在研究傳輸線匹配之前,我們必須先了解下傳輸線的具體拓撲結構。
一:拓撲結構
我們常說的拓撲結構,就是指點和線之間的關系圖,描述了芯片之間的連接關系。拓撲結構的種類有很多,其中最常見的信號總線拓撲結構可以分為兩大類:點對點,點對多點。
1.點對點拓撲結構
點對點(P2P)拓撲結構比較好理解,也就是一對一拓撲結構,即該總線拓撲只在兩個芯片之間連接。
圖1 點對點拓撲結構
該拓撲結構簡單,整個網絡的阻抗特性容易控制,時序關系也容易控制,常見于高速雙向傳輸信號線;常在源端加串行匹配電阻來防止源端的二次反射。
點對點驅動方式是指每個輸出僅驅動一個負載,這是信號的理想驅動方式。系統中的各種信號(特別是高速信號和時鐘信號)應盡可能采用點對點驅動方式。端接方式靈活,可以根據信號要求、單板布線情況, 驅動器件等具體情況,使用源端匹配和終端匹配,信號傳輸質量可以得到保障。
2.點對多點拓撲結構
點對多點拓撲結構是指一條總線從一個芯片連接到多個芯片的結構,常見有: 菊花鏈、Flyby、星型、遠端簇型、T形拓撲 。
1)菊花鏈拓撲結構
菊花鏈一詞最基本的概念是指一種由許多菊花串接在一起形成的花環,早期也叫手牽手鏈接方式。
圖2:菊花鏈拓撲結構
菊花鏈結構,對于菊花鏈布線,布線從驅動端開始,依次到達各接收端。如果使用串聯電阻來改變信號特性,串聯電阻的位置應該緊靠驅動端。在控制走線的高次諧波干擾方面,菊花鏈走線效果最好。
但這種走線方式布通率最低,不容易100%布通。實際設計中,我們是使菊花鏈布線中分支長度盡可能短,安全的長度值應該是:Stub Delay <= Trt *0.1.(結構相對簡單,阻抗特性容易控制, 比較適合高速率雙向傳輸,控制Stub 長度,終端匹配,總線中同類線要采用相同拓撲)。
例如,高速TTL電路中的分支端長度應小于1.5英寸。這種拓撲結構占用的布線空間較小并可用單一電阻匹配終結。但是這種走線結構使得在不同的信號接收端信號的接收是不同步的。該結構的阻抗匹配常在終端做,用戴維南端接比較合適。
2)Flyby拓撲結構
DDR3常用的Flyby結構其實是由菊花鏈拓撲結構發展而來。菊花鏈中的Stub足夠短就是Flyby。常用在DDR3、DDR4、DDR5中。
圖3:Flyby拓撲結構
3)星形拓撲
圖4:星形拓撲
星型拓撲結構如上圖所示,該總線拓撲結構下PCB布線比較復雜, 阻抗不容易控制 ,但是PCB布線 時序比較容易控制 ,只要控制從驅動端Driver到各個接收端Receiver的布線長度一致即可。星形拓撲結構需要特別在Receiver端做好信號匹配設計、消除終端反射。
星形拓撲結構可以有效地避免時鐘信號不同步問題, 其缺點是每條分支上都需要終端電阻。終端電阻的阻值應和連線的特征阻抗相匹配。這可通過手工計算, 也可通過CAD工具計算出特征阻抗值和終端匹配電阻值。當系統的不同信號接收端信號的接收要求是同步時, 星形拓撲是最合適的。
4)遠端簇型
圖4:遠端簇型拓撲
遠端簇型拓撲結構又稱為遠端星形拓撲結構,實際上是星形拓撲結構的一個改進,只需要在分支節點處終端匹配即可。但需要各個接收端到分支點的距離盡可能近,分支過長會嚴重影響信號質量。
如果多個 負載之間的距離較近 ,可通過一條傳輸線與驅動端連接,負載都位于這條傳輸線的終端,這時只需要一個端接電路。如采用 串行端接 ,則在傳輸線源端按照阻抗匹配原則加入一串行電阻即可;如采用 并行短接 ,則短接應置于離源端距離最遠的負載處,同時,線網的拓撲結構應優先采用菊花鏈的連接方式。(串始并末)
遠端分支拓撲,各個分支長度很短,可以當作一個點對點的串聯端接匹配;如果 多個負載之間的距離較遠 ,需要通過多條傳輸線與驅動端連接,這時每個負載都需要一個端接電路。如采用串行端接,則在傳輸線源端每條傳輸線上均加入一個串聯電阻;如采用并行端接(以簡單并行端接為例),則端接應置于離源端距離最遠的負載處,同時,線網的拓撲結構應優先采用菊花鏈的連接方式,如下圖所示。
5)**T形拓撲 **
T形拓撲又稱為樹形拓撲,是一種對稱型的遠端簇型對稱結構。
圖5:T形拓撲
T型拓撲結構適用于多負載,單向驅動的總線結構,如地址、控制等。但那時當布線不對稱時,信號質量有很大影響,DDR2地址信號就是采用此種拓撲結構。希望每個T點分支長度是小于總線長度的1/3到1/5,希望STUB的長度越小越好。
** 經驗:當信號速率400M一下時可以考慮T形,星形結構,400-800M時使用菊花鏈,800M以上采用Fly-by結構。**
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