高速PCB设计中的阻抗匹配

阻抗匹配

阻抗匹配是指在能量传输时,要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此时的传输不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了。反之则在传输中有能量损失。在高速PCB设计中,阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。

PCB走线什么时候需要做阻抗匹配?

不主要看频率,而关键是看信号的边沿陡峭程度,即信号的上升/下降时间,一般认为如果信号的上升/下降时间(按10%~90%计)小于6倍导线延时,就是高速信号,必须注意阻抗匹配的问题。导线延时一般取值为150ps/inch。

特征阻抗

信号沿传输线传播过程当中,如果传输线上各处具有一致的信号传播速度,并且单位长度上的电容也一样,那么信号在传播过程中总是看到完全一致的瞬间阻抗。由于在整个传输线上阻抗维持恒定不变,我们给出一个特定的名称,来表示特定的传输线的这种特征或者是特性,称之为该传输线的特征阻抗。特征阻抗是指信号沿传输线传播时,信号看到的瞬间阻抗的值。特征阻抗与PCB导线所在的板层、PCB所用的材质(介电常数)、走线宽度、导线与平面的距离等因素有关,与走线长度无关。特征阻抗可以使用软件计算。高速PCB布线中,一般把数字信号的走线阻抗设计为50欧姆,这是个大约的数字。一般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线(差分)为100欧姆。

常见阻抗匹配的方式

1、串联终端匹配

在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下,在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R,使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配,抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射。
匹配电阻选择原则:匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和等于传输线的特征阻抗。常见的CMOS和TTL驱动器,其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。因此,对TTL或CMOS电路来说,不可能有十分正确的匹配电阻,只能折中考虑。链状拓扑结构的信号网路不适合使用串联终端匹配,所有的负载必须接到传输线的末端。
串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗小,不会给驱动器带来额外的直流负载,也不会在信号和地之间引入额外的阻抗,而且只需要一个电阻元件。
常见应用:一般的CMOS、TTL电路的阻抗匹配。USB信号也采样这种方法做阻抗匹配。

2、并联终端匹配

在信号源端阻抗很小的情况下,通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配,达到消除负载端反射的目的。实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。
匹配电阻选择原则:在芯片的输入阻抗很高的情况下,对单电阻形式来说,负载端的并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等;对双电阻形式来说,每个并联电阻值为传输线特征阻抗的两倍。
并联终端匹配优点是简单易行,显而易见的缺点是会带来直流功耗:单电阻方式的直流功耗与信号的占空比紧密相关;双电阻方式则无论信号是高电平还是低电平都有直流功耗,但电流比单电阻方式少一半。
常见应用:以高速信号应用较多。
(1)DDR、DDR2等SSTL驱动器。采用单电阻形式,并联到VTT(一般为IOVDD的一半)。其中DDR2数据信号的并联匹配电阻是内置在芯片中的。
(2)TMDS等高速串行数据接口。采用单电阻形式,在接收设备端并联到IOVDD,单端阻抗为50欧姆(差分对间为100欧姆)。
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