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关于高速差分信号匹配的研究(转)

已有 10049 次阅读| 2012-11-28 19:53

关于高速差分信号匹配的研究       

引言
随着微电子技术的飞速发展,集成电路的处理能力变得越来越强大。随之而来的是越来越大的数据吞吐量,这对集成电路I/O总线的带宽提出了巨大的挑战。受抗 干扰能力弱、信号质量差等因素的限制,传统单端信号总线(如PCI、GMII、ATA)的数据传输速度已经发展到了极限,无法满足现代数据交换的要求。在 这种对高速数据交换的急切需求下,高速差分信号总线应运而生。由于高速差分信号能有效抑制共模干扰,因此具有功耗低、传输速度快、传输距离远、设计简单等 优点。新一代的高速互连总线(如PCI-E、SGMII、SATA总线)均采用了高速差分总线,传统的单端总线将慢慢退出信号互联的主流市场。

信号耦合方式
高速差分信号按物理电气特性分为多种信号电平,最主流的是LVDS、PECL和CML三种差分电平。这三种电平的电气特性各不相同,如表1所示。电平之间 的互联需要考虑共模输入电压匹配、差模电压匹配以及信号匹配等多种问题。

现代半导体工艺的飞速发展使实际芯片的差分输入/输出范围都比设计规范的要求宽松,使各种不同电平之间差分信号的互联成为可能。但是,由于各种电平之间的 共模电压不同,导致接口电路需要设计比较复杂的直流偏移匹配电路,这样信号匹配设计难度变大。幸运的是,设计者可以考虑采取交流耦合的方式来实现信号互 联。这样,厂家将输入电压偏置以及信号匹配电路集成在芯片内部,设计者需要关注的只是信号的输入/输出摆幅是否匹配。交流耦合已经成为高速差分信号互联设 计的主流方式。直流耦合、交流耦合的原理图分别如图1、图2所示。

相对于直流耦合,交流耦合具有以下几个优点:
1、信号接收端和信号发送端可采用不同的偏置电压。这样,不同标准的信号转换将会变得十分容易。设计者只要保证信号的输入/输出摆幅匹配、信号接收端电阻 匹配,就可以实现差分信号的转换。利用这个特性,设计者甚至可以很容易地将单端信号转换成差分信号;
2、不同的厂商可自由选择信号发送端和接收端的直流偏置电压,这样能保证器件的信号驱动和接收电路工作在最佳点;
3、采用交流耦合可防止两个不同系统之间的电位差。如果两个系统的地平面之间存在电位差,采用直流耦合方式会产生不必要的共模电流,影响系统的可靠性;而采用交流耦合可以消除电位差,避免这个问题的产生。

预加重和接收均衡
当差分信号传输距离比较长时,信号衰减会非常严重。这直接导致信号接收端的信号质量变差,波形发生畸变,信号摆幅不能达到指定要求,最终导致信号接收端无法正确识别信号。

这种情况下可以通过预加重来解决这个问题。预加重的原理是在信号发送端对信号的高频部分进行放大,用来抵消传输损耗对信号波形的影响,最终在信号接收端预 加重和线路损耗的影响相互抵消,从而得到正确的信号波形。图3所示为预加重的效果示意图。如果不采用预加重,信号接收端收到的波形会严重失真;采用预加重 后,接收端的信号波形正常。

接收均衡是处理信号衰减的另一种方法。与预加重不同的是,接收均衡是在接收端对传输损耗进行补偿。接收均衡分为数字均衡器和模拟均衡器,前者采用数字信号 处理的方式对接收进行处理,而后者采用RC电路对接收信号进行处理。接收均衡的效果如图4所示,可以很完美地消除信号衰减的影响。

接收均衡相对于预加重处理的效果而言,得到的信号质量要好一些。但是,在接收信号处理的过程中同时也放大了噪声信号。所以,对于噪声比较敏感的场合,预加 重更适合。对于设计者来说,这两种方式可同时采用。不断调整信号发送端的预加重和接收端的接收均衡,可达到最完美的效果。

信号衰减
在某些场合下,发送端的信号驱动能力太强,输出的差分信号摆幅会超过信号接收端的允许输入范围。这种情况下,必须对发送端输出的信号进行衰减,使信号摆幅 在接收端的允许范围之内。否则,长期工作会损坏接收芯片,影响器件的可靠运行。那么,如何有效地进行信号衰减而又不影响信号质量呢?

在如图5所示的差分传输电路中,线路的差分特征阻抗是R2,在信号接收端内部集成了终端匹配电阻R2,信号驱动端等效内阻为R3。正常情况下,当驱动端输 出电压U时,由于终端匹配电阻能够完全吸收入射波,不会产生反射,信号接收端输入的电压是。当在信号驱动端串入两个电阻R1时,信号经过R1后会产生反 射,假设继续前行的电流波为I,根据波阻抗理论,U=I×(2×R1+R3)+I×R2,可得到继续前行的折射电压波为Ua=I×R2。最后得到的折射电 压波为。折射电压波遇到R2时,由于阻抗匹配,信号被完全吸收,不会产生反射。这样,就可以成功地将信号衰减为原来的。

结语
本文提出高速差分信号匹配设计中经常遇到的三个问题,并给出了相应的解决方法。根据笔者多年从事高速信号设计的经验,大部分高速差分信号电路设计问题都可 依此得到解决。但这些设计方法也存在一些局限性,例如有些高速时钟差分信号只能采用直流耦合、有些芯片的差分驱动电路里没有预加重和接收均衡功能。在这些 情况下,设计者只要能保证接收端信号的直流偏置、幅值在允许范围,保证传输信号的衰减在合理范围,保证传输线路的阻抗匹配,就能保证高速差分信号的正常传 递。


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回复 zhaojing2006 2016-1-7 15:59
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