CN101527693A - 差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置及方法，其中第一传输线连接第一信号发送端和第一信号接收端、第二传输线连接第二信号发送端和第二信号接收端，并具有跨接在所述两条传输线上的偏置补偿电路以及跨接在所述两条传输线上且靠近信号发送端的阻抗匹配电路，偏置补偿电路包括连接到输入电压和所述第一传输线之间的第一电阻、连接到所述第一传输线和第二传输线之间的第二电阻、以及连接到第二传输线和地线之间的第三电阻；阻抗匹配电路包括串联在一起的匹配电阻和匹配电容，其中匹配电阻连接第一传输线，匹配电容连接第二传输线。利用本发明，可以较低的***功耗保证差分传输线的信号传输质量和准确性以及数据传输的稳定性。

Description

差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置和方法

技术领域

本发明涉及通讯传输技术，尤其涉及一种用于传输通讯信号的差分传输线的阻抗匹配及偏置补偿装置和方法。

背景技术

差分传输线用于远距离传输数据。差分传输线的传输物理层线路通常采用双绞线传输或者平衡式传输线，其传输信号需要的信号线组包括：数据信号正端(SIG+)和数据信号负端(SIG-)，正端和负端之间相互抵消传输串扰。

图1为差分传输线的基本传输示意图。参见图1，信号发送器件101以差分形式将数据信号从传输线102、103传送到信号接收器件201上，在传输过程中由于传输线102、103与发送器件101、接收器件201端接处阻抗不匹配，造成传输信号在传输线上不断反射，从而引起信号恶化，影响传输质量以及传输信号的准确性；同时，由于接收器件201接受的压差在发送器件101不传输数据时会出现不稳定状态，既可能是0，也可能是1。从而还会引起***逻辑混乱的问题。

为了切实保证信号传输质量和准确性以及保持数据传输的稳定状态，通常需要在电路两端进行电路阻抗匹配设计以及静态偏置电压的偏置补偿设计。主要包括以下两种现有技术。

现有技术一：在公开号为CN101001081A的中国专利申请公布说明书中提出了一种电路阻抗匹配的设计方案。图2为现有技术一的电路示意图，如图2所示。其公开了一种差分对端接电路，包括第一端接电阻、第二端进而电阻和电容，所述第一端接电阻、电容和第二端接电阻依次串联于差分传输线之间。但是，现有技术一仅仅解决了差分传输线两端阻抗匹配的问题，并没有解决电路静态模式下偏置电压的问题。

现有技术二：在公开号为CN1528075A的中国专利申请公布说明书中提出了一种用于差分传输线偏置补偿的装置和方法。图3为现有技术二的电路示意图。如图3所示。该方法在差分传输线中设置了两个偏置电路，其中第一偏置电路用于进行静态偏置电压的偏置补偿从而保证数据传输的稳定性；第二偏置电路用于进行阻抗匹配从而保证信号传输质量和准确性。但是，所述现有技术二中，所述匹配电阻Ra、Rc都是为了对传输线上的阻抗进行匹配，电阻一般选择在60ohm左右，电阻过小，同时由于匹配电阻直接连接电源或者接地，从而使信号发送端、信号接收端的偏置电流太大，进而造成***功耗过大。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置，以较低的***功耗保证差分传输线的信号传输质量和准确性以及数据传输的稳定性。

本发明所要解决的技术问题在于提供一种差分传输线阻抗匹配及偏置补偿方法，以较低的***功耗保证差分传输线的信号传输质量和准确性以及数据传输的稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明的主要技术方案为：

一种差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置，所述差分传输线中的第一传输线连接第一信号发送端和第一信号接收端、第二传输线连接第二信号发送端和第二信号接收端，该装置具有跨接在所述两条传输线上的偏置补偿电路、以及跨接在所述两条传输线上且靠近信号发送端的阻抗匹配电路，所述偏置补偿电路包括连接到输入电压(Vcc)和所述第一传输线之间的第一电阻(Ra)、连接到所述第一传输线和第二传输线之间的第二电阻(Rb)、以及连接到第二传输线和地线之间的第三电阻(Rc)；所述阻抗匹配电路包括串联在一起的匹配电阻(R1)和匹配电容(C)，其中匹配电阻(R1)连接第一传输线，匹配电容(C)连接第二传输线。

优选的，所述匹配电阻(R1)的阻抗与所述传输线阻抗在取值上接近。

优选的，所述匹配电容(C)为由一个以上电容并联组成的多极电容并联结构。

优选的，所述并联的一个以上电容中，包括一个电容值较大的主电容，其余都为电容值较小的次电容。

优选的，所述匹配电容(C)的总电容值为所述传输线阻抗与所述匹配电阻(R1)阻抗的差值乘以2×π×f后，再取倒数；其中π为圆周率，f为所述传输线的信号传输速率。

优选的，所述并联的一个以上电容的叠加阻抗在宽频段中具有稳定的阻抗值。

优选的，所述第二电阻(Rb)的阻抗与所述第一电阻(Ra)、第二电阻(Rb)、第三电阻(Rc)的阻抗之和的比值等于所述第一、第二信号接收端的偏置电压与输入电压(Vcc)的比值。

优选的，所述偏置补偿电路跨接在所述两条传输线上且靠近信号发送端处，或者跨接在所述两条传输线上且靠近信号接收端处。

一种差分传输线的阻抗匹配及偏置补偿方法，所述差分传输线包括两条传输线，该方法在所述两条传输线上设置偏置补偿电路和阻抗匹配电路；所述偏置补偿电路的设置方法具体包括：确定输入电压、以及与两条传输线相连的信号接收端之间的偏置电压；将所述偏置电压与输入电压的比值作为第二电阻阻抗与第一电阻、第二电阻、第三电阻阻抗之和的比值；按照所述第二电阻阻抗与第一电阻、第二电阻、第三电阻阻抗之和的比值关系选择第一电阻、第二电阻、第三电阻的阻抗；在输入电压端和第一传输线之间设置第一电阻、在第一传输线和第二传输线之间设置第二电阻、以及在第二传输线和地线之间设置第三电阻；所述阻抗匹配电路的设置方法包括：确定差分传输线的阻抗、差分传输线的信号传输速率、匹配电阻的阻抗；将所述差分传输线的阻抗与匹配电阻的阻抗之差乘以2×π再乘以所述信号传输速率，得到的积再取倒数得到匹配电容的值，将匹配电阻和匹配电容进行串联作为阻抗匹配电路设置在所述第一传输线和第二传输线之间且靠近信号发送端处。

优选的，在得到匹配电容的值后、设置阻抗匹配电路之前进一步包括：根据多极电容并联的取值方式对匹配电容值进行分解，得到一个以上电容值；将具有所述分解后电容值的一个以上电容并联组成匹配电容。

优选的，对匹配电容值进行分解时，对各个分解电容进行频率和阻抗的相关性分析，使分解后的一个以上电容的叠加阻抗在宽频段中具有稳定的阻抗值。

优选的，所确定的匹配电阻的阻抗与所述传输线阻抗在取值上接近。

本发明中，由于在差分传输线上跨接了阻抗匹配电路，因此可以保证差分传输线的信号传输质量和准确性，由于在差分传输线上跨接了偏置补偿电路，因此可以保证差分传输线的数据传输稳定性；同时，由于所述阻抗匹配电路为匹配电路和匹配电容串联而成，因此不会产生过大的偏置电流，从而减少电路功耗损失。

进一步的，所述匹配电容为一个以上电容的并联结构，可以进一步避免单个匹配电容在不同频段内的阻抗随着频率的变化而变化的问题，使匹配电容在较宽的频段范围内具有稳定的阻抗，保证在宽频段内的避免过大偏置电流，保证在宽频段内具有较小的电路功耗。

附图说明

图1为差分传输线的基本传输示意图；

图2为现有技术一的电路示意图；

图3为现有技术二的电路示意图；

图4为本发明所述差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置的电路示意图；

图5为电容阻抗与频率的关系示意图；

图6为本发明所述采用多级电容并联结构的差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置的电路示意图；

