什么是阻抗匹配？為什么要阻抗匹配？

2017-07-01 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

什么是阻抗?

具有電阻、電感和電容的電路里,對(duì)交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成,但不是三者簡(jiǎn)單相加。如果三者是串聯(lián)的,又知道交流電的頻率f、電阻R、電感L和電容C,那么串聯(lián)電路的阻抗。

阻抗的單位是歐。

對(duì)于一個(gè)具體電路,阻抗不是不變的,而是隨著頻率變化而變化。在電阻、電感和電容串聯(lián)電路中,電路的阻抗一般來(lái)說(shuō)比電阻大。也就是阻抗減小到最小值。在電感和電容并聯(lián)電路中,諧振的時(shí)候阻抗增加到最大值,這和串聯(lián)電路相反。

阻抗匹配在高頻設(shè)計(jì)中是一個(gè)常用的概念,這篇文章對(duì)這個(gè)“阻抗匹配”進(jìn)行了比較好的解析。回答了什么是阻抗匹配。

阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學(xué)里的一部分,主要用于傳輸線上,來(lái)達(dá)至所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的,不會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)源點(diǎn),從而提升能源效益。

大體上,阻抗匹配有兩種,一種是透過(guò)改變阻抗力(lumped-circuit matching),另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(zhǎng)(transmission line matching)。

要匹配一組線路,首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值,除以傳輸線的特性阻抗值來(lái)歸一化,然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。

改變阻抗力

把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來(lái),即可增加或減少負(fù)載的阻抗值,在圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地,首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180度,然后才沿電阻圈走動(dòng),再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重覆以上方法直至電阻值變成1,即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?

調(diào)整傳輸線

由負(fù)載點(diǎn)至來(lái)源點(diǎn)加長(zhǎng)傳輸線,在圖表上的圓點(diǎn)會(huì)沿著圖中心以逆時(shí)針?lè)较蜃邉?dòng),直至走到電阻值為1的圓圈上,即可加電容或電感把阻抗力調(diào)整為零,完成匹配。

阻抗匹配則傳輸功率大,對(duì)于一個(gè)電源來(lái)講,單它的內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí),輸出功率最大,此時(shí)阻抗匹配。最大功率傳輸定理,如果是高頻的話,就是無(wú)反射波。對(duì)于普通的寬頻放大器,輸出阻抗50Ω,功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配,可是如果信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長(zhǎng)度,即纜長(zhǎng)可以忽略的話,就無(wú)須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí),要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時(shí)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射,這表明所有能量都被負(fù)載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速 PCB布線時(shí),為了防止信號(hào)的反射,要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個(gè)大約的數(shù)字,一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆,頻帶75歐姆,對(duì)絞線則為100歐姆,只是取個(gè)整而已,為了匹配方便。

阻抗從字面上看就與電阻不一樣,其中只有一個(gè)阻字是相同的,而另一個(gè)抗字呢?簡(jiǎn)單地說(shuō),阻抗就是電阻加電抗,所以才叫阻抗;周延一點(diǎn)地說(shuō),阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中,物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質(zhì)都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱作良導(dǎo)體,電阻很大的物質(zhì)稱作非導(dǎo)體,而最近在高科技領(lǐng)域中稱的超導(dǎo)體,則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會(huì)阻礙電流以外,電容及電感也會(huì)阻礙電流的流動(dòng),這種作用就稱之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗,簡(jiǎn)稱容抗及感抗。它們的計(jì)量單位與電阻一樣是奧姆,而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系,頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問(wèn)題,具有向量上的關(guān)系式,因此才會(huì)說(shuō):阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對(duì)于不同特性的電路,匹配條件是不一樣的。

在純電阻電路中,當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí),則輸出功率為最大,這種工作狀態(tài)稱為匹配,否則稱為失配。

當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí),為使負(fù)載得到最大功率,負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系,即電阻成份相等,電抗成份只數(shù)值相等而符號(hào)相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。

一、阻抗匹配的研究

在高速的設(shè)計(jì)中,阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說(shuō)是豐富多樣,但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用,需要衡量多個(gè)方面的因素。例如我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)計(jì)中,很多采用的都是源段的串連匹配。對(duì)于什么情況下需要匹配,采用什么方式的匹配,為什么采用這種方式。

例如:差分的匹配多數(shù)采用終端的匹配;時(shí)鐘采用源段匹配;

1、串聯(lián)終端匹配

串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下,在信號(hào)的源端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻R,使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,抑制從負(fù)載端反射回來(lái)的信號(hào)發(fā)生再次反射.

串聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn):
A、由于串聯(lián)匹配電阻的作用,驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳播時(shí)以其幅度的50%向負(fù)載端傳播;
B、信號(hào)在負(fù)載端的反射系數(shù)接近+1,因此反射信號(hào)的幅度接近原始信號(hào)幅度的50%。
C、反射信號(hào)與源端傳播的信號(hào)疊加,使負(fù)載端接受到的信號(hào)與原始信號(hào)的幅度近似相同;
D、負(fù)載端反射信號(hào)向源端傳播,到達(dá)源端后被匹配電阻吸收;?
E、反射信號(hào)到達(dá)源端后,源端驅(qū)動(dòng)電流降為0,直到下一次信號(hào)傳輸。

相對(duì)并聯(lián)匹配來(lái)說(shuō),串聯(lián)匹配不要求信號(hào)驅(qū)動(dòng)器具有很大的電流驅(qū)動(dòng)能力。

選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單,就是要求匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗為零,實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器總是有比較小的輸出阻抗,而且在信號(hào)的電平發(fā)生變化時(shí),輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為+4.5V的CMOS驅(qū)動(dòng)器,在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為37Ω,在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為45Ω;TTL驅(qū)動(dòng)器和CMOS驅(qū)動(dòng)一樣,其輸出阻抗會(huì)隨信號(hào)的電平大小變化而變化。因此,對(duì)TTL或CMOS電路來(lái)說(shuō),不可能有十分正確的匹配電阻,只能折中考慮。

鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號(hào)網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配,所有的負(fù)載必須接到傳輸線的末端。否則,接到傳輸線中間的負(fù)載接受到的波形就會(huì)象圖3.2.5中C點(diǎn)的電壓波形一樣?？梢钥闯?有一段時(shí)間負(fù)載端信號(hào)幅度為原始信號(hào)幅度的一半。顯然這時(shí)候信號(hào)處在不定邏輯狀態(tài),信號(hào)的噪聲容限很低。

串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小,不會(huì)給驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)額外的直流負(fù)載,也不會(huì)在信號(hào)和地之間引入額外的阻抗;而且只需要一個(gè)電阻元件。

2、并聯(lián)終端匹配

并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下,通過(guò)增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。實(shí)現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。

并聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn):
A 驅(qū)動(dòng)信號(hào)近似以滿幅度沿傳輸線傳播;
B 所有的反射都被匹配電阻吸收;
C 負(fù)載端接受到的信號(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度近似相同。

在實(shí)際的電路系統(tǒng)中,芯片的輸入阻抗很高,因此對(duì)單電阻形式來(lái)說(shuō),負(fù)載端的并聯(lián)電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等。假定傳輸線的特征阻抗為50Ω,則R值為50Ω。如果信號(hào)的高電平為5V,則信號(hào)的靜態(tài)電流將達(dá)到100mA。由于典型的TTL或CMOS電路的驅(qū)動(dòng)能力很小,這種單電阻的并聯(lián)匹配方式很少出現(xiàn)在這些電路中。

雙電阻形式的并聯(lián)匹配,也被稱作戴維南終端匹配,要求的電流驅(qū)動(dòng)能力比單電阻形式小。這是因?yàn)閮呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配,每個(gè)電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅(qū)動(dòng)能力,兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則:

⑴、兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等;
⑵、與電源連接的電阻值不能太小,以免信號(hào)為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大;
⑶、與地連接的電阻值不能太小,以免信號(hào)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大。

并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行;顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)直流功耗:單電阻方式的直流功耗與信號(hào)的占空比緊密相關(guān)?;雙電阻方式則無(wú)論信號(hào)是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對(duì)功耗要求高的系統(tǒng)。另外,單電阻方式由于驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒(méi)有應(yīng)用,而雙電阻方式需要兩個(gè)元件,這就對(duì)PCB的板面積提出了要求,因此不適合用于高密度印刷電路板。

當(dāng)然還有:AC終端匹配; 基于二極管的電壓鉗位等匹配方式。

二、將訊號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花

2.1、數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號(hào)線(Signal Line)中,當(dāng)出現(xiàn)方波訊號(hào)的傳輸時(shí),可將之假想成為軟管(hose)送水澆花。一端于手握處加壓使其**水柱,另一端接在水龍頭。當(dāng)握管處所施壓的力道恰好,而讓水柱
的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時(shí),則施與受兩者皆歡而順利完成使命,豈非一種得心應(yīng)手的小小成就?

