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高速PCB设计中的阻抗匹配

发布日期:2020-03-02

阻抗匹配

阻抗匹配意味着在传输能量时,负载阻抗必须等于传输线的特征阻抗。此时,传输中没有反射,这表明所有能量都被负载吸收了。相反,在传输中存在能量损失。在高速PCB设计中,阻抗的匹配与信号质量有关。

什么时候需要对PCB走线进行阻抗匹配?
它主要不是看频率,而是要看信号边缘的陡度,即信号的上升/下降时间。通常认为,如果信号的上升/下降时间(以10%到90%表示)小于导线延迟的6倍,则它是高速信号,我们必须注意阻抗匹配的问题。导线延迟通常设置为150ps /英寸。

特性阻抗

在信号沿传输线传播的过程中,如果传输线上到处都有一致的信号传播速度,并且每单位长度的电容相同,则信号在传播过程中始终会看到完全一致的瞬时阻抗。由于阻抗在整个传输线中保持恒定,因此我们使用一个特定的名称来表示该特性或特定传输线的特性,并将其称为传输线的特性阻抗。特性阻抗是指沿传输线看到信号时的瞬时阻抗值。特性阻抗与PCB导体所在的板层,PCB使用的材料(介电常数),走线宽度以及导体与平面之间的距离有关,与走线无关长度。可以使用软件来计算特征阻抗。在高速PCB布线中,数字信号的走线阻抗通常设计为50欧姆,这是一个近似值。通常,同轴电缆的基带为50欧姆,频带为75欧姆,双绞线(差分)为100欧姆。

常见的阻抗匹配方法

1.系列终端匹配

在信号源的阻抗低于传输线的特征阻抗的条件下,在信号源和传输线之间串联电阻R,使得信号源的输出阻抗与信号源的特征阻抗匹配。传输线,并抑制了负载反射的信号。发生第二次反射。

匹配电阻选择原理:匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和等于传输线的特征阻抗。普通CMOS和TTL驱动器的输出阻抗将随信号电平而变化。因此,对于TTL或CMOS电路,不可能有一个非常正确的匹配电阻,只有折衷考虑。具有链形拓扑的信号网络不适合串联终端。所有负载必须连接到传输线的末端。

串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗低,驱动器没有额外的直流负载,信号与地之间没有额外的阻抗,并且仅需要一个电阻元件。

常见应用:通用CMOS和TTL电路的阻抗匹配。 USB信号也以这种方式采样以进行阻抗匹配。

2.并联端子配套

在信号源处的阻抗很小的情况下,可以通过增加并联电阻以消除负载端的反射,使负载端的输入阻抗与传输线的特性阻抗匹配。实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。

匹配电阻选择原理:当芯片的输入阻抗很高时,对于单电阻类型,负载端的并联电阻值必须等于或等于传输线的特性阻抗;对于双电阻型,每个并联电阻值是传输线特征阻抗的两倍。

并联端子匹配的优点是简单易行,明显的缺点是会带来直流功耗:单电阻方法的直流功耗与信号的占空比密切相关。双电阻方法无论信号高还是低都具有直流功耗,但电流比单电阻方法小一半。

常见应用:有许多具有高速信号的应用。

(1)SSTL驱动程序,例如DDR,DDR2。它采用单电阻形式,并与VTT(通常为IOVDD的一半)并联。 DD R2数据信号的并联匹配电阻内置在芯片中。

(2)高速串行数据接口,例如TMDS。 它采用单电阻形式,并在接收设备处并联连接到IOVDD。 单端阻抗为50欧姆(差分对之间为100欧姆)。

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