图7为所述差分传输线阻抗匹配及偏置补偿方法的流程图；

图8为实施485总线的阻抗匹配及偏置补偿装置的电路示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

图4为本发明所述差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置的电路示意图。参见图4，差分传输线电路包括具有两个信号发送端的信号发送器件101和具有两个信号接收端的信号接收器件201，还包括两条传输线，第一传输线102连接第一信号发送端和第一信号接收端、第二传输线103连接第二信号发送端和第二信号接收端。所述阻抗匹配及偏置补偿装置具有跨接在所述两条传输线上的偏置补偿电路104、以及跨接在所述两条传输线上的靠近信号发送器件101的阻抗匹配电路105。

所述偏置补偿电路104可以跨接在所述两条传输线上的靠近信号发送器件101处，或者跨接在所述两条传输线上靠近信号接收器件201处，优选的方式是跨接在靠近信号发送器件101处。偏置补偿电路104具体包括连接到输入电压Vcc和所述第一传输线102之间的第一电阻Ra、连接到所述第一传输线102和第二传输线103之间的第二电阻Rb、以及连接到第二传输线103和地线Gnd之间的第三电阻Rc。在一种优选方式中，所述第二电阻Rb的阻值与所述第一电阻Ra、第二电阻Rb、第三电阻Rc的阻值之和的比值等于所述第一、第二信号接收端的偏置电压与输入电压Vcc的比值。

所述阻抗匹配电路105包括串联在一起的匹配电阻R1和匹配电容C，其中匹配电阻R1连接第一传输线102，匹配电容C连接第二传输线103。在阻抗的取值上，所述匹配电阻(R1)的阻抗与所述传输线阻抗接近。所述匹配电容C的总电容值为所述传输线阻抗与所述匹配电阻(R1)阻抗的差值乘以2×π×f后，再取倒数；其中π为圆周率，f为所述传输线的信号传输速率。

由于电容的物理特性，不同固定容值的电容在不同的频段之内产生的阻抗差异会很大，例如图5为电容阻抗与频率的关系示意图，其中横坐标单位为频率，纵坐标单位为阻抗。参见图5，可以看到，对于单独电容，其阻抗随频率变化会骤然改变。例如：10u电容的阻抗变化曲线501显示其阻抗随频率升高而升高；0.1u电容的阻抗变化曲线502显示其阻抗先随频率升高而降低，再随频率升高而升高，形成“V”字形的曲线；0.01u电容的阻抗变化曲线503显示其阻抗先随频率升高而降低，再随频率升高而升高，形成“V”字形的曲线。由于单独电容阻抗随频率变化很大，在较窄的频率范围内可以利用单独电容作为匹配电容。

但是在较宽的频率范围内，为了避免单个匹配电容在不同频段内的阻抗不稳定的问题，所述匹配电容C可以采用由一个以上电容并联组成的多极电容并联结构，例如图5所示，10u、0.1u和0.01u的电容并联后，其并联阻抗变化曲线504为“W”字形，其在较宽的频率范围内在某一阻抗值附近波动，从而保证匹配电容保持在某一阻抗上。

图6为本发明所述采用多级电容并联结构的差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置的电路示意图，参见图6，所述匹配电容为电容C1、C2、......、Cn组成的并联电容结构，所述并联的一个以上电容的叠加阻抗在宽频段中具有稳定的阻抗值。在一种优选的实施方式中，所述并联的一个以上电容中，电容的取值上需要有一个电容值较大的主电容，其余都为电容值较小的次电容。

本发明还包括差分传输线的阻抗匹配及偏置补偿方法，该方法在所述两条传输线上设置偏置补偿电路和阻抗匹配电路。图7为所述差分传输线阻抗匹配及偏置补偿方法的流程图。参见图7，该方法包括：

