高速數(shù)字電路中的終端匹配技術(shù)
PCB 板上的導(dǎo)線具有電阻、電容和電感等電氣特性。當(dāng)導(dǎo)線的阻抗與導(dǎo)線兩端外接負(fù)載不匹配時(shí)會導(dǎo)致信號產(chǎn)生反射現(xiàn)象，從而引起信號完整性（SI）問題。一般來說，減少SI 問題的常用方法是在傳輸線上增加端接元件，這稱之為終端匹配技術(shù)。本文介紹了常用的幾種終端匹配技術(shù)：包括并行連接的終端匹配、串行連接的終端匹配、戴維南終端匹配、AC 終端匹配和基于二極管的終端匹配。
隨著數(shù)字電路時(shí)鐘速度的提高，信號完整性（SI）已成為越來越關(guān)心的問題。當(dāng)電路中信號能以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)負(fù)載IC 時(shí)，該電路就有很好的信號完整性。當(dāng)信號不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號完整性問題。象誤觸發(fā)、阻尼振蕩、過沖、欠沖等信號完整性問題會造成時(shí)鐘間歇振蕩和數(shù)據(jù)出錯(cuò)。在實(shí)際的PCB 板上的導(dǎo)線具有電阻、電容和電感等電氣特性，驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗通常小于PCB 互聯(lián)信號線的特征阻抗，而PCB 互聯(lián)信號線的特征阻抗一般來說也小于接收器的輸入阻抗。這種阻抗的不連續(xù)性就會導(dǎo)致設(shè)計(jì)系統(tǒng)中信號反射的出現(xiàn)。在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，PCB 板線路上的電容和電感會使導(dǎo)線等效于一條傳輸線。傳輸線上的阻抗會使信號達(dá)不到規(guī)定的電壓幅度，線路阻抗與外接負(fù)載不匹配會產(chǎn)生信號反射現(xiàn)象，這些都會引起信號完整性問題。
一般來說減少信號完整性問題的常用方法是在傳輸線上增加端接元件。端接元件是一些無源元件，如電阻和電容。終端匹配技術(shù)就是利用這些元件在傳輸線和負(fù)載間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配從而防止SI 問題。電阻可以用來匹配傳輸線阻抗與接收器的阻抗，而電容則可以用來限制電壓的變化從而削弱阻尼信號的能量。最常見的無源終端匹配技術(shù)包括并行連接的終端匹配技術(shù)、戴維南終端匹配技術(shù)、串行連接的終端匹配技術(shù)以及AC 終端匹配技術(shù)等。了解不同的終端匹配技術(shù)各自的優(yōu)、缺點(diǎn)有助于選擇適合的終端匹配技術(shù)用于PCB 板設(shè)計(jì)以控制SI問題。以下就對這幾種終端匹配技術(shù)進(jìn)行一個(gè)簡單的介紹。
1 并連終端匹配
并聯(lián)終端匹配是最簡單的阻抗匹配技術(shù), 通過一個(gè)電阻R 將傳輸線的末端（可能是開路，也可能是負(fù)載）接到地或者接到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，那么匹配電阻將吸收造成信號反射的能量，而不管匹配電壓的值。在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，返回通路上吸收的電流通常都大于電源上提供的電流。將終端匹配到VCC 可以提高驅(qū)動(dòng)器的能力，而將終端匹配到地則可以提高地上的吸收能力。所以，對于50%占空比的信號而言，將終端匹配到VCC 要優(yōu)于將終端匹配到地。
并聯(lián)終端匹配的優(yōu)勢是這種類型的終端匹配方式僅需要一個(gè)額外的元器件。這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于終端匹配電阻會帶來直流功耗，匹配電阻的值通常為50Ω 到150Ω ，所以在邏輯高和邏輯低狀態(tài)下都會有恒定的直流電流從驅(qū)動(dòng)器流入驅(qū)動(dòng)器的直流負(fù)載中。另外并聯(lián)終端匹配也會降低信號的高輸出電平。將TTL 輸出終端匹配到地會降低VOH 的電平值，從而降低接收器輸入端的抗噪聲能力。
2 戴維南終端匹配技術(shù)
戴維南終端匹配技術(shù)也叫做雙終端匹配技術(shù)，它采用兩個(gè)電阻R1 和R2 來實(shí)現(xiàn)終端匹配。根據(jù)戴維南終端匹配設(shè)計(jì)規(guī)則，戴維南電壓VTH=VR2 必須確保驅(qū)動(dòng)器的IOH和IOL 電流在驅(qū)動(dòng)器的性能指標(biāo)范圍以內(nèi)。R1 通過從VCC 向負(fù)載注入電流來幫助驅(qū)動(dòng)器更容易到達(dá)邏輯高狀態(tài)；R2 幫助通過向地吸收電流來將驅(qū)動(dòng)器下拉到邏輯低狀態(tài)。當(dāng)R1 和R2 的并聯(lián)同信號線的特征阻抗Z0 匹配時(shí)可以加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器的扇出能力，并且減小由于信號占空比的變化導(dǎo)致的功耗的改變。