2.2、然而一旦用力過(guò)度水注射程太遠(yuǎn),不但騰空越過(guò)目標(biāo)浪費(fèi)水資源,甚至還可能因強(qiáng)力水壓無(wú)處宣泄,以致往來(lái)源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折,而且還大捅紕漏滿臉豆花呢!

2.3、反之,當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者,則照樣得不到想要的結(jié)果。過(guò)猶不及皆非所欲,唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。

2.4、上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié),正可用以說(shuō)明方波(Square Wave)訊號(hào)(Signal)在多層板傳輸線(Transmission Line,系由訊號(hào)線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成)中所進(jìn)行的快速傳送。此時(shí)可將傳輸線(常見(jiàn)者有同軸電纜Coaxial Cable,與微帶線Microstrip Line或帶線Strip Line等)看成軟管,而握管處所施加的壓力,就好比板面上“接受端”(Receiver)元件所并聯(lián)到Gnd的電阻器一般,可用以調(diào)節(jié)其終點(diǎn)的特性阻抗(Characteristic Impedance),使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。

三、傳輸線之終端控管技術(shù)(Termination)

3.1、由上可知當(dāng)“訊號(hào)”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn),欲進(jìn)入接受元件(如CPU或Meomery等大小不同的IC)中工作時(shí),則該訊號(hào)線本身所具備的“特性阻抗”,必須要與終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行,如此才不致任務(wù)失敗白忙一場(chǎng)。用術(shù)語(yǔ)說(shuō)就是正確執(zhí)行指令,減少雜訊干擾,避免錯(cuò)誤動(dòng)作”。一旦彼此未能匹配時(shí),則必將會(huì)有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈,進(jìn)而形成反射雜訊(Noise)的煩惱。

3.2、當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗(Z0)被設(shè)計(jì)者訂定為28ohm時(shí),則終端控管的接地的電阻器(Zt)也必須是28ohm,如此才能協(xié)助傳輸線對(duì)Z0的保持,使整體得以穩(wěn)定在28 ohm的設(shè)計(jì)數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下,訊號(hào)的傳輸才會(huì)最具效率,其“訊號(hào)完整性”(Signal Integrity,為訊號(hào)品質(zhì)之專用術(shù)語(yǔ))也才最好。

四、特性阻抗(Characteristic Impedance)

4.1、當(dāng)某訊號(hào)方波,在傳輸線組合體的訊號(hào)線中,以高準(zhǔn)位(High Level)的正壓訊號(hào)向前推進(jìn)時(shí),則距其最近的參考層(如接地層)中,理論上必有被該電場(chǎng)所感應(yīng)出來(lái)的負(fù)壓訊號(hào)伴隨前行(等于正壓訊號(hào)反向的回歸路徑 Return Path),如此將可完成整體性的回路(Loop)系統(tǒng)。該“訊號(hào)”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以凍結(jié),即可想象其所遭受到來(lái)自訊號(hào)線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值(Instantanious Impedance),此即所謂的“特性阻抗”。是故該“特性阻抗”應(yīng)與訊號(hào)線之線寬(w)、線厚(t)、介質(zhì)厚度(h)與介質(zhì)常數(shù)(Dk)都扯上了關(guān)系。

4.2、阻抗匹配不良的后果

由于高頻訊號(hào)的“特性阻抗”(Z0)原詞甚長(zhǎng),故一般均簡(jiǎn)稱之為“阻抗”。讀者千萬(wàn)要小心,此與低頻AC交流電(60Hz)其電線(并非傳輸線)中,所出現(xiàn)的阻抗值(Z)并不完全相同。數(shù)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都能管理妥善,而控制在某一范圍內(nèi)(±10﹪或 ±5﹪)者,此品質(zhì)良好的傳輸線,將可使得雜訊減少,而誤動(dòng)作也可避免。但當(dāng)上述微帶線中Z0的四種變數(shù)(w、t、h、 r)有任一項(xiàng)發(fā)生異常,例如訊號(hào)線出現(xiàn)缺口時(shí),將使得原來(lái)的Z0突然上升(見(jiàn)上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)),而無(wú)法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻(Continuous)時(shí),則其訊號(hào)的能量必然會(huì)發(fā)生部分前進(jìn),而部分卻反彈反射的缺失。如此將無(wú)法避免雜訊及誤動(dòng)作了。例如澆花的軟管突然被踩住,造成軟管兩端都出現(xiàn)異常,正好可說(shuō)明上述特性阻抗匹配不良的問(wèn)題。

