为什么SPI信号输出端加22Ω或33Ω电阻?

原创 美男子玩编程 2024-12-03 08:00

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当单片机使用SPI控制信号连接到传感器或者控制器时,串接22Ω或33Ω电阻的主要原因在于抑制反射和振铃。



1


反射与源端匹配的原理

在高速数字信号传输中,当信号的驱动端(如单片机或FPGA)输出到负载端(如传感器)时,会经过PCB上的传输线。


如果传输线的特性阻抗 Z0与驱动源的输出阻抗 Zd不匹配,会引发信号的反射。


反射会导致信号波形的失真,造成振铃、过冲等问题,特别是在信号上升沿和下降沿处显著。


源端匹配就是通过在驱动端串联一个电阻 R,使得信号源的输出阻抗加上串联电阻达到与传输线阻抗 Z0 匹配,以减少反射。



因此,通过在源端串接电阻 R=Z0−Zd,可以优化阻抗匹配,从而有效抑制反射。


而22Ω或33Ω电阻通常是经验所得的合理数值,适用于多数数字电路。


2


数字电路匹配

在射频电路中,通常会使用电感、电容等无源器件进行匹配,这种匹配被称为共轭匹配(conjugate matching)。


其目的是使信号能量最大化地传输至负载,且往往要求精确的50Ω匹配。


然而,数字电路的匹配方式较为简单,目标是抑制反射,而非能量最大传输,因此通常采用电阻来进行源端匹配。


电阻匹配的方法不仅简化了设计,也在信号完整性与实际操作成本之间提供了合理的平衡。


3


为什么选择22Ω或33Ω?

实际操作中,数字器件的输出阻抗 Zd往往并不理想,且存在较大的差异性。


例如,甚至同一型号的芯片,其输出阻抗在不同的工作条件下也会有所不同。


论坛和文献中提到的一些理论公式,如Zo = (Vdd-VOH) / IOH以及Zo = VOL/IOL,只能作为一个参考,而非绝对的计算标准。



基于经验,22Ω或33Ω的电阻往往可以在大多数情况下减少振铃和反射,因此被广泛采用。


4


实际设计中的调试

在实际设计中,由于器件和PCB布局的差异,电阻值可能需要微调,因此设计时通常会在PCB上预留电阻焊盘。


调试时,可以在不同阻值下使用示波器观察波形,逐步调整电阻,直到波形的振铃和过冲达到最低。


这样可以在设计初期为后续的调试和优化提供灵活性。


串接22Ω或33Ω电阻的做法体现了数字电路设计中“源端匹配”的重要性。


通过合理的电阻匹配,能抑制振铃和反射,保证信号的稳定和可靠性。

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