戴維南終端匹配的優(yōu)勢在于終端匹配電阻仍然是作為上拉電阻和下拉電阻來使用，它能夠有效地抑制信號過沖，使得信號的偏擺縮小，從而加強(qiáng)了系統(tǒng)的噪聲容限。戴維南終端匹配技術(shù)同樣通過向負(fù)載提供額外的電流也減輕了驅(qū)動(dòng)器的負(fù)擔(dān)，這部分額外的電流在大的信號擺動(dòng)電壓系統(tǒng)比如基于5V 和3.3V 的CMOS 和BiCMOS 的系統(tǒng)中顯得尤為有益。戴維南終端匹配需要有存在著比例關(guān)系的兩個(gè)電阻在VCC 和地之間有額外的線路連接，這樣無論電路的邏輯狀態(tài)是高還是低，都會有一個(gè)從VCC 到地的常量的直流電流，這會導(dǎo)致終端匹配電阻中有靜態(tài)的直流功耗。與此同時(shí)，傳輸線上的電壓也就等于三態(tài)總線上的戴維南電壓，這個(gè)值接近于器件的開關(guān)閾值電壓，這對于CMOS 邏輯器件來說同樣會導(dǎo)致更高的功耗。
3 串行連接終端匹配技術(shù)
串行連接終端匹配技術(shù)是在源端的終端匹配技術(shù)。同其它類型的終端匹配技術(shù)不一樣，串行連接終端匹配技術(shù)是由連接在驅(qū)動(dòng)器輸出端和信號線之間的一個(gè)電阻組成。驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗RD 以及電阻R 值的和必須同信號線的特征阻抗Z0 匹配。在串行連接終端匹配技術(shù)中，由于信號會在傳輸線、串行連接匹配電阻以及驅(qū)動(dòng)器的阻抗之間實(shí)現(xiàn)信號電壓的分配，因而加在傳輸線上的電壓只有信號電壓的一半。而在接收端，由于傳輸線阻抗和接收器阻抗的不匹配，通常情況下接收器的輸出阻抗更高，這會導(dǎo)致大約同樣幅度值信號的反射，這稱之為附加的信號波形。故分配在負(fù)載端的信號電壓大約是驅(qū)動(dòng)器輸出信號電壓的一半，再加上同樣幅值的附加信號電壓，使得接收器馬上就會接收到完整的信號電壓。而附加的信號電壓會反向傳遞到驅(qū)動(dòng)端，但是串行連接的匹配電阻在接收器端實(shí)現(xiàn)了反射信號的終端匹配，因而不會出現(xiàn)進(jìn)一步的信號反射，從而保證了傳輸線上信號的完整性。
串行連接終端匹配技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是這種匹配技術(shù)僅僅為每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器加入了一個(gè)電阻元件，因此相對于其它類型的電阻匹配技術(shù)來說匹配電阻的功耗是最小的，它沒有為驅(qū)動(dòng)器增加任何額外的直流負(fù)載，并且也不會在信號線與地之間引入額外的阻抗。串行連接的終端匹配技術(shù)的典型應(yīng)用包括CMOS 到CMOS 的連接，這是由于串行連接的終端匹配電阻不會在信號傳輸線和地之間導(dǎo)入額外的阻抗。而且這種終端匹配技術(shù)也特別適合先進(jìn)的CMOS 邏輯器件系列，比如FACT 和ECL 邏輯。對于FACT 器件系列來說，串行連接的終端匹配電阻增加了驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗。所以，相對于沒有終端匹配的驅(qū)動(dòng)器連接來說驅(qū)動(dòng)器會消耗更少的功耗。
4 AC 終端匹配技術(shù)
AC 終端匹配技術(shù)也稱之為RC 終端匹配技術(shù)，它是由一個(gè)電阻R 和一個(gè)電容C 組成的，電阻R 和電容C 連接在傳輸線的負(fù)載一端。對于AC 終端匹配來說，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，而電容的值的挑選卻十分復(fù)雜。這是因?yàn)殡娙葜递^小的話會導(dǎo)致RC 時(shí)間常數(shù)過小，這樣一來該RC 電路就類型于一個(gè)尖銳信號沿發(fā)生器，從而引起信號的過沖與下沖；反之，較大的電容值會引入更大的功耗。信號的頻率、信號占空比、以及過去的數(shù)據(jù)位模式等因素都會影響終端匹配電容的充電和放電特性，從而影響功率消耗。通常情況下，RC 時(shí)間常數(shù)大于該傳輸線負(fù)載延時(shí)的兩倍較為理想。
