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          嵌入式開發(fā)技術(shù)何“阻抗匹配“

          作者: 時(shí)間:2016-10-08 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          雙電阻形式的并聯(lián)匹配,也被稱作戴維南終端匹配,要求的電流驅(qū)動(dòng)能力比單電阻形式小。這是因?yàn)閮呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配,每個(gè)電阻都比傳輸線的特征阻抗大。考慮到芯片的驅(qū)動(dòng)能力,兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則:⑴。 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等;⑵。 與電源連接的電阻值不能太小,以免信號(hào)為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過大;⑶。 與地連接的電阻值不能太小,以免信號(hào)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過大。

          并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行;顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)直流功耗:?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴呐c信號(hào)的占空比緊密相關(guān)?;雙電阻方式則無(wú)論信號(hào)是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對(duì)功耗要求高的系統(tǒng)。另外,單電阻方式由于驅(qū)動(dòng)能力問題在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒有應(yīng)用,而雙電阻方式需要兩個(gè)元件,這就對(duì)PCB的板面積提出了要求,因此不適合用于高密度印刷電路板。

          當(dāng)然還有:AC終端匹配; 基于二極管的電壓鉗位等匹配方式。

          二 .將訊號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花2.1 數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號(hào)線(Signal Line)中,當(dāng)出現(xiàn)方波訊號(hào)的傳輸時(shí),可將之假想成為軟管(hose)送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱,另一端接在水龍頭。當(dāng)握管處所施壓的力道恰好,而讓水柱的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時(shí),則施與受兩者皆歡而順利完成使命,豈非一種得心應(yīng)手的小小成就?

          2.2 然而一旦用力過度水注射程太遠(yuǎn),不但騰空越過目標(biāo)浪費(fèi)水資源,甚至還可能因強(qiáng)力水壓無(wú)處宣泄,以致往來(lái)源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折,而且還大捅紕漏滿臉豆花呢!

          2.3 反之,當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者,則照樣得不到想要的結(jié)果。過猶不及皆非所欲,唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。

          2.4 上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié),正可用以說明方波(Square Wave)訊號(hào)(Signal)在多層板傳輸線(Transmission Line,系由訊號(hào)線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成)中所進(jìn)行的快速傳送。此時(shí)可將傳輸線(常見者有同軸電纜Coaxial Cable,與微帶線Microstrip Line或帶線Strip Line等)看成軟管,而握管處所施加的壓力,就好比板面上“接受端”(Receiver)元件所并聯(lián)到Gnd的電阻器一般,可用以調(diào)節(jié)其終點(diǎn)的特性阻抗(Characteristic Impedance),使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。

          三。 傳輸線之終端控管技術(shù)(Termination)

          3.1 由上可知當(dāng)“訊號(hào)”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn),欲進(jìn)入接受元件(如CPU或Meomery等大小不同的IC)中工作時(shí),則該訊號(hào)線本身所具備的“特性阻抗”,必須要與終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行,如此才不致任務(wù)失敗白忙一場(chǎng)。用術(shù)語(yǔ)說就是正確執(zhí)行指令,減少雜訊干擾,避免錯(cuò)誤動(dòng)作“。一旦彼此未能匹配時(shí),則必將會(huì)有少許能量回頭朝向”發(fā)送端“反彈,進(jìn)而形成反射雜訊(Noise)的煩惱。

          3.2 當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗(Z0)被設(shè)計(jì)者訂定為28ohm時(shí),則終端控管的接地的電阻器(Zt)也必須是28ohm,如此才能協(xié)助傳輸線對(duì)Z0的保持,使整體得以穩(wěn)定在28 ohm的設(shè)計(jì)數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下,訊號(hào)的傳輸才會(huì)最具效率,其“訊號(hào)完整性”(Signal Integrity,為訊號(hào)品質(zhì)之專用術(shù)語(yǔ))也才最好。

          四。特性阻抗(Characteristic Impedance)

          4.1 當(dāng)某訊號(hào)方波,在傳輸線組合體的訊號(hào)線中,以高準(zhǔn)位(High Level)的正壓訊號(hào)向前推進(jìn)時(shí),則距其最近的參考層(如接地層)中,理論上必有被該電場(chǎng)所感應(yīng)出來(lái)的負(fù)壓訊號(hào)伴隨前行(等于正壓訊號(hào)反向的回歸路徑 Return Path),如此將可完成整體性的回路(Loop)系統(tǒng)。該“訊號(hào)”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以凍結(jié),即可想象其所遭受到來(lái)自訊號(hào)線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值(Instantanious Impedance),此即所謂的“特性阻抗”。  是故該“特性阻抗”應(yīng)與訊號(hào)線之線寬(w)、線厚(t)、介質(zhì)厚度(h)與介質(zhì)常數(shù)(Dk)都扯上了關(guān)系。

          4.2 阻抗匹配不良的后果  由于高頻訊號(hào)的“特性阻抗”(Z0)原詞甚長(zhǎng),故一般均簡(jiǎn)稱之為“阻抗”。讀者千萬(wàn)要小心,此與低頻AC交流電(60Hz)其電線(并非傳輸線)中,所出現(xiàn)的阻抗值(Z)并不完全相同。數(shù)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都能管理妥善,而控制在某一范圍內(nèi)(±10或 ±5)者,此品質(zhì)良好的傳輸線,將可使得雜訊減少,而誤動(dòng)作也可避免?! 〉?dāng)上述微帶線中Z0的四種變數(shù)(w、t、h、 r)有任一項(xiàng)發(fā)生異常,例如訊號(hào)線出現(xiàn)缺口時(shí),將使得原來(lái)的Z0突然上升(見上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)),而無(wú)法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻(Continuous)時(shí),則其訊號(hào)的能量必然會(huì)發(fā)生部分前進(jìn),而部分卻反彈反射的缺失。如此將無(wú)法避免雜訊及誤動(dòng)作了。例如澆花的軟管突然被踩住,造成軟管兩端都出現(xiàn)異常,正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。

          4.3 阻抗匹配不良造成雜訊  上述部分訊號(hào)能量的反彈,將造成原來(lái)良好品質(zhì)的方波訊號(hào),立即出現(xiàn)異常的變形(即發(fā)生高準(zhǔn)位向上的Overshoot,與低準(zhǔn)位向下的Undershoot,以及二者后續(xù)的Ringing)。此等高頻雜訊嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作,而且當(dāng)時(shí)脈速度愈快時(shí)雜訊愈多也愈容易出錯(cuò)。


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