SPI信号线阻抗匹配

只看该作者 · 2023-4-17 22:05

SPI ( Serial Peripheral Interface一一串行外设接口）总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。在原理图设计过程中，都是将主从设备对应的IO口直接连接，从来没有考虑过阻抗匹配，用了很多年，也没有出线什么问题。但是没有出现问题，不代表没有问题的。

SPI数据线要不要串联电阻进行阻抗匹配，在TI的应用文档中说到，“传言提到：总线长度只有几米，或者数据传输率很低的时候，不需要传输阻抗。请不要相信这个说法”

要不要加电阻，就要搞清楚信号传输在什么情况下，是需要进行阻抗匹配。根据传输线理论，只有当信号波长和导线长度差不多的时候，才需要考虑。传输线的效应是逐渐体现出来的。而一般的评判标准，是当导线的长度大于信号波长的十分之一到八分之一时，就需要考虑传输线效应，防止信号反射带来的波形失真。所以绝对不是只有高频，几个GHz的信号，才需要做阻抗匹配。比如模拟电话线，语音信号的带宽也就f=4KHz，但电话线系统都需要考虑阻抗匹配，比如按600欧姆或者900欧姆阻抗匹配。因为电话线是几十千米的长度，已经大于信号波长L=V/f=37km的十分之一，如果阻抗不匹配，打电话就那可能听到回声。

但数字信号就稍微复杂一些，这是由于方波信号谐波分量很多，越是陡峭的上升沿和下降沿，意味着越高的信号频率，就不能按照基波频率来计算。所以要用另一只方式来描述，就是用信号的传输时间除以信号的上升时间或下降时间，如果这个比率超过了10%，那么就需要进行阻抗匹配。

传输时间tp=L/V，其中L是导线长度，V是电磁波在电路板中的传输速度

V=C/sqrDk，其中Dk是光速衰减因子，对于电路板而言是铜线，Dk=4

电磁波在电路板中的速度都是慢于光速的。

举一个具体的例子，如果SPI的时钟信号上升时间为10ns，导线长度是15cm，这样计算下来tp/tr是大于0.1，此时就需要按照传输线设计，要进行阻抗匹配。

由于SPI标准没有像USB标准那样规定数据线的阻抗，这是由于SPI的通信速度不是固定的，取决于设计者和器件的极限参数，因此没有标准，也就给设计者有了很多选择。

传输线匹配的两种常见放大，就是在信号输出端串联电阻匹配，或者在接收端并联电阻匹配。在接收端并联电阻匹配的弊端：当并联电阻接地下拉或者接电源上拉时候，都会增加驱动器损耗。因此常用的方法还是前者。除此只玩，SPI的PCB设计，需要按照高速PCB布线原则来设计，确定好走线的特征阻抗，计算好走线宽度，间隔等参数。特征阻抗一般选择50欧姆或者90欧姆等等。设计好了PCB的特征阻抗，串联电阻就好选择了，一般驱动器的输出阻抗Ro在10-30欧姆之间，传输线设计的阻抗是50欧姆，那么串联的电阻Zl可以选择22欧姆或者33欧姆。Zl和输出阻抗Ro相加，就和传输线特征阻抗相等。