信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器和接收器之間傳輸時(shí)，由于源端和末端反射的存在就會(huì)導(dǎo)致多次反射，反射的結(jié)果就是導(dǎo)致接收端的波形產(chǎn)生信號(hào)的畸變。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)時(shí)可能導(dǎo)致過(guò)沖和振鈴；當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力比較弱時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)邊沿退化嚴(yán)重甚至邊沿不單調(diào)。

當(dāng)過(guò)沖超過(guò)接收器的規(guī)范要求就會(huì)對(duì)器件壽命產(chǎn)生影響；過(guò)沖過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)鏈路上產(chǎn)生遠(yuǎn)高于信號(hào)頻率本身的高頻分量，從而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的EMI問(wèn)題，這也可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)失敗；當(dāng)振鈴過(guò)于嚴(yán)重就會(huì)影響信號(hào)的有效位寬和噪聲裕量，有效位寬減小會(huì)導(dǎo)致信號(hào)建立、保持時(shí)間余量不足，噪聲余量減小會(huì)導(dǎo)致信號(hào)抗干擾能力的降低，串?dāng)_和電源噪聲都可能導(dǎo)致信號(hào)的誤判；時(shí)鐘信號(hào)如果存在邊沿不單調(diào)則也可能導(dǎo)致接收器接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。因此可以說(shuō)控制傳輸路徑上的反射是信號(hào)完整性分析的首要任務(wù)。而控制反射最常用的手段就是源端匹配和終端端接。

01

源端匹配

實(shí)際設(shè)計(jì)中最常用的源端匹配方式就是在驅(qū)動(dòng)器輸出端加串聯(lián)電阻。電阻的阻值需要根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗來(lái)決定，匹配電阻加上驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗等于傳輸線阻抗時(shí)能夠完全消除源端的反射。

如上所示，在驅(qū)動(dòng)器輸出就近加33ohm匹配電阻Rmatch，使Rmatch+Rs=50ohm。信號(hào)進(jìn)入傳輸線時(shí)在Vdrv點(diǎn)50ohm電阻和50ohm的傳輸線分壓，得到的信號(hào)幅值只有1.65V。1.65V的入射電壓沿傳輸線傳播到接收端發(fā)生全反射，產(chǎn)生1.65V的反射信號(hào)。這就導(dǎo)致在接收端接收到的幅值為3.3V，同時(shí)反射信號(hào)向源端傳輸，由于源端的阻抗已經(jīng)匹配，當(dāng)反射信號(hào)到達(dá)源端之后就不會(huì)再發(fā)生反射。

由此可見(jiàn)，源端匹配的作用就是讓驅(qū)動(dòng)器輸出端的阻抗（包含驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻和匹配電阻）與傳輸線阻抗匹配，抑制了終端不匹配導(dǎo)致的反射信號(hào)在源端發(fā)生二次反射，進(jìn)而抑制了多次反射的發(fā)生。抑制了多次反射，也就抑制了信號(hào)的過(guò)沖和振鈴，無(wú)論對(duì)器件的壽命還是接收端信號(hào)的有效判決都有重要的意義。

采用源端匹配方式時(shí)，需要注意匹配電阻阻值的選擇和匹配電阻布局這兩個(gè)方面。源端匹配電阻選擇以匹配傳輸線阻抗為目的，但也并不是選擇了合適的阻值就能夠起到預(yù)期的作用，如果匹配電阻的布局不合理它的效果就會(huì)大打折扣。

0２

匹配電阻的布局

前面講傳輸線的效應(yīng)時(shí)曾經(jīng)提到，通常認(rèn)為當(dāng)信號(hào)傳輸延時(shí)小于信號(hào)上升時(shí)間1/6時(shí)，互連線處在集總區(qū)域，不會(huì)體現(xiàn)出傳輸線效應(yīng)。這一點(diǎn)應(yīng)用到匹配電阻的布局中就要求，源端匹配電阻布局要盡量靠近驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)橹挥凶屍ヅ潆娮韬万?qū)動(dòng)器內(nèi)阻之間的互連線（TLD2）延時(shí)小于信號(hào)上升時(shí)間的1/6才能夠使驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻和這段互連線加上匹配電阻看作是集總的，將這三部分集總在一起考慮。

下面我們可以仿真對(duì)比一下當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間為50ps時(shí)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻到匹配電阻的互連線延時(shí)分別為8ps（小于50ps的1/6）、20ps、50ps（與信號(hào)上升時(shí)間相當(dāng)）時(shí)的接收器件接收到的信號(hào)波形。

為了更好地觀測(cè)仿真結(jié)果，將三種情況信號(hào)的延時(shí)分別錯(cuò)開(kāi)了1ns。

需要注意的是，這里的仿真為了讓讀者更加清晰的看到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻到匹配電阻的互連線延時(shí)的影響，將信號(hào)的上升時(shí)間設(shè)置為50ps是非常快，實(shí)際應(yīng)用中除了高速串行鏈路和DDR等高速并行總線上升時(shí)間并不會(huì)達(dá)到這么快。

從上面的仿真結(jié)果可以看出：

1.驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻到匹配電阻的互連線長(zhǎng)度對(duì)接收器接收波形有很大影響，會(huì)在接收波形穩(wěn)定電平處產(chǎn)生周期性的過(guò)沖和震蕩，且過(guò)沖的間隔等于傳輸線延時(shí)的兩倍。這說(shuō)明由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻到匹配電阻的互連線的存在使得源端并沒(méi)有完全匹配，在驅(qū)動(dòng)器和接收器之間還是存在著反射信號(hào)；

