高速時(shí)鐘信號(hào)的匹配電路設(shè)計(jì)與分析范文

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摘要：時(shí)鐘信號(hào)是數(shù)字電路能夠正常工作的基礎(chǔ)，決定著數(shù)據(jù)能否正常判決。但是隨著集成電路工藝的發(fā)展，時(shí)鐘信號(hào)的邊沿變化速率都變得非常快，快速的邊沿速率會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)完整性和電磁兼容性問題，為了確保時(shí)鐘信號(hào)的完整性，時(shí)鐘信號(hào)需要進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。信號(hào)完整性分析中常用的幾種匹配方法是否都適合于時(shí)鐘信號(hào)，各種匹配方法的取值如何確定就成為了設(shè)計(jì)難點(diǎn)。為了能夠獲取高質(zhì)量的時(shí)鐘信號(hào)，文章結(jié)合仿真分析的方法，設(shè)計(jì)出典型時(shí)鐘電路RC匹配電路，指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：時(shí)鐘信號(hào)；匹配電路；信號(hào)完整性

0前言

當(dāng)今電子技術(shù)不斷地發(fā)展，高密、高速、高可靠性已經(jīng)成為電子產(chǎn)品所面臨的難題之一。集成電路也隨著這一發(fā)展不斷地改進(jìn)工藝以應(yīng)對(duì)信號(hào)的快速翻轉(zhuǎn)，14納米技術(shù)已經(jīng)在商用產(chǎn)品中通用。信號(hào)快速的翻轉(zhuǎn)給我們提供更高速率的可能性的同時(shí)也引入了新的問題，信號(hào)的邊沿速率也變得非常快。特別是時(shí)鐘等邊沿敏感信號(hào)，快速的邊沿速率會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)完整性和電磁兼容性問題。為了在設(shè)計(jì)階段就能提前解決這一系列的問題，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，就需要深入探討時(shí)鐘的原理設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)。本文將結(jié)合仿真分析的方法，詳細(xì)介紹時(shí)鐘設(shè)計(jì)。

1基本概念

高速電路設(shè)計(jì)是當(dāng)今的一個(gè)熱門的話題，但是高速電路的定義卻不是那么的清晰明確，現(xiàn)在比較通用的定義為信號(hào)的上升時(shí)間小于6倍的信號(hào)傳輸時(shí)延時(shí)，就認(rèn)為此信號(hào)為高速信號(hào)。當(dāng)信號(hào)頻率較高（高于30MHz）時(shí)，信號(hào)的邊沿速率一定比較快，此時(shí)可以認(rèn)為是高速信號(hào)，當(dāng)信號(hào)速率不高（低于30MHz）時(shí)，但是由于工藝問題信號(hào)速率較快，此時(shí)也可以認(rèn)為是高速信號(hào)。

2時(shí)鐘線設(shè)計(jì)

時(shí)鐘信號(hào)是電路設(shè)計(jì)中的時(shí)序基準(zhǔn)，是決定其他電路信號(hào)是否能夠被正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，因此時(shí)鐘信號(hào)自身的電路設(shè)計(jì)及信號(hào)質(zhì)量非常關(guān)鍵，本節(jié)將詳細(xì)闡述時(shí)鐘信號(hào)的電氣要求、設(shè)計(jì)方法以及仿真分析。

2.1時(shí)鐘信號(hào)的電氣要求

時(shí)鐘信號(hào)一般為LVCOMS、LVTTL等類型的電平信號(hào)，其電氣特性要求與LVCOMS、LVTTL等信號(hào)類似，一般包括高電平判決門限、低電平判決門限、周期、上升/下降時(shí)間以及占空比等。