步骤701、确定差分传输线的阻抗Rx和差分传输线的信号传输速率f；这些取值可以根据具体的应用环境预先得到；然后确定匹配电阻的阻抗R1，R1的取值略小于Rx。

步骤702、根据***所确定的Rx、f、R1确定匹配电容C的取值。具体确定方法参见公式(1)：

$\frac{1}{j\×2\×\mathrm{\π}\×f\×C}=\mathrm{Rx}-R1$ 公式(1)

公式(1)中所述j为虚部符号，π为圆周率。根据公式(1)，将所述Rx与R1之差乘以2×π再乘以所述信号传输速率f，得到的积再取倒数得到匹配电容C的值，然后将匹配电阻R1和匹配电容C进行串联作为阻抗匹配电路设置在所述第一传输线和第二传输线之间且靠近信号发送端处。

对于一个以上电容并联组成匹配电容C的结构，还需要进一步根据信号传输速率f的大小，对传输信号速率5倍频以上频带信号的滤波要求，以及根据电容实际物理特性，对取得的匹配电容值C分解为C1、C2...Cn，满足以下公式(2)：

$\frac{1}{j\×2\×\mathrm{\π}\×f\×(C1+C2+...+\mathrm{Cn})}=\mathrm{Rx}-R1$ 公式(2)

至于具体的每一分解电容C1、C2...Cn的取值，需要满足C1+C2+...+Cn＝C，同时对各个分解电容进行频率和阻抗的相关性分析，使分解后的C1、C2...Cn的叠加阻抗在宽频段中具有稳定的阻抗值；然后，将具有所述分解后电容值的一个以上电容C1、C2...Cn并联组成匹配电容。

步骤703、确定输入电压Vcc、以及与两条传输线相连的信号接收端之间的偏置电压Vf。

步骤704、根据所述Vcc、Vf确定偏置补偿电路的第一电阻(Ra)、第二电阻(Rb)、第三电阻(Rc)的阻抗。具体参见以下公式(3)：

$\frac{\mathrm{Rb}}{\mathrm{Ra}+\mathrm{Rb}+\mathrm{Rc}}=\frac{\mathrm{Vf}}{\mathrm{Vcc}}$ 公式(3)

参见上述公式(3)，将所述偏置电压Vf与输入电压Vcc的比值作为第二电阻Rb与第一电阻Ra、第二电阻Rb、第三电阻Rc之和的比值；按照所述第二电阻Rb与第一电阻Ra、第二电阻Rb、第三电阻Rc之和的比值关系选择第一电阻Ra、第二电阻Rb、第三电阻Rc；接着，在输入电压端和第一传输线之间设置第一电阻Ra、在第一传输线和第二传输线之间设置第二电阻Rb、以及在第二传输线和地线之间设置第三电阻Rc。

当然，上述步骤701～步骤702设置阻抗匹配电路与步骤703～步骤704设置偏置补偿电路之间没有必然的前后顺序，也可以先设置偏置补偿电路，或者同时设置所述阻抗匹配电路和偏置补偿电路。

下面以一个具体的实施例说明本发明所述阻抗匹配及偏置补偿装置的参数选择过程：

在本具体实施例中采用485总线作为差分传输线。在本实施例的485总线使用过程中，假设信号的传输速率为10Mbps，接受灵敏度为±0.2V，即偏置电压至少大于0.2V，确保偏置静态信号的是一个确定的值。

本实施例的实际应用环境参数为：Vcc为3.3V；偏置电压为1V；传输速率为10Mbps；差分传输线阻抗为单端阻抗60omh。

按照图6中所示，R1，C1、C2...Cn全部放在靠近信号发送器件处，Ra，Rb，Rc既可以放在靠近信号发送器件处，也可以放在信号接收器件处。

相关参数的计算步骤为：选取R1阻值为59.9omh(该R1的值尽量靠近线路阻抗)；通过公式(2)可以计算出C1+C2...+Cn＝0.16uF。由于电容的物理特性，一个固定容值的电容在一定的频段之内才能产生低阻抗效应，因此采用多极电容并联的设计，达到在大范围频段之内形成低阻抗的作用，例如可以根据类似图5所述的阻抗曲线分析可以选择0.1u电容并联6个0.01u电容的 组合方案。