4.3、阻抗匹配不良造成雜訊

上述部分訊號(hào)能量的反彈,將造成原來(lái)良好品質(zhì)的方波訊號(hào),立即出現(xiàn)異常的變形(即發(fā)生高準(zhǔn)位向上的Overshoot,與低準(zhǔn)位向下的Undershoot,以及二者后續(xù)的Ringing)。此等高頻雜訊嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作,而且當(dāng)時(shí)脈速度愈快時(shí)雜訊愈多也愈容易出錯(cuò)。

那么是否什么時(shí)候都要考慮阻抗匹配?

在普通的寬頻帶放大器中,因?yàn)檩敵鲎杩篂?0Ω,所以需要考慮在功率傳輸電路中進(jìn)行阻抗匹配。但是,實(shí)際上當(dāng)電纜的長(zhǎng)度對(duì)于信號(hào)的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)時(shí),就勿需阻抗匹配的。

考慮信號(hào)頻率為1MHz,其波長(zhǎng)在空氣中為300m,在同軸電纜中約為200m。在通常使用的長(zhǎng)度為1m左右的同軸電纜中,是在完全可忽略的范圍之內(nèi)。(圖H)
什么是阻抗匹配？為什么要阻抗匹配？HFSS分析案例圖片1

如果存在阻抗,那么在阻抗上就會(huì)產(chǎn)生功率消耗,所以不做阻抗匹配其結(jié)果就會(huì)使放大器的輸出功率發(fā)生無(wú)用的浪費(fèi)。(圖J)

什么是阻抗匹配？為什么要阻抗匹配？HFSS培訓(xùn)的效果圖片2

解析“特征阻抗”
近年來(lái),高速設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)越來(lái)越重要也是越來(lái)越為設(shè)計(jì)工程師所關(guān)注議題就是受控阻抗的電路板設(shè)計(jì)以及電路板上互聯(lián)線的特征阻抗。然而,對(duì)于非電子的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō),這也是一個(gè)最容易混淆也最不直觀的問(wèn)題。甚至很多的電子設(shè)計(jì)工程師對(duì)此也同樣感到困惑。這篇資料將對(duì)特征阻抗作一個(gè)簡(jiǎn)要而直觀的介紹,希望幫助大家了解傳輸線最基本的品質(zhì)。

什么是傳輸線?

什么是傳輸線?兩個(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體就構(gòu)成傳輸線。其中的一個(gè)導(dǎo)體成為信號(hào)傳播的通道,而另外的一個(gè)導(dǎo)體則構(gòu)成信號(hào)的返回通路(在這里我們提到信號(hào)的返回通路,實(shí)際上就是大家通常理解的地,但是為了敘述的方便,暫且忘掉地這一概念。)。在一個(gè)多層的電路板設(shè)計(jì)中,每一個(gè)PCB互聯(lián)線都構(gòu)成傳輸線中的一個(gè)導(dǎo)體,該傳輸線都將臨近的參考平面作為傳輸線的的第二個(gè)導(dǎo)體或者叫做信號(hào)的返回通路。什么樣的PCB互聯(lián)線是一個(gè)好的傳輸線呢?通常如果在同一個(gè)PCB互聯(lián)線上特征阻抗處處保持一致,這樣的傳輸線就成為高質(zhì)量的傳輸線。什么樣的電路板叫做受控阻抗的電路板?受控阻抗的電路板是指PCB板上所有傳輸線的特征阻抗符合統(tǒng)一的目標(biāo)規(guī)范,通常是指所有傳輸線的特征阻抗的值在25Ω到70Ω之間。

從信號(hào)的角度來(lái)考察

考慮特征阻抗最行之有效的辦法是考察信號(hào)沿著傳輸線傳播時(shí)信號(hào)本身看到了什么。為簡(jiǎn)化問(wèn)題的討論起見(jiàn),假定傳輸線為微波傳輸帶(microstrip)類型,并且信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)傳輸線各處的橫斷面保持一致。

