高速设计的三座大山：电阻的应用

2021-02-06 14:44

作者:王锐

高速设计的三座大山

电阻基础

老子在道德经里说:道生一,一生二,二生三,三生万物。三对于我们中国人来讲,有很深的寓意。从古至今,关于三的典故和成语数不胜数,三岁小孩都可以信手拈来。比如三人行则必有我师,三充满着无尽的智慧;也比如事不过三,三代表着亘古不变的原则;再比如三原色,红绿蓝,三营造了我们的绚丽缤纷的世界。再说到我们的高速设计,曾经让我们听之色变、闻风丧胆的高速设计,其实我们所考虑的问题也不外乎三种基本电子元件(电阻、电容、电感),以及它们的组合。在高速先生的后续文章里,我会把我对这三种基本电子元件的理解与领悟分享给大家。

电阻的应用

在我们接触电子课程的时候,往往首次接触的一般都是电阻。电阻在电路中有两个基本作用:限流、分压。

为了更加形象、直观,便于理解,我们将电流以水流类比,电源类比水泵,传输线类比水渠,电阻类比水渠里的障碍物。如下图:

电子的流动形成了电流。假如电路中不接负载,将电源的正负极直接相连,会发生什么事情?短路,烧毁器件。这就像水泵把水抽到水渠中,而水渠是一条非常平滑的水渠(阻力趋近于0),水流以趋近无穷大的速度冲向水泵,等待水泵的命运就只有毁灭。

因此,一般当电流中接入非线性器件(二极管等)时,其阻抗会随着时间而变化,此时,电路中就需要接入电阻,起到限流,保护电路的作用。如下图:

再来说分压,电阻分压的应用,在PCB设计中有很多。比如DDR3的参考电源Vref,我们常见的一种做法就是利用两个相同阻值的电阻,从DDR3的供电电源1．5V,分压得到0．75V的参考电源。如下图:

对大多数人来说,电阻可能就只有两这个作用了,小编在接触高速数字电路之前,同样也是这样认为的。做过高速数字电路设计之后,就了解到电阻还有一个作用,那就是——端接。

如果同样用水作类比来解释的话,小编有这样的一个理解。

端接电阻相当于在水渠里铸一个堤坝,堤坝后面通向大海。现在我的要求是始终保持堤坝上游有3m的水位,那我就要修建一个3m高的大坝。如果突然下暴雨涨水,多出来的水就会漫过堤坝,流向大海,不会影响堤坝上游的水流和水位,如果突然水面上起风,激起水浪,水位可能超过3m,但是当水浪到达堤坝位置的时候,也会漫过堤坝,流向大海,水渠里的水流和水位还是不会受到影响。如果大坝建4m,下暴雨和起风的时候,堤坝上游的水位就会受影响。如果堤坝建2m,就不能保证足够的水压。所以堤坝要建的刚刚好。如果把3m高的堤坝换成同传输线阻抗一致的匹配电阻,把下暴雨和起风当做PCB板中的串扰和反射来理解,端接匹配电阻的作用及原理是不是一下子就清晰明了啦。不过这是小编个人的理解,如有不当,欢迎指正哦。

所以,通常在高速数字电路设计中会接入端接电阻,保证驱动端到接收端之间的电流和电压平稳,消除反射。端接电阻的阻值等于传输线的特性阻抗值,如果高于或低于传输线的阻值,回路中都会发生反射。如下图: