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晶振輸出串電阻就來(lái)自于最小化設(shè)計(jì)，對(duì)于數(shù)字電路里最重要的時(shí)鐘源部分，應(yīng)該特別注意保證信號(hào)完整性，最小化設(shè)計(jì)中晶振外圍電路除了電阻還要有一些其他器件。

 

 

上圖中不僅考慮阻抗匹配，同時(shí)考慮電平匹配。L7為磁珠。

　　

串電阻是為了減小反射波，避免反射波疊加引起過(guò)沖。有時(shí)，不同批次的板子特性不一樣，留個(gè)電阻位置便于調(diào)整板子狀態(tài)到最佳。如無(wú)必要串電阻，就用0歐電阻連接。反射波在大部分電路里有害，但PCI卻恰恰利用了反射波形成有效信號(hào)。

　　

一、減少諧波，有源晶體輸出的是方波，這將引起諧波干擾，尤其是阻抗嚴(yán)重不匹配的情況下，加上電阻后，該電阻將與輸入電容構(gòu)成RC積分平滑電路，將方波轉(zhuǎn)換為近似正弦波，雖然信號(hào)的完整性受到一定影響，但由于該信號(hào)還要經(jīng)過(guò)后級(jí)放大、整形后才作為時(shí)鐘信號(hào)，因此，性能并不受影響，該電阻的大小需要根據(jù)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、阻抗匹配，減小回波干擾及導(dǎo)致的信號(hào)過(guò)沖。我們知道，只要阻抗不匹配，都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，即回波，有源晶體的輸出阻抗通常都很低，一般在幾百歐以下，而信號(hào)源的輸入端在芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)上通常是運(yùn)放的輸入端，由芯片的內(nèi)部電路與外部的無(wú)源石英晶體構(gòu)成諧振電路(使用有源晶體后就不需要這個(gè)晶體了)，這個(gè)運(yùn)放的輸出阻抗都在兆歐以上。

 

 

源端串接和接收端并接的匹配方式是不一樣的。

 

反射系數(shù)，即

 

X=(Z2-Z1)/(Z1+Z2)

 

Z1和Z2分別為傳輸線(xiàn)阻抗失配分界面前后的瞬時(shí)阻抗。

 

那么這就有3種情況

 

1.Z1=Z2，即阻抗相等，X=0，即沒(méi)有反射

2.Z2=無(wú)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(fù)反射，末端短路了，接地了，阻抗為0，反射信號(hào)即可以理解為返回路徑上的回流

 

源端串聯(lián)電阻R，和驅(qū)動(dòng)端的源電阻R0，串聯(lián)后的總電阻R+R0，總電阻值等于或者最接近傳輸線(xiàn)阻抗Z。那么這時(shí)候信號(hào)分壓，真正進(jìn)入傳輸線(xiàn)上傳播的只有源信號(hào)電壓的一半，到接收端時(shí)，由于接收端阻抗為無(wú)窮大，發(fā)生反射，反射系數(shù)為1，傳輸系數(shù)Y=2，即進(jìn)入接收端的信號(hào)又等于驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)了。而返回源端的信號(hào)因?yàn)樽杩箾](méi)有變化，到源端時(shí)被源電阻和串聯(lián)匹配電阻吸收了，不再發(fā)生反射，這是理想情況。

 

單一網(wǎng)絡(luò)SI的主要問(wèn)題就是反射，但是這又是一個(gè)比較大的話(huà)題，牽涉到阻抗匹配，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，端接等等，所以想說(shuō)的比較透徹似乎不太容易，盡量吧

 

一.反射產(chǎn)生原理

 

 

先來(lái)看上面的圖，信號(hào)在傳輸線(xiàn)中傳輸，從Z1到Z2的過(guò)程中，阻抗發(fā)生變化，部分信號(hào)將沿著與原傳播方向相反的方向反射，而另一部分將繼續(xù)傳播，但幅度有所改變。將瞬時(shí)阻抗發(fā)生改變的地方稱(chēng)為阻抗突變，反射信號(hào)的大小由瞬時(shí)阻抗的突變程度確定，在理論分析中，我們用反射系數(shù)來(lái)表示

 

 

兩個(gè)區(qū)域的阻抗差異越大，反射信號(hào)強(qiáng)度就越大。例如，如果1V信號(hào)沿特性阻抗=50W的線(xiàn)網(wǎng)傳播，受到的瞬時(shí)阻抗=50W，當(dāng)它進(jìn)入特性阻抗為75W的區(qū)域時(shí)，反射系數(shù)為(75-50)/(75+50)= 20%，反射電壓為20%×1V= 0.2V

 