給該傳輸線加入幅度為1V的階躍信號(hào)。階躍信號(hào)是一個(gè)1V的電池,由前端接入,分別連接在信號(hào)線和返回通路之間。在接通電池的瞬間,信號(hào)電壓波形將以光速在電介質(zhì)中行進(jìn),速度通常約為6英寸/ns(信號(hào)為什么行進(jìn)如此快速,而不是接近電子傳播的速度大約1cm/s,這是另外一個(gè)話題,這里不做進(jìn)一步介紹)。當(dāng)然在這里信號(hào)仍然具有常規(guī)的定義,信號(hào)定義為信號(hào)線與返回通路上的電壓差,總是通過(guò)測(cè)量傳輸線上任何一點(diǎn)與之臨近的信號(hào)返回通路之間的電壓差值來(lái)獲得。

信號(hào)沿傳輸線方向以6英寸/ns的速度向前傳輸。在傳輸?shù)倪^(guò)程中信號(hào)會(huì)遇到什么樣的情況呢?在最開(kāi)始的10ps時(shí)間間隔內(nèi),信號(hào)沿傳輸線方向行進(jìn)了0.06英寸的距離。假定鎖定時(shí)間在這一時(shí)刻,來(lái)考慮傳輸線發(fā)生的情況。在行進(jìn)的這一段距離上,信號(hào)的傳輸為這一段傳輸線和相應(yīng)臨近的信號(hào)返回通道之間建立起了穩(wěn)定的幅度為1V的常量信號(hào)。這意味著在行進(jìn)的這一段傳輸線和對(duì)應(yīng)的返回路徑上已經(jīng)積聚起了額外的正電荷和額外的負(fù)電荷來(lái)建立這一穩(wěn)定的電壓。也正是這些電荷的差異在這兩個(gè)導(dǎo)體之間建立并維持了一個(gè)穩(wěn)定的1 V 電壓信號(hào),而導(dǎo)體之間穩(wěn)定的電壓信號(hào)就為兩個(gè)導(dǎo)體之間建立了一個(gè)電容。

傳輸線**于這一時(shí)刻信號(hào)波前后面的傳輸線段并不清楚會(huì)有信號(hào)要傳播過(guò)來(lái),因而仍然維持信號(hào)線同返回通路之間的電壓為零。在接下來(lái)的10ps時(shí)間間隔內(nèi),信號(hào)又會(huì)沿傳輸線行進(jìn)一定的距離,信號(hào)繼續(xù)傳播的結(jié)果是又會(huì)在另一段長(zhǎng)度為0.06英寸的傳輸線段同對(duì)應(yīng)的信號(hào)返回通路之間的建立起 1V的信號(hào)電壓。而為了做到這一點(diǎn),必須為信號(hào)線注入一定量的正電荷,同時(shí)為信號(hào)的返回通路注入同等數(shù)量的負(fù)電荷。信號(hào)沿傳輸線每傳播0.06英寸的長(zhǎng)度,都會(huì)有更多的正電荷注入該信號(hào)線,也會(huì)有更多的負(fù)電荷注入信號(hào)返回通路。每隔10ps時(shí)間間隔,就會(huì)有另外一段傳輸線被充電到1 V,同時(shí)信號(hào)也會(huì)沿傳輸線方向繼續(xù)向前傳播。

這些電荷從何而來(lái)?答案是來(lái)自信號(hào)源,也就是我們用來(lái)提供階躍信號(hào)、連接在傳輸線前端的電池。隨著信號(hào)在傳輸線上的傳播,信號(hào)不斷地為傳播經(jīng)過(guò)的傳輸線段充電,確保信號(hào)傳輸過(guò)程中所到之處信號(hào)線與返回路徑之間建立并維持起1 V的電壓。每隔10ps時(shí)間間隔,信號(hào)會(huì)在傳輸線上傳播一定的距離,并且從電源系統(tǒng)中汲取一定數(shù)量的電荷δQ。電池在一段時(shí)間間隔δt內(nèi)的向外提供一定數(shù)量的電荷δQ,就形成了恒定的信號(hào)電流。正的電流會(huì)從電池流入信號(hào)線,而與此同時(shí)同樣大小的負(fù)電流會(huì)流經(jīng)信號(hào)的返回路徑。

流經(jīng)信號(hào)返回通路的負(fù)電流同流入信號(hào)線的正電流大小完全一致。而且,就在信號(hào)波前的位置,AC電流流經(jīng)由信號(hào)線和信號(hào)返回通路構(gòu)成的電容,完成了信號(hào)環(huán)路。

