晶(jing)振(zhen)輸(shu)出(chu)串(chuan)電(dian)阻(zu)就(jiu)來(lai)自(zi)於(yu)最(zui)小(xiao)化(hua)設(she)計(ji)
，對(dui)於(yu)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)裏(li)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)時(shi)鍾(zhong)源(yuan)部(bu)分(fen)
，應(ying)該(gai)特(te)別(bie)注(zhu)意(yi)保(bao)證(zheng)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)，最(zui)小(xiao)化(hua)設(she)計(ji)中(zhong)晶(jing)振(zhen)外(wai)圍(wei)電(dian)路(lu)除(chu)了(le)電(dian)阻(zu)還(hai)要(yao)有(you)一(yi)些(xie)其(qi)他(ta)器(qi)件(jian)。

 

 

上圖中不僅考慮阻抗匹配，同時考慮電平匹配。L7為磁珠。

　　

串chuan電dian阻zu是shi為wei了le減jian小xiao反fan射she波bo
，避bi免mian反fan射she波bo疊die加jia引yin起qi過guo衝chong。有you時shi
，不bu同tong批pi次ci的de板ban子zi特te性xing不bu一yi樣yang，留liu個ge電dian阻zu位wei置zhi便bian於yu調tiao整zheng板ban子zi狀zhuang態tai到dao最zui佳jia。如ru無wu必bi要yao串chuan電dian阻zu

，就jiu用yong0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
、阻zu抗kang匹pi配pei
，減jian小xiao回hui波bo幹gan擾rao及ji導dao致zhi的de信xin號hao過guo衝chong。我wo們men知zhi道dao，隻zhi要yao阻zu抗kang不bu匹pi配pei，都dou會hui產chan生sheng信xin號hao反fan射she，即ji回hui波bo
，有you源yuan晶jing體ti的de輸shu出chu阻zu抗kang通tong常chang都dou很hen低di

，一yi般ban在zai幾ji百bai歐ou以yi下xia
，而er信xin號hao源yuan的de輸shu入ru端duan在zai芯xin片pian內nei部bu結jie構gou上shang通tong常chang是shi運yun放fang的de輸shu入ru端duan
，由you芯xin片pian的de內nei部bu電dian路lu與yu外wai部bu的de無wu源yuan石shi英ying晶jing體ti構gou成cheng諧xie振zhen電dian路lu(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。namezheshihouxinhaofenya，zhenzhengjinruchuanshuxianshangchuanbodezhiyouyuanxinhaodianyadeyiban，daojieshouduanshi，youyujieshouduanzukangweiwuqiongda，fashengfanshe，fanshexishuwei1
，傳輸係數Y=2，即(ji)進(jin)入(ru)接(jie)收(shou)端(duan)的(de)信(xin)號(hao)又(you)等(deng)於(yu)驅(qu)動(dong)端(duan)的(de)信(xin)號(hao)了(le)。而(er)返(fan)回(hui)源(yuan)端(duan)的(de)信(xin)號(hao)因(yin)為(wei)阻(zu)抗(kang)沒(mei)有(you)變(bian)化(hua)，到(dao)源(yuan)端(duan)時(shi)被(bei)源(yuan)電(dian)阻(zu)和(he)串(chuan)聯(lian)匹(pi)配(pei)電(dian)阻(zu)吸(xi)收(shou)了(le)
，不(bu)再(zai)發(fa)生(sheng)反(fan)射(she)
，這(zhe)是(shi)理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)。

 

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Z2deguochengzhong，zukangfashengbianhua，bufenxinhaojiangyanzheyuyuanchuanbofangxiangxiangfandefangxiangfanshe
，erlingyibufenjiangjixuchuanbo，danfuduyousuogaibian。jiangshunshizukangfashenggaibiandedifangchengweizukangtubian，fanshexinhaodedaxiaoyoushunshizukangdetubianchengduqueding，zaililunfenxizhong
，womenyongfanshexishulaibiaoshi

 

 

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
，jiwanquanzhengfanshe，zheyiweizhezaikailuduanchanshengyurushebodaxiaoxiangtong，fangxiangxiangfan

，fanhuiyuanduandefanshebo，ruguoceliangkailuduandedianya，jiangdedaolianggedianyazhihe

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

 

womenzhidao，dangxinhaozaichuanshuxianzhongduandezukangbulianxudianbeifansheshi
，xinhaodeyibufenjiangfanshehuiyuantou。dangfanshexinhaodaodayuantoushi，ruoyuantouduanzukangbudengyuchuanshuxianzukangjiujiangchanshengercifanshe。jiezhe，ruochuanshuxiandeliangduandoucunzaizukangbulianxu

，xinhaojiangzaiqudongxianluhejieshouxianluzhijianlaihuifanshe，zhidaozuihoudadaozhiliuwentai。

 

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(wei)0.01ns

 

 

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
，kanxiafangzhenboxing

，jingyadikandaonaxiemaocibujianle，jieshouduanhequdongduandeboxingjiejinzhonghe，sihumeiyoufashengyidianbianxing。daozheliyourenyexuhuixiazheyangdejielun，chuanshuxianzugouduandeshihou
，jiubufashengfanshele。name，daodiduoduandeshihoucaihuimeiyoufanshene？zhelizhijieyinyongEric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

 

zaigaosudeshejizhong
，zukangdepipeiyufouguanxidaoxinhaodezhiliangyoulie。zukangpipeidejishukeyishuoshifengfuduoyang，zaicizhiduijizhongjiandanchangyongdeduanjiefangfajinxingjieshao。weishenmeyaojinxingzukangpipeine
？wuwaihujizhongyuanyin
，rujianshaofanshe、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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