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，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，SIgongchengshisuoyaozuodejiushijinliangjianshaofansheduixinhaodeyingxiang，fanshedegenyuanshizukangbupipei，suoyijianxiaofanshezuiyouxiaodetujingjiushiduanjie，duanjiefangfadexuanze，zhongduandianzudexuanqu，doudui。

 

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(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，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

 

shangmiansuiranfenxilezukangtubianchuanshuxianchangduzugouduandeshihou
，fanshekeyixiaochu，danshizaixianzaideshejizhong，jihusuoyouhulianxiandechangdudoudayuzhegezhi，suoyinengzhishaozaiyiduanxiaochufanshe，jiukeyijianxiaozhenlingzaosheng

 

 

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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