差分信號(hào)傳輸線的常用阻抗匹配方式

隨著近幾年來(lái)對(duì)速率的要求快速提高，串行總線由于有更好的抗干擾性和更少的信號(hào)線、更高的數(shù)據(jù)率而受到眾多設(shè)計(jì)者的青睞。而串行總線又尤以差分信號(hào)的方式最多，差分信號(hào)與普通的單信號(hào)走線相比有3個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：抗干擾能力強(qiáng)；能有效抑制EMI；時(shí)序定位精確，所以越來(lái)越多的系統(tǒng)采用差分信號(hào)進(jìn)行接收與傳輸。因而，差分信號(hào)的匹配也就成為一個(gè)更為重要的問(wèn)題，目前，一般有兩種不同匹配的方式，即分別并聯(lián)匹配和單電阻跨接匹配。在通信過(guò)程中，有兩種原因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)或者不匹配，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到阻抗不匹配，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。一旦產(chǎn)生反射，將會(huì)對(duì)需要的信號(hào)造成不同程度的影響，因此，應(yīng)盡最大努力去消除這種反射，其中的一種方法，就是讓終端電阻完全匹配。消除了反射，傳輸線上的能量就能全部被負(fù)載吸收，不再產(chǎn)生反射。

那么，究竟是什么原因引起發(fā)射，為什么遇到阻抗不匹配時(shí)會(huì)發(fā)生反射呢？當(dāng)信號(hào)到達(dá)瞬態(tài)阻抗不同的2個(gè)區(qū)域的交界面時(shí)，在信號(hào)/返回路徑的導(dǎo)體中，僅存在1個(gè)電壓和1個(gè)電流回路。無(wú)論從區(qū)域1還是區(qū)域2分析，在交界面兩側(cè)的電壓和電流都是相同的，邊界處不可能出現(xiàn)電壓的不連續(xù)，否則，根據(jù)公式U＝Ed，可知此處會(huì)有一個(gè)無(wú)限大的電場(chǎng)，同理，它也不可能出現(xiàn)電流不連續(xù)，否則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)無(wú)限大的磁場(chǎng)。由以上分析可以得出關(guān)系式為：V1=V2，I1=I2；而I1=V1/Z1，I2=V2/Z2。所以在2個(gè)區(qū)域的阻抗不同時(shí)，這4個(gè)關(guān)系式不可能同時(shí)成立。因此，必然會(huì)產(chǎn)生1個(gè)反射電壓Vref和反射電流Iref。

       接下來(lái)對(duì)差分線不同匹配方式進(jìn)行了仿真對(duì)比，如下圖為負(fù)載端不接匹配、負(fù)載端接差分匹配、負(fù)載端接差分共模匹配三種情況。

 

下圖是上述差分線對(duì)應(yīng)的電氣參數(shù)，可以看到奇模阻抗為Zo=46.26Ohm，偶模阻抗Ze=53.53Ohm，這樣就可以計(jì)算出差分共模匹配下的R1=Z0，R2=(Ze-Zo)/2得到上述原理圖的電阻值。

三種情況的負(fù)載端差分電壓，可以看到，當(dāng)不做任何匹配時(shí)，存在負(fù)載端差分信號(hào)存在反射，而負(fù)載端加了匹配的兩種情況信號(hào)均比較完美，信號(hào)完整性好。

下圖為三種匹配方式對(duì)應(yīng)的共模噪聲情況，可以看到，負(fù)載端不帶匹配共模噪聲最大，然后時(shí)差分匹配次之，最后是接了差分共模匹配的共模噪聲最小。

為了更清晰的分析出匹配的影響，接下來(lái)將仿真單端輸入信號(hào)，一端信號(hào)接Pulse信號(hào)，一端接DC為0的信號(hào)，如下為仿真原理圖。  

下圖為負(fù)載端的差分電壓波形，同樣可以看到，不接匹配下，穿在反射，在負(fù)載端如果接了匹配，不管是差分匹配還是差分共模都匹配，信號(hào)質(zhì)量均是完整的。

下圖為三種電路對(duì)應(yīng)的共模噪聲，可以看到，只有負(fù)載端接有共模匹配后沒(méi)有出現(xiàn)振蕩，其他兩種情況均出現(xiàn)了震蕩。    

綜上實(shí)驗(yàn)可以看出，差分信號(hào)線由于傳輸過(guò)程中存在差分模式和共模模型兩種情況，所以存在各自的匹配，如果哪一種模式不匹配，那么這種模式就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)震蕩。通常我們工作在奇模模式下，所以不太關(guān)注共模匹配，因?yàn)槔硐肭闆r下，共模電壓為理想的DC電平，不匹配影響不大，如果共模噪聲較大，還是需要對(duì)共模阻抗進(jìn)行匹配。