高速数字设计教程-Ch2_传输线(4)

高速数字系统设计2006年3月24日第二章传输线理论及其应用2-1 典型的分布参数系统—传输线2-2 传输线的物理模型和电报方程2-3 无损耗传输线方程解的物理意义2-4 信号在传输线上多次反射过程2-5 实际传输线举例2-6 传输线端接方法2-7 实际应用的一些特殊情况中国科大快电子学安琪2中国科大快电子学安琪3二.并联匹配1.并联匹配的原理并联匹配是最简单，最常用的匹配方法，它是在连线的终端处采用阻值等于传输线特性阻抗的并联电阻进行匹配。

对于ECL电路，并联匹配电阻的另一端接V EE 或V TT ，该匹配电阻同时起着ECL门电路射极下拉电阻的作用。

对于PECL和COMS电路，并联匹配电阻的另一端一般接地。

如下图(a)所示。

设一个电压信号被前级电路输出时，其信号波形如下图（b）的波形A所示。

该信号沿传输线传输，经过TD时间后到达传输线终端，由于终端负载电阻等于传输线的特性阻抗，反射系数为零，没有反射信号产生。

图2-6-2（b）的波形B是传输线的终端信号。

由图可以看出，终端信号只是一个延迟了T D 时间的输入信号，在完全匹配的条件下，信号没有反射，因而也没有失真。

（a）(b)并联匹配方法中国科大快电子学安琪42.并联匹配的特点匹配简单同串联匹配方法一样，并联匹配方法也同样简单，只需一个电阻。

可用于分布的多负载应用并联匹配的最大特点是信号的满幅度传输，且沿着传输线各处的波形都一样，因此可沿着线放置多个接收门，而在最后一个门电路处（终端）放置并联匹配电阻，进行匹配。

CZ C Z t C C ⋅⋅=⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅==1.1212.22.2τ式（2-6-4）上升时间快并联匹配方法适合于较快的系统。

从终端处看，其终端等效的电阻应是终端匹配电阻与传输线特性阻抗的并联。

所以，其时间常数比串联匹配要小一倍，因而并联匹配方法带来的附加上升时间也要比串联匹配小一倍，可由式（2-6-4）来计算。

中国科大快电子学安琪52.并联匹配的特点(2)功耗大并联匹配方法最大的缺点是功耗大，这时因为经过T D 时间后，并联匹配电阻上始终有一个电流流过。

对于高、低电平，只是电流的大小有些变化。

由于传输在线的特性阻抗都不是很大，一般在几十到一百Ω的量级。

这使得并联匹配电阻的阻值比较小，电流就比较大，从而带来了较大的功耗。

并联匹配的功耗可由式（2-6-5）来计算。

CZ V P 2)(∆=式（2-6-5）对于ECL 电路，在小电路系统，功耗问题不突出的情况下，可使用VEE 作匹配电阻的下拉电源。

整个ECL 系统只用一个电源即可。

但当连线特性阻抗较小时（100Ω以下），为了节省功耗，不宜使用VEE 作为匹配电阻的下拉电源，应选择VTT 作下拉电源。

另外，对于较大的系统，为了节省功耗，也应该使用VTT = -2V 作为匹配电阻的下拉电源。

但然，其代价是多使用一个-2V 的VTT 电源。

对于TTL 和CMOS 电路，低阻值并联匹配电阻要求高电流驱动，以满足TTL 和CMOS 的电平需求，对于50Ω电阻，需要60mA 以上的电流，对于普通芯片是非常困难的。

中国科大快电子学安琪6三.戴维宁等效并联匹配1. 原理为了减少并联匹配方法的功耗，一个可选择的方法是采用所谓的戴维宁等效电阻。

戴维宁等效方法是采用两个电阻，一个接V CC （对ECL电路，就是接地），另一个接电源V EE ，选择适当的阻值，使两个电阻的并联阻值等于传输线的特性阻抗，而其戴维宁等效电压等于V TT ，如下图所示。

戴维宁等效方法的优点是整个系统中只使用V EE 电源，并且功耗比使用单个电阻作并联匹配时要小，适合于连线特性阻抗较小（如50）的系统。

缺点： 多用一倍的电阻。

不能用于三态逻辑系列的电路（a）(b)ECL电路的戴维宁并联匹配方法中国科大快电子学安琪7戴维宁等效电路参数使用戴维宁等效原理，图（a）的电路可用图（b）中的等效电路所替代，其中：C t Z R R R ==21//VR R R V V EETT 2211−=+=CZ R 6.22=6.1/21R R =（a）(b)ECL电路的戴维宁并联匹配方法中国科大快电子学安琪8表2-6-1 ECL 戴维宁等效电阻阻值(ohm)(ohm)(ohm) 508113070113182751211958013020890146234100162260120194312150243390CZ R 6.22=6.1/21R R =中国科大快电子学安琪9TTL/CMOS 电路终端并联匹配的戴维宁等效两个电阻的并联等效电阻应等于传输线特性阻抗Z C ，（R 1// R 2=Z C ） 高电平状态时的输出电流大小不能超过I OHmax （I Source ） 低电平状态时的输出电流大小不能超过I OLmax （I Sink ）流入电流为正，流出电流为负。

I SinkI SourceI driver = I 1-I 2Totem Pole中国科大快电子学安琪10戴维宁等效电阻的计算max21)()(OL EE OL OL CC I Y V V Y V V <−−− 两个电阻的并联等效电阻应等于传输线特性阻抗Z C ，（R 1// R 2=Z C ） 高电平状态时的输出电流大小不能超过I OHmax （I Source ） 低电平状态时的输出电流大小不能超过I OLmax （I Sink ）约束条件1要求：Y 1 + Y 2 = 1/Z C约束条件2要求：约束条件3要求：max21)()(OH EE OH OH CC I Y V V Y V V >−−−注意：高电平时，电流为负。