傳輸線的特征阻抗

從電池的角度來(lái)看,一旦設(shè)計(jì)工程師將電池的引線連入傳輸線的前端,就總有一個(gè)常量值的電流從電池中流出,并且保持電壓信號(hào)的穩(wěn)定不變。也許有人會(huì)問(wèn),是什么樣的電子元器件具有這樣的行為?加入恒定不變的電壓信號(hào)時(shí)會(huì)維持恒定不變的電流值,當(dāng)然是電阻。

而對(duì)電池來(lái)說(shuō),信號(hào)沿傳輸線向前傳播時(shí),每隔10ps時(shí)間間隔,會(huì)新增加0.06英寸的傳輸線段被充電至1V,從電池中獲得的新增加的電荷確保從電池中維持一個(gè)穩(wěn)定的電流,從電池吸收恒定的電流,傳輸線就等同于一個(gè)電阻,并且阻值恒定。我們稱之為傳輸線的浪涌阻抗。

同樣,當(dāng)信號(hào)沿傳輸線向前傳播時(shí),每傳播一定的距離,信號(hào)會(huì)不斷地探查信號(hào)線的電環(huán)境,并且試圖確定信號(hào)進(jìn)一步向前傳播時(shí)的阻抗。一旦信號(hào)已經(jīng)加入到傳輸線上并且沿傳輸線向前傳播,信號(hào)本身就一直在考查到底需要多大的電流來(lái)充電10ps 時(shí)間間隔內(nèi)所傳播的傳輸線長(zhǎng)度,并保持將這一部分的傳輸線段充電到1V。這正是我們要分析的瞬間阻抗值。

從電池本身的角度來(lái)看,如果信號(hào)以恒定的速度沿傳輸線方向傳播,而且假定傳輸線具有一致的橫斷面,那么信號(hào)每傳播一個(gè)固定的長(zhǎng)度(比如10ps時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)傳播的距離),那么需要從電池中獲取同等數(shù)量的電荷來(lái)確保將這一段傳輸線充電到同樣的信號(hào)電壓。信號(hào)每傳播一個(gè)固定的距離,都會(huì)從電池獲取同樣的電流,并且保持信號(hào)電壓一致,在信號(hào)傳播過(guò)程中,傳輸線上各處的瞬間阻抗都是一致的。

信號(hào)沿傳輸線傳播過(guò)程當(dāng)中,如果傳輸線上各處具有一致的信號(hào)傳播速度,并且單位長(zhǎng)度上的電容也一樣,那么信號(hào)在傳播過(guò)程中總是看到完全一致的瞬間阻抗。由于在整個(gè)傳輸線上阻抗維持恒定不變,我們給出一個(gè)特定的名稱,來(lái)表示特定的傳輸線的這種特征或者是特性,稱之為該傳輸線的特征阻抗。特征阻抗是指信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí),信號(hào)看到的瞬間阻抗的值。如果信號(hào)沿傳輸線在傳播的過(guò)程當(dāng)中,任何時(shí)候信號(hào)看到的特征阻抗都保持一致的話,那么這樣的傳輸線就稱為受控阻抗的傳輸線。

傳輸線特征阻抗是設(shè)計(jì)中最重要的因素

傳輸線的瞬間阻抗或者是特征阻抗是影響信號(hào)品質(zhì)的最重要的因素。如果信號(hào)傳播過(guò)程中,相鄰的信號(hào)傳播間隔之間阻抗保持一致,那么信號(hào)就可以十分平穩(wěn)地向前傳播,因而情況變得十分簡(jiǎn)單。如果相鄰的信號(hào)傳播間隔之間存在差異,或者說(shuō)阻抗發(fā)生了改變,信號(hào)中能量的一部分就會(huì)往回反射,信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性也會(huì)被破壞。

為了確保最佳的信號(hào)質(zhì)量,信號(hào)互聯(lián)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要確保信號(hào)在傳輸過(guò)程中看到的阻抗盡可能地保持恒定不變。這里主要是指要保持傳輸線的特征阻抗為常量。所以設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造受控阻抗的PCB板就變得越來(lái)越重要。而至于任何其它的設(shè)計(jì)訣竅諸如最小化金手指長(zhǎng)度、終端匹配、菊花鏈連接或者是分支連接等等都是為了確保信號(hào)能夠看到一致的瞬間阻抗。