AC 終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢在于終端匹配電容阻斷了直流通路，因此節(jié)省了可觀的功率消耗，同時(shí)恰當(dāng)?shù)剡x取匹配電容的值，可以確保負(fù)載端的信號波形接近理想的方波，同時(shí)信號的過沖與下沖又都很小。AC 終端匹配技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是信號線上的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)時(shí)間上的抖動(dòng)，這取決于在此之前的數(shù)據(jù)模式。舉例來說，一長串比較接近的數(shù)據(jù)位會導(dǎo)致信號傳輸線和電容充電到驅(qū)動(dòng)器的最高輸出電平的值，如果緊接著的是一個(gè)相位相反的數(shù)據(jù)位就需要花比正常情況更長的時(shí)間來確保信號跨越邏輯閾值電平。因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)序的余量時(shí)務(wù)必將這一額外的時(shí)間考慮在內(nèi)以確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作。
5 肖特基二極管終端匹配
肖特基二極管終端匹配技術(shù)也稱之為二極管終端匹配技術(shù)，由兩個(gè)肖特基二極管組成。傳輸線末端的信號反射，導(dǎo)致負(fù)載輸入端上的電壓升高超過VCC 和二極管D1 的正向偏值電壓，使得該二極管正向?qū)ㄟB接到VCC 上，從而將信號的過沖嵌位在VCC 和二極管的閾值電壓的和上。同樣，連接到地上的二極管D2 也可以將信號的下沖限制在二極管的正向偏置電壓上。因?yàn)槎O管不會吸收任何的能量，僅僅只是將能量導(dǎo)向電源或者是地，傳輸線上就會出現(xiàn)多次的信號反射。由于能量會通過二極管到電源和二極管到地的消耗，信號的反射會逐漸衰減，能量的損耗限制了信號反射的幅度，以維持信號的完整性。
二極管器件作為終端匹配元件時(shí)對于信號的性能具有很重要的作用。較高的開啟時(shí)間TON 會導(dǎo)致信號下沖；較高的正向偏值電壓VF會產(chǎn)生時(shí)間上的抖動(dòng)；較高的反向恢復(fù)時(shí)間TRR 會提升信號的上升時(shí)間TR。同時(shí)多次信號反射的存在可能會影響后續(xù)信號的波形，所以必須驗(yàn)證二極管在開關(guān)頻率上的響應(yīng)。所以要想發(fā)揮二極管終端匹配技術(shù)的這種優(yōu)勢可以采用具有較小的TON、VF 和TRR 的二極管作為終端匹配元件來保持信號的完整性。而肖特基二極管具備以上的特征。相對于傳統(tǒng)的終端匹配技術(shù)，二極管終端匹配技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢就是無須考慮匹配。所以，當(dāng)傳輸線的特征阻抗Z0 不清楚時(shí)，比較適合采用這種匹配技術(shù)。如果連接到傳輸線的負(fù)載是容性負(fù)載，那么可以有效地降低特征阻抗Z0。特征阻抗Z0 的變化不會影響到這種類型的終端匹配技術(shù)。同時(shí)，在肖特基二極管上的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻上消耗的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于任何電阻類型終端匹配技術(shù)的功率消耗。
6 終端匹配技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用
以上介紹的幾種終端匹配技術(shù)目前在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，例如：在我們開發(fā)的DSP 模塊板上，兩個(gè)SHARC 之間的LINK 通訊就采用了串行連接終端匹配技術(shù)；在開發(fā)的VME 總線背板上，連接所有背板上插槽的VME 總線的控制信號、數(shù)據(jù)信號和地址信號都采用了戴維南終端匹配技術(shù)，這些終端匹配技術(shù)的運(yùn)用有效的解決了信號完整性問題，使最終的產(chǎn)品達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。選用合適的終端匹配技術(shù)是數(shù)字系統(tǒng)性能穩(wěn)定的關(guān)鍵要素之一。不合適的終端匹配技術(shù)可能導(dǎo)致信號振蕩和階梯效應(yīng)，而這些效應(yīng)的出現(xiàn)都會引起負(fù)載誤觸發(fā)從而導(dǎo)致最終數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至癱瘓。