I driver = I 1-I 2例1：74HC11000与非门电源电压：5.5V最差情况（10%偏差）。

100Ω，可以驱动，65Ω无法驱动中国科大快电子学安琪11戴维宁等效电路电阻选择两个电阻的并联等效电阻应等于传输线特性阻抗Z C，（120Ω// 91Ω≈50 Ω）3.3V在两个电阻上的分压，即其直流工作点应等于TTL的阈值电平（1.4V）。

中国科大快电子学安琪123.3/5V系列的戴维宁等效电阻中国科大快电子学安琪13四.交流并联匹配1.交流并联匹配原理交流匹配也可以称为RC串联网络匹配。

这也是一种终端并联匹配方法，其原理如下图所示。

RC串联网络匹配是在终端处用一个电容和一个电阻的串联对传输线的特性阻抗进行匹配。

其最大的特点是利用串联的电容割断信号直流成分的信道，减少匹配阻抗对前级电路的驱动要求。

这非常适合低特性阻抗传输线的匹配。

对信号的高频成分，串联电容呈短路状态，终端电阻主要由串联的电阻形成；对信号的直流成分，电容的容抗很大，相当于终端有一个很大的端接电阻。

而对连线的传输线效应来说，正是信号的前、后沿这样的高频成分才真正有意义。

对直流成分可不考虑传输线效应的影响。

C T交流并联匹配方法中国科大快电子学安琪14中国科大快电子学安琪152. 参数选择使用RC串联网络匹配，关键是电阻的阻值和电容的容值的选择。

电容的容值电容的作用是短路信号的高频成分，一个基本的考虑是膝频率（1/(2t r )），电容对匹配阻抗的贡献不能超过十分之一。

因为电容的容抗(Zc = 1/jwC T ) ，我们有：102110Z C j t fC j jwC Z T r T T c ====ππ式（2-6-7）从中可以解出电容的容值为：03Z t C r T ⋅≈式（2-6-8）中国科大快电子学安琪16 电阻R T 的阻值因为电容C T 和电阻R T 是串联连接，所以有：考虑其模值，我们有，所以电阻阻值为：式（2-6-9）Tc R Z Z +=0220T c R Z Z +=220c T Z Z R −=举例：若Z C = 100Ω，t r = 4ns ，则有：，又因为：，所以：因此：pf Z t C r T 12030=⋅≈MHz ns f 125421=⋅=Z jwc j fcj c ===−112106π..Ω=−=99)6.10(10022j R T3．交流匹配的特点1同简单的电阻并联匹配方法一样，交流匹配方法也适合于分布的多负载情形和应用。

2低直流功耗。

在直流平衡条件下，电容隔直，电流很小，大大减少了直流功耗3由于隔直电容的存在，交流匹配方法会带来较大的附加上升时间。

4由于隔直电容的存在，等效的匹配阻抗是频率的函数，因而很难做到完全的匹配。

中国科大快电子学安琪17匹配方法小结串联（始端，源端）匹配并联（终端，远端）匹配终端（远端）戴维宁等效并联匹配终端（远端）交流并联匹配中国科大快电子学安琪18中国科大快电子学安琪19五.总线匹配1.总线的信号传输特点这里的总线一般指的是所谓的共享总线（Shared Bus ），下图是一个共享总线的原理示意图。

在共享总线中，信号的传输有以下特点：c 一个驱动器输出的信号可以驱动多个接收器。

d 信号传输的方向可能是双向的。

e 驱动器和接收器的位置都是任意的，可以是总线上的任一个位置。

总线两端端接方法V TT ......V TT100Ω100ΩZc = 100 Ω中国科大快电子学安琪202.双端终端并联匹配方法鉴于这些特点，共享总线的阻抗匹配就比较特殊，不能简单的用前述的始端串联匹配或终端并联匹配方法来实现。

首先，始端串联匹配方法是不能用的，因为始端匹配时，只有终端处信号是无失真的信号，其它地点的信号都不能用。

终端匹配方法也不能简单地直接使用，因为对于总线结构，有多个驱动信号源，且信号源的位置也是在不断变化，没有严格意义的终端位置。

因此，共享总线的匹配一般是采用双端的终端并联匹配，即：在总线连线的两个端点都采用终端并联匹配，这就是所谓总线端接。

总线两端端接方法V TT ......V TT100Ω100ΩZc = 100 Ω在上图的例子中，总线的特性阻抗设为100欧姆，因而在总线的两端各用一个100欧姆电阻进行并联终端匹配。

用这种阻抗匹配方法，不管信号从哪个驱动器输出，由于总线的两个端点都进行了并联终端匹配，因而当信号传输到终端时，信号不会发生反射。

中国科大快电子学安琪213.总线信号的驱动总线匹配时，由于总线两端都必须进行终端匹配，两个匹配电阻的并联，使实际的负载电阻减少为原来的一半，因而要特别注意匹配电阻的大小和总线驱动器的驱动能力。

在上例中，总线的特性阻抗设计为100欧姆，并联的结果，实际的负载电阻为50欧姆。

对于ECL电路，100欧姆的总线特性阻抗不是一个大问题，因为一般的ECL芯片都能驱动50欧姆负载，但是，如果总线的特性阻抗小于100欧姆，也会有驱动问题。

在图2-4-28的例子中，总线的特性阻抗为50欧姆，并联的结果，实际的负载电阻为25欧姆，单门ECL电路也无法驱动这样的低阻负载，一般可以用两个或三个ECL门电路线或在一起，共同驱动。