我們可以從理論上對(duì)上面的公式進(jìn)行推導(dǎo)，但此處不再贅述，有興趣的話(huà)可以參考相關(guān)資料

 

在實(shí)際的工程中，反射不可能完全消除，SI工程師所要做的就是盡量減少反射對(duì)信號(hào)的影響，反射的根源是阻抗不匹配，所以減小反射最有效的途徑就是端接，端接方法的選擇，終端電阻的選取，都對(duì)。

 

根據(jù)反射系數(shù)的公式，我們可以得出三種最典型的情況：開(kāi)路，短路，匹配

 

1.Z1=Z2，即阻抗相等，ρ=0，即沒(méi)有反射

2.Z2=無(wú)窮大，ρ=1，即完全正反射，這意味這在開(kāi)路短產(chǎn)生與入射波大小相同，方向相反，返回源端的反射波，如果測(cè)量開(kāi)路端得電壓，將得到兩個(gè)電壓之和

3.Z2=0，ρ=-1，即完全負(fù)反射，末端短路了，接地了，阻抗為0，反射信號(hào)即可以理解為返回路徑上的回流

 

二.反彈圖

 

反射理論里面最重要的莫過(guò)于Lattice Diagrams，也就是我們說(shuō)的反彈圖，有些資料也叫網(wǎng)格圖

 

我們知道，當(dāng)信號(hào)在傳輸線(xiàn)終端的阻抗不連續(xù)點(diǎn)被反射時(shí)，信號(hào)的一部分將反射回源頭。當(dāng)反射信號(hào)到達(dá)源頭時(shí)，若源頭端阻抗不等于傳輸線(xiàn)阻抗就將產(chǎn)生二次反射。接著，若傳輸線(xiàn)的兩端都存在阻抗不連續(xù)，信號(hào)將在驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路和接收線(xiàn)路之間來(lái)回反射，直到最后達(dá)到直流穩(wěn)態(tài)。

 

下面，我們來(lái)分析這種情況。如果已知驅(qū)動(dòng)器的源電壓、傳輸線(xiàn)時(shí)延TD、信號(hào)沿途各區(qū)域的阻抗，就可以計(jì)算出每個(gè)交界面的反射，并計(jì)算出每一點(diǎn)的實(shí)時(shí)電壓。

 

例如，已知源電壓是1V，內(nèi)阻是10Ω，則實(shí)際進(jìn)入時(shí)延為1ns 50Ω傳輸線(xiàn)的電壓是1V×50/(10+50)＝0.84V。這個(gè)0.84V信號(hào)就是沿傳輸線(xiàn)傳播的初始入射電壓。

 

1ns后在線(xiàn)末端，假設(shè)傳輸線(xiàn)末端開(kāi)路，反射系數(shù)為1，開(kāi)路端的總電壓為兩個(gè)波之和，即0.84V+0.84V＝1.68V。

 

再經(jīng)過(guò)1ns后，0.84V反射波到達(dá)源端，又一次遇到阻抗突變。源端的反射系數(shù)是(10 - 50)/(10+50)＝- 0.67，這時(shí)將有0.84V×(-0.67)＝-0.56V反射回線(xiàn)遠(yuǎn)端。

 

這個(gè)新產(chǎn)生的波在遠(yuǎn)端又會(huì)被反射，即-0.56V電壓將被反射。這樣，線(xiàn)遠(yuǎn)端開(kāi)路處將同時(shí)有四個(gè)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(hào)到達(dá)源端后仍然會(huì)再次反射，反射電壓是+0.38 V。在遠(yuǎn)端新的時(shí)刻，總電壓0.56V + 0.38V + 0.38V＝1.32V

 

把上面的計(jì)算用圖形來(lái)表示的話(huà)，就得到了我們所說(shuō)的反彈圖

 

 

時(shí)域信號(hào)波形的表現(xiàn)如下圖：

 

 

圖中有兩個(gè)重要的特性：

 

1. 遠(yuǎn)端的電壓最終逼近源電壓1V，因?yàn)樵撾娐肥情_(kāi)路的。這是一個(gè)必然的結(jié)果——源電壓最終是加在開(kāi)路上。

2.開(kāi)路處的實(shí)際電壓有時(shí)大于源電壓。源電壓僅1V，然而遠(yuǎn)端測(cè)得的最大電壓是1.68V。高出的電壓是由于傳輸線(xiàn)分布參數(shù)L、C諧振產(chǎn)生的。

 

三.反射什么時(shí)候發(fā)生

 

那么，反射什么時(shí)候發(fā)生呢？這的確是一個(gè)值得探討的問(wèn)題，前面，我們提過(guò)，反射由阻抗突變而起，而且阻抗改變的長(zhǎng)度也有關(guān)系，下面我們通過(guò)簡(jiǎn)單的仿真來(lái)驗(yàn)證下這個(gè)問(wèn)題

