RC端接,通過二極管鉗位減小過沖與下沖 ,不需要進(jìn)行線的阻抗匹配 。盡管二極管的價(jià)格要高于電阻,但系統(tǒng)整體的布局布線開銷也許會(huì)減少,因?yàn)椴辉傩枰紤]精確控制傳輸線的阻抗匹配。且 功耗小,當(dāng)傳輸線的特征阻抗Z0不清楚時(shí),比較適合采用這種終端匹配技術(shù) 。

二極管端接的缺點(diǎn)在于:二極管的開關(guān)速度一般很難做到很快,因此對(duì)于較 高速的系統(tǒng)不適用 。因?yàn)榇嬖诙帱c(diǎn)反射會(huì)影響相應(yīng)的信號(hào)激勵(lì),二極管對(duì)轉(zhuǎn)換頻率的響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化。肖特基二極管對(duì)于3.3V和5V的邏輯族是有效的( 1.8V及以下信號(hào)幾乎沒有作用 )。

(6)ODT芯片內(nèi)部端接匹配;

DDR內(nèi)部有ODT的控制電阻,用來做匹配;芯片內(nèi)端接是在器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)端接匹配的要求,通常是終端并聯(lián)匹配。器件內(nèi)部可以備用幾種可選的匹配電阻值以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求進(jìn)行選擇。

(1)優(yōu)點(diǎn):不需要外部器件,易于布線。

(2)缺點(diǎn):匹配電阻是器件已經(jīng)決定的。增加了器件的功耗。同戴維南端接,電阻值選取需要綜合考慮電平幅度與阻抗的控制。

圖片

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