2.2時(shí)鐘信號(hào)匹配電路的設(shè)計(jì)方法

由上文可知時(shí)鐘信號(hào)非常重要，并且信號(hào)特性要求非常高，那么就需要針對(duì)此信號(hào)進(jìn)行詳盡的設(shè)計(jì)分析確保時(shí)鐘信號(hào)的完整性。時(shí)鐘信號(hào)一般是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)，而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)的匹配設(shè)計(jì)方式有四種，其優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：（1）源端串聯(lián)匹配（圖2-a所示）：優(yōu)點(diǎn)：適用于各類負(fù)載，且阻值選擇靈活；對(duì)器件的限制比較小、沒有直流功耗、消除振鈴非常有效（特別是過驅(qū)動(dòng)模式）、有效地消除二次反射；缺點(diǎn)：可能會(huì)對(duì)上升下降時(shí)間有所影響、必須緊挨著驅(qū)動(dòng)器放置、驅(qū)動(dòng)器的上拉管和下拉管的內(nèi)阻有所區(qū)別、不能完全匹配、對(duì)于多負(fù)載情況，作用有限；（2）末端并聯(lián)匹配（圖2-b所示）：優(yōu)點(diǎn)：適用于多負(fù)載電路設(shè)計(jì)；匹配阻抗易于選擇；在多負(fù)載電路設(shè)計(jì)中只需要對(duì)其中一個(gè)芯片添加負(fù)載；缺點(diǎn)：增加了直流負(fù)載、增加了系統(tǒng)功耗；信號(hào)的幅度會(huì)有所減小；（3）末端戴維南匹配（圖2-c所示）：優(yōu)點(diǎn)：適用于多負(fù)載電路設(shè)計(jì)；適用于SSTL/HSTL這類的線性結(jié)構(gòu)；可以設(shè)置偏置電壓、噪聲裕量增加；缺點(diǎn)：增加了直流負(fù)載、增加了系統(tǒng)功耗；信號(hào)的幅度有所減小、需要兩個(gè)分立器件；（4）末端RC匹配（圖2-d所示）：優(yōu)點(diǎn)：適用于多負(fù)載電路設(shè)計(jì)；匹配阻抗易于選擇；沒有直流功耗；缺點(diǎn)：需要兩個(gè)分立器件、Ct增加了負(fù)載電容、由于RC時(shí)常數(shù)增加了信號(hào)時(shí)延、適用于周期性信號(hào)、Ct的值比較難優(yōu)化，與信號(hào)的頻率有直接的關(guān)系。綜上分析，這四種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)的匹配設(shè)計(jì)均適用于時(shí)鐘濾波，但是從功耗的角度考慮，一般選用a和d。其中串聯(lián)匹配的設(shè)計(jì)比較簡單，無需深入分析；而RC濾波設(shè)計(jì)較另外三種設(shè)計(jì)復(fù)雜，其容值的選擇直接會(huì)影響信號(hào)的波形，因此本文將針對(duì)時(shí)鐘信號(hào)RC匹配設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.3時(shí)鐘信號(hào)的RC匹配電路設(shè)計(jì)

在時(shí)鐘信號(hào)RC匹配電路設(shè)計(jì)中，匹配元器件R和C的選值非常關(guān)鍵，本節(jié)將通過仿真以及理論計(jì)算的方式來對(duì)其進(jìn)行深入的原理分析。典型RC匹配電路設(shè)計(jì)如下圖3“電路設(shè)計(jì)圖”所示，其時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器可以等效為脈沖源與內(nèi)阻的串聯(lián)（cmos電路的內(nèi)阻一般為20ohm左右），時(shí)鐘接收器可以等效為1012ohm的內(nèi)阻（相當(dāng)于開路），時(shí)鐘發(fā)送端有33ohm的內(nèi)阻，時(shí)鐘接收端有15ohm與0.01uf的下拉，發(fā)送端和接收端之間為信號(hào)傳輸線。

2.4典型的時(shí)鐘信號(hào)RC匹配電路

綜上分析，當(dāng)電容取值較小的時(shí)候，電容僅作為拉緩邊沿的作用，此時(shí)電阻對(duì)于直流特性的影響微乎其微，推薦選用10pf左右的電容；但在考慮信號(hào)的傳輸線特性時(shí)，此處的電阻與傳輸線的特性阻抗會(huì)是一個(gè)阻抗突變點(diǎn)，因此如果為了做阻抗匹配，需要選用50ohm在做阻抗匹配，整個(gè)此處的電路就變成典型的RC匹配形式。

3結(jié)語

時(shí)鐘信號(hào)的RC匹配電路是為了能夠優(yōu)化時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量，其中電阻的選用原則是與信號(hào)線阻抗匹配，電容的選用要避免因其充電速度嚴(yán)重影響波形質(zhì)量，一般推薦選用皮法級(jí)電容，這樣才能保證時(shí)鐘信號(hào)的完整性、確保時(shí)鐘信號(hào)滿足電氣要求。

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作者：韓嫚莉；劉婷婷 單位：中國航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所