 

首先，我們?cè)赟igXplorer中搭建一個(gè)簡(jiǎn)易的Point-Point拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開(kāi)始時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)端的源電阻不得而知，使用理想傳輸線(xiàn)，特征阻抗為50ohm，傳輸延時(shí)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(qū)動(dòng)端和接收端都有比較大的振鈴

 

 

從上面的仿真結(jié)果看，源端內(nèi)阻抗和傳輸線(xiàn)阻抗不匹配的確造成的反射，產(chǎn)生了過(guò)沖并生成了振鈴，這時(shí)我們就猜想這一切的產(chǎn)生是否和傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度有關(guān)系呢？下面修改傳輸線(xiàn)延時(shí)為0.01ns

 

 

這時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)剛才的振鈴和過(guò)沖都消失了

 

 

仿真頻率仍然為50Mhz，看下仿真波形，驚訝地看到那些毛刺不見(jiàn)了，接收端和驅(qū)動(dòng)端的波形接近重合，似乎沒(méi)有發(fā)生一點(diǎn)變形。到這里有人也許會(huì)下這樣的結(jié)論，傳輸線(xiàn)足夠短的時(shí)候，就不發(fā)生反射了。那么，到底多短的時(shí)候才會(huì)沒(méi)有反射呢？這里直接引用Eric博士的研究結(jié)果：

 

當(dāng)TD<上升邊的20%時(shí)，振鈴可以忽略，傳輸線(xiàn)不需要匹配(即線(xiàn)較短的電小尺寸時(shí))

 

 

在 FR4中(前提)，信號(hào)傳播速度大約為6in/ns。如果上升邊是1ns，終端沒(méi)有匹配的傳輸線(xiàn)最大允許長(zhǎng)度約為6 in/ns×0.2ns＝1.2 in。

 

一個(gè)易記的經(jīng)驗(yàn)法則是：為避免信號(hào)完整性出問(wèn)題，沒(méi)有終端匹配的FR4傳輸線(xiàn)最大容許長(zhǎng)度約為：

 

 

其中：Lenmax 沒(méi)有終端匹配的傳輸線(xiàn)最大允許長(zhǎng)度，單位in

 

RT 信號(hào)上升邊，單位ns

 

經(jīng)驗(yàn)法則：沒(méi)有終端匹配的傳輸線(xiàn)最大允許長(zhǎng)度的英寸(inch)值等于信號(hào)上升邊的納秒(ns)值。

 

也就是說(shuō)，如果上升時(shí)間是1 ns,則沒(méi)有終端端接的傳輸線(xiàn)的最大長(zhǎng)度約為1 in,如果上升時(shí)間為0.1 ns,則最大長(zhǎng)度為0.1 in.

 

上面的經(jīng)驗(yàn)公式是一個(gè)非常有用的經(jīng)驗(yàn)公式，它可以用于各種不同的情況中，比如阻抗突變的長(zhǎng)度，比如短樁線(xiàn)的長(zhǎng)度對(duì)反射的影響

 

比如在實(shí)際的Layout中，我們希望所有傳輸線(xiàn)的阻抗是一樣的，但是有時(shí)候傳輸線(xiàn)經(jīng)過(guò)BGA的時(shí)候，不可避免的需要改變線(xiàn)寬，所以阻抗也跟著就改變了，那么阻抗的改變對(duì)信號(hào)的影響如何呢，繼續(xù)看仿真結(jié)果

 

 

可以看到，當(dāng)突變的阻抗(TL3)大于特性阻抗時(shí)，信號(hào)會(huì)有一個(gè)向上的過(guò)沖，當(dāng)突變的阻抗小于特性阻抗時(shí)，信號(hào)會(huì)有一個(gè)向下的過(guò)沖, 那么，按照上面的分析，是不是如果TL3長(zhǎng)度足夠短時(shí)，反射就可以消除呢，答案是肯定的

 

 

上面的圖為傳輸線(xiàn)上有25Ω短突變時(shí)的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。如果突變段的時(shí)延小于信號(hào)上升邊20%，就不會(huì)造成問(wèn)題，從而，得到了與前面相同的經(jīng)驗(yàn)法則，即可允許的阻抗突變最大長(zhǎng)度為

 

 

 

經(jīng)驗(yàn)法則：突變段的長(zhǎng)度(in)應(yīng)小于信號(hào)上升邊(ns)，此時(shí)可以忽略突變的影響。

 

同樣，可以得到短樁線(xiàn)的最小長(zhǎng)度也滿(mǎn)足這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式

 

 

三.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)涞亩私硬呗?/div>