VGA视频分配器系统的信号完整性改善方法

　　抑制接地反弹

　　要抑制接地反弹的影响，首先是减少IC封装的分布电感。其次，是采用分布电感较小的IC封装技术，表面贴片式封装通常比DIP封装的接地反弹低30%。然后是降低印刷电路板端的分布电感量。由于电感与导体的长度成正比，与宽度成反比，所以在高速数字系统中容易出现反弹。可以在里层摆放一个或一个以上的接地层，且接地层面积宽广，可以减少其地端回路的电感量。另外，电路设计时应尽可能避免让某个逻辑门驱动太多的负载。因为在数字电路中，若有多个并联的逻辑装置，总输入电容是每个逻辑装置的输入电容之和。

视频分配器信号完整性分析

　　当把一路输出视频信号提供给多台视频设备使用时，就要考虑使用VGA视频分配器。其实现方式主要有：晶体管放大驱动多路输出和集成芯片视频分配器两种。由于前者电源电压低，电路的动态范围小，且高频衰减较大，只能用在对这两方面要求不高的场合。因此，为使所设计的分配器能够实现高保真传输，本文采用集成芯片作为视频驱动。

　　采用15针VGA母插头作为视频信号输入输出接口，信号经过VGA插头后，分为行、场及R、G、B信号分别输出。行、场信号经过晶体管放大至输出端，R、G、B信号经集成芯片MAX4020视频放大器驱动和终端滤波网络滤波后送至输出端，如图2所示。

　　MAX4020是单位增益放大器，+5V电源驱动，输出电流可达120mA。在VGA 分配器的设计中，信号完整性最突出的问题就是阻抗匹配。理想传输线L被内阻为R0的数字信号驱动源Vs驱动，传输线的特性阻抗为Z0，负载阻抗为RL，如图3所示。如果终端阻抗(B点)跟传输线阻抗(A点)不匹配，就会形成反射，反射回来的电压幅值由负载反射系数ρL决定。ρL可由下式得出：

　　ρL=(RL-Z0)/(RL+Z0)

　　从终端反射回的电压到达源端时，可再次反射回负载端，形成二次反射，此时反射电压的幅值由源反射系数ρs决定，ρs可由下式得出：

　　ρs=(R0-Z0)/(R0+Z0)

　　由上式可知，只要匹配电路的设计满足源端阻抗R0等于传输线的特性阻抗Z0，或者负载阻抗RL等于传输线的特性阻抗Z0即可。

　　在实际的电路设计中一般都采用源端阻抗等于负载端阻抗的端接匹配方式 ，在负载端加入一下拉到地的电阻来实现匹配。由于系统负载阻抗为75Ω, 芯片输出电阻为8Ω，因此，只要在源端串连一个67Ω的匹配电阻RTO即可。所插入的串行电阻阻值加上驱动源的输出阻抗应大于等于传输线阻抗(轻微过阻尼)。这种匹配方式使源端反射系数为零，从而抑制了从负载反射回来的信号。其优点在于：每条线只需要一个端接电阻，无需与电源相连接，消耗功率小。实际调试中得到的图像无重影、雪花，但稍有偏暗。原因是采用此端接方式，源端匹配电阻在输出电路中分压，从而导致图像显示偏暗。

　　对电路做如图4所示的配置：在反馈端加一个接地电阻RG，从而放大电路的驱动电压。设计当中要注意反馈电阻RF和输入电阻RG的阻值选择要符合系统配置。阻值过大会增加电压噪声，影响放大器的输入容量，从而产生不必要的零极点，降低带宽甚至产生振荡。调试结果：图像显示与输入相同。

　　仿真分析

　　在现代高速电路设计中，仿真分析工具能够给设计者反馈准确、直观的设计结果，便于提早发现隐患，及时修改，缩短设计时间，降低设计成本。

　　图4 MAX4020配置原理图

　　图5 Hyperlynx仿真结果

　　BoardSim是HyperLynx公司开发的仿真工具。BoardSim用于布线以后快速地分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰问题，生成串扰强度报告，区分并解决串扰问题。电路在没有进行阻抗匹配以及进行阻抗匹配后的仿真结果如图5所示。可以看到，没有进行阻抗匹配的电路示波器中接收端的电压波形有很大的过冲和下冲，这样在接收端IC 每个周期将会收到一个非常陡的时钟信号，而且这样的波形将会引起很强的电磁辐射。而进行匹配的电路经仿真发现信号完整性问题得到了很好的解决。

　　结语

　　本文分析了高速电路设计中的信号完整性问题，提出了改善信号完整性的一些措施，并结合一个VGA视频分配器系统的设计过程，具体分析了改善信号完整性的方法。实践证明，正确的电路设计结合合理的建模仿真是解决高速系统设计中信号完整性问题的有效措施。