接着根据偏置电压1v，通过公式(3)计算出Rb/(Ra+Rb+Rc)＝1/3.3。选择Rb＝1000ohm，则Ra+Rc＝2300ohm，由于485总线为平衡总线。所以Ra＝Rc＝1150ohm。

最后根据上述确定的参数设置所述阻抗匹配电路及偏置补偿电路，得到如图8所示的阻抗匹配及偏置补偿装置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种差分传输线阻抗匹配及偏置补偿装置，所述差分传输线中的第一传输线连接第一信号发送端和第一信号接收端、第二传输线连接第二信号发送端和第二信号接收端，该装置具有跨接在所述两条传输线上的偏置补偿电路、以及跨接在所述两条传输线上且靠近信号发送端的阻抗匹配电路，其特征在于：所述偏置补偿电路包括连接到输入电压(Vcc)和所述第一传输线之间的第一电阻(Ra)、连接到所述第一传输线和第二传输线之间的第二电阻(Rb)、以及连接到第二传输线和地线之间的第三电阻(Rc)；所述阻抗匹配电路包括串联在一起的匹配电阻(R1)和匹配电容(C)，其中匹配电阻(R1)连接第一传输线，匹配电容(C)连接第二传输线。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述匹配电阻(R1)的阻抗与所述传输线阻抗在取值上接近。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述匹配电容(C)为由一个以上电容并联组成的多极电容并联结构。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述并联的一个以上电容中，包括一个电容值较大的主电容，其余都为电容值较小的次电容。

5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述匹配电容(C)的总电容值为所述传输线阻抗与所述匹配电阻(R1)阻抗的差值乘以2×π×f后，再取倒数；其中π为圆周率，f为所述传输线的信号传输速率。

6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述并联的一个以上电容的叠加阻抗在宽频段中具有稳定的阻抗值。

7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二电阻(Rb)的阻抗与所述第一电阻(Ra)、第二电阻(Rb)、第三电阻(Rc)的阻抗之和的比值等于所述第一、第二信号接收端的偏置电压与输入电压(Vcc)的比值。

8、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏置补偿电路跨接在所述两条传输线上且靠近信号发送端处，或者跨接在所述两条传输线上且靠近信号接收端处。

9、一种差分传输线的阻抗匹配及偏置补偿方法，所述差分传输线包括两条传输线，其特征在于，该方法在所述两条传输线上设置偏置补偿电路和阻抗匹配电路；

所述偏置补偿电路的设置方法具体包括：确定输入电压、以及与两条传输线相连的信号接收端之间的偏置电压；将所述偏置电压与输入电压的比值作为第二电阻阻抗与第一电阻、第二电阻、第三电阻阻抗之和的比值；按照所述第二电阻阻抗与第一电阻、第二电阻、第三电阻阻抗之和的比值关系选择第一电阻、第二电阻、第三电阻的阻抗；在输入电压端和第一传输线之间设置第一电阻、在第一传输线和第二传输线之间设置第二电阻、以及在第二传输线和地线之间设置第三电阻；

所述阻抗匹配电路的设置方法包括：确定差分传输线的阻抗、差分传输线的信号传输速率、匹配电阻的阻抗；将所述差分传输线的阻抗与匹配电阻的阻抗之差乘以2×π再乘以所述信号传输速率，得到的积再取倒数得到匹配电容的值，将匹配电阻和匹配电容进行串联作为阻抗匹配电路设置在所述第一传输线和第二传输线之间且靠近信号发送端处。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在得到匹配电容的值后、设置阻抗匹配电路之前进一步包括：根据多极电容并联的取值方式对匹配电容值进行分解，得到一个以上电容值；将具有所述分解后电容值的一个以上电容并联组成匹配电容。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对匹配电容值进行分解时，对各个分解电容进行频率和阻抗的相关性分析，使分解后的一个以上电容的叠加阻抗在宽频段中具有稳定的阻抗值。

12、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所确定的匹配电阻的阻抗与所述传输线阻抗在取值上接近。

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