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差分信号传输线的常用阻抗匹配方式
随着近几年来对速率的要求快速提高,串行总线由于有更好的抗干扰性和更少的信号线、更高的数据率而受到众多设计者的青睐。而串行总线又尤以差分信号的方式最多,差分信号与普通的单信号走线相比有3个明显的优势:抗干扰能力强;能有效抑制EMI;时序定位精确,所以越来越多的系统采用差分信号进行接收与传输。因而,差分信号的匹配也就成为一个更为重要的问题,目前,一般有两种不同匹配的方式,即分别并联匹配和单电阻跨接匹配。在通信过程中,有两种原因导致信号反射:阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续或者不匹配,信号在传输线末端突然遇到阻抗不匹配,信号在这个地方就会引起反射。一旦产生反射,将会对需要的信号造成不同程度的影响,因此,应尽最大努力去消除这种反射,其中的一种方法,就是让终端电阻完全匹配。消除了反射,传输线上的能量就能全部被负载吸收,不再产生反射。
那么,究竟是什么原因引起发射,为什么遇到阻抗不匹配时会发生反射呢?当信号到达瞬态阻抗不同的2个区域的交界面时,在信号/返回路径的导体中,仅存在1个电压和1个电流回路。无论从区域1还是区域2分析,在交界面两侧的电压和电流都是相同的,边界处不可能出现电压的不连续,否则,根据公式U=Ed,可知此处会有一个无限大的电场,同理,它也不可能出现电流不连续,否则会出现一个无限大的磁场。由以上分析可以得出关系式为:V1=V2,I1=I2;而I1=V1/Z1,I2=V2/Z2。所以在2个区域的阻抗不同时,这4个关系式不可能同时成立。因此,必然会产生1个反射电压Vref和反射电流Iref。
接下来对差分线不同匹配方式进行了仿真对比,如下图为负载端不接匹配、负载端接差分匹配、负载端接差分共模匹配三种情况。
下图是上述差分线对应的电气参数,可以看到奇模阻抗为Zo=46.26Ohm,偶模阻抗Ze=53.53Ohm,这样就可以计算出差分共模匹配下的R1=Z0,R2=(Ze-Zo)/2得到上述原理图的电阻值。
三种情况的负载端差分电压,可以看到,当不做任何匹配时,存在负载端差分信号存在反射,而负载端加了匹配的两种情况信号均比较完美,信号完整性好。
下图为三种匹配方式对应的共模噪声情况,可以看到,负载端不带匹配共模噪声最大,然后时差分匹配次之,最后是接了差分共模匹配的共模噪声最小。
为了更清晰的分析出匹配的影响,接下来将仿真单端输入信号,一端信号接Pulse信号,一端接DC为0的信号,如下为仿真原理图。
下图为负载端的差分电压波形,同样可以看到,不接匹配下,穿在反射,在负载端如果接了匹配,不管是差分匹配还是差分共模都匹配,信号质量均是完整的。
下图为三种电路对应的共模噪声,可以看到,只有负载端接有共模匹配后没有出现振荡,其他两种情况均出现了震荡。
综上实验可以看出,差分信号线由于传输过程中存在差分模式和共模模型两种情况,所以存在各自的匹配,如果哪一种模式不匹配,那么这种模式就会出现信号震荡。通常我们工作在奇模模式下,所以不太关注共模匹配,因为理想情况下,共模电压为理想的DC电平,不匹配影响不大,如果共模噪声较大,还是需要对共模阻抗进行匹配。
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