2.驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻到匹配電阻的互連線延時(shí)小于信號(hào)上升時(shí)間延時(shí)1/6時(shí)產(chǎn)生的反射信號(hào)對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響很小；互連線延時(shí)超過(guò)信號(hào)上升時(shí)間延時(shí)1/6、甚至和信號(hào)上升時(shí)間相當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的反射信號(hào)非常大，會(huì)產(chǎn)生比較大的過(guò)沖，且過(guò)沖的幅度隨著延時(shí)的增大而增大，匹配電阻所起到的匹配效果也會(huì)更差。

由此可見(jiàn)，對(duì)于一個(gè)上升時(shí)間有1ns左右的LVTTL或者CMOS電平信號(hào)，只要驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻到匹配電阻之間的延時(shí)不超過(guò)150ps，匹配電阻就能起到良好的匹配效果。微帶線的延時(shí)大概140ps/inch，帶狀線170ps/inch，也就是說(shuō)只要這段互連線布線長(zhǎng)度不超過(guò)1inch即可；但是對(duì)于DDR等高速內(nèi)存接口上升時(shí)間可能只有幾十ps，這對(duì)匹配電阻的布局和布線要求就相當(dāng)嚴(yán)格了，因此這些高速接口常常使用的是芯片內(nèi)部匹配端接。

0３

驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力

驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗從一定程度上反映了驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力。根據(jù)輸出電阻的大小可以分為過(guò)驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)兩種情況。下圖所示為驅(qū)動(dòng)器輸出一個(gè)上升時(shí)間500ps的3.3V階躍信號(hào)，輸出阻抗分別為20ohm、80ohm的時(shí)候，在接收端接收到的信號(hào)波形。

所謂過(guò)驅(qū)動(dòng)就是驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗（驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻加上源端匹配電阻）小于傳輸線阻抗的情況，此時(shí)進(jìn)入傳輸線的入射電壓大于1/2VCCIO，接收端反射回來(lái)的信號(hào)在源端發(fā)生負(fù)反射從而使接收端信號(hào)產(chǎn)生過(guò)沖和振鈴，經(jīng)過(guò)多次反射后穩(wěn)定于VCCIO電平。

欠驅(qū)動(dòng)就是驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗大于傳輸線阻抗的情況，此時(shí)進(jìn)入傳輸線的入射電壓小于1/2VCCIO，接收端接收到的電壓幅值小于VCCIO，接收端反射回來(lái)的信號(hào)在源端發(fā)生正反射從而使接收端信號(hào)產(chǎn)生階梯狀上升的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)幾次反射之后才能到達(dá)穩(wěn)定的VCC電平。總體上看，過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)信號(hào)邊沿很陡并且存在過(guò)沖，而欠驅(qū)動(dòng)時(shí)信號(hào)邊沿很緩。

另外，除了使用驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗來(lái)表示驅(qū)動(dòng)器輸出能力之外，還可以使用驅(qū)動(dòng)電流來(lái)表示驅(qū)動(dòng)能力的大小，比如說(shuō)xilinx的FPGA中LVTTL、CMOS電平的驅(qū)動(dòng)電流通常在4mA到24mA可調(diào)，驅(qū)動(dòng)電流越大說(shuō)明驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)。

0４

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信號(hào)上升時(shí)間

信號(hào)上升時(shí)間對(duì)信號(hào)質(zhì)量有重要的影響。在過(guò)驅(qū)動(dòng)情況下，如果上升時(shí)間很快，信號(hào)將很快達(dá)到過(guò)沖的峰值，如果信號(hào)的上升時(shí)間很長(zhǎng)那么過(guò)沖達(dá)到峰值的時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)甚至不能達(dá)到峰值；在欠驅(qū)動(dòng)的情況下，信號(hào)的上升時(shí)間很短會(huì)在信號(hào)邊沿上形成明顯的臺(tái)階，隨著信號(hào)上升時(shí)間的增大臺(tái)階會(huì)越來(lái)越不明顯最后可能消失。無(wú)論是過(guò)沖還是臺(tái)階它們的寬度都和傳輸線延時(shí)有關(guān)，由此信號(hào)上升時(shí)間和傳輸線延時(shí)應(yīng)該有一定的關(guān)系使相互作用對(duì)最終信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

過(guò)驅(qū)動(dòng)情況下，驅(qū)動(dòng)器到接收器之間傳輸線延時(shí)為1ns，信號(hào)上升時(shí)間分別為1ns、2ns、3ns情況接收器接收波形如下圖所示：

當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間小于2倍的傳輸線延時(shí)，接收端過(guò)沖能夠達(dá)到峰值；當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間大于2倍的傳輸線延時(shí)時(shí), 接收端過(guò)沖峰值減小，上升時(shí)間越大過(guò)沖越不明顯。

欠驅(qū)動(dòng)情況下，驅(qū)動(dòng)器到接收器之間傳輸線延時(shí)為1ns，信號(hào)上升時(shí)間分別為1ns、2ns、3ns情況接收器接收波形如下圖所示：

當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間小2倍的傳輸線延時(shí)時(shí)，接收端信號(hào)存在臺(tái)階，臺(tái)階的大小為2倍的傳輸線延時(shí)減去上升時(shí)間；當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間大于2倍的傳輸線延時(shí)時(shí), 接收端臺(tái)階不再明顯，上升時(shí)間越大信號(hào)的邊沿越緩。這再一次證明了為什么說(shuō)上升時(shí)間越快、傳輸線長(zhǎng)度越長(zhǎng)帶來(lái)的信號(hào)完整性問(wèn)題越嚴(yán)重。