特征阻抗的計(jì)算

從上述簡(jiǎn)單的模型中我們可以推算出特征阻抗的值,即信號(hào)在傳輸過(guò)程中看到的瞬間阻抗的值。信號(hào)在每一個(gè)傳播間隔里看到的阻抗Z有同基本的關(guān)于阻抗的定義一致

Z=V/I

這里的電壓V是指加入到傳輸線上的信號(hào)電壓,而電流I是指在每一個(gè)時(shí)間間隔δt內(nèi)從電池中得到的電荷總量δQ,所以

I=δQ/δt

流入傳輸線中的電荷(這些電荷最終來(lái)自信號(hào)源),用于將信號(hào)在傳播過(guò)程中新增的信號(hào)線與返回通路之間構(gòu)成的電容δC充電至電壓V,所以

δQ=VδC

我們可以將信號(hào)在傳播過(guò)程中每行進(jìn)一定的距離而導(dǎo)致的電容同傳輸線單位長(zhǎng)度上的電容值CL以及信號(hào)在傳輸線上傳播的速度U聯(lián)系起來(lái)。同時(shí)信號(hào)傳播的距離是速度U乘以時(shí)間間隔δt。所以

δC= CL U δt

將以上所有的等式結(jié)合起來(lái),我們可以推導(dǎo)出來(lái)瞬間阻抗為:

Z=V/I=V/(δQ/δt)=V/(VδC/δt)=V/(V CL U δt /δt)=1/(CL U)

可以看到瞬間阻抗同單位傳輸線長(zhǎng)度上的電容值以及信號(hào)傳輸?shù)乃俣扔嘘P(guān)。同樣也可以人為這就是傳輸線特征阻抗的定義。為了將特征阻抗從實(shí)際阻抗Z中區(qū)分開(kāi)來(lái),特意為特征阻抗加入一個(gè)下標(biāo)0,從上面的推導(dǎo)中已經(jīng)得到了信號(hào)傳輸線的特征阻抗:

Z0=1/(CL U)

如果傳輸線上單位長(zhǎng)度的電容值以及信號(hào)在傳輸線上傳播的速度保持為常量,那么該傳輸線就在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)具有恒定不變的特征阻抗,這樣的傳輸線就稱之為受控阻抗的傳輸線。

從以上簡(jiǎn)要的說(shuō)明中看出,關(guān)于電容的一些直觀的認(rèn)識(shí)可以同新發(fā)現(xiàn)的特征阻抗的直觀的認(rèn)識(shí)聯(lián)系起來(lái)。換句話說(shuō),如果把PCB中的信號(hào)連線拓寬,那么傳輸線單位長(zhǎng)度上的電容值就會(huì)增大,而傳輸線的特征阻抗就可以降低。

耐人尋味的話題

經(jīng)常可以聽(tīng)到有關(guān)傳輸線特征阻抗的一些混淆的說(shuō)法。通過(guò)上面的分析知道,將信號(hào)源連接到傳輸線上之后,應(yīng)該可以看到某一個(gè)值的傳輸線特征阻抗,舉例來(lái)說(shuō)50Ω,然而如果將一個(gè)歐姆表同一段3英尺長(zhǎng)的RG58線纜連接時(shí),測(cè)量到的阻抗卻是無(wú)窮大。

問(wèn)題的答案在于從任何傳輸線前端看過(guò)去的阻抗值是隨時(shí)間變化的。如果測(cè)量線纜阻抗的時(shí)間短到可以和信號(hào)在線纜中來(lái)回往返一次的時(shí)間可以比擬時(shí),你就可以測(cè)量到該線纜的浪涌阻抗或者又稱為線纜的特征阻抗。然而如果等待足夠的時(shí)間的話,就會(huì)有一部分能量反射回來(lái)并且為測(cè)量?jī)x器檢測(cè)到,這時(shí)就可以檢測(cè)到阻抗的變化,通常情況下,在這一過(guò)程中,阻抗會(huì)來(lái)回變化,直到阻抗值達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài):如果線纜的末端是開(kāi)路,最終的阻抗值為無(wú)窮大,如果線纜的末端是短路,最終的阻抗值為零。

對(duì)于3英尺長(zhǎng)的RG58線纜來(lái)說(shuō),必須在小于3ns的時(shí)間間隔內(nèi)完成阻抗的測(cè)量過(guò)程。這就是時(shí)域反射計(jì)(TDR)要完成的工作。TDR可以測(cè)量傳輸線的動(dòng)態(tài)阻抗。如果需要花1s的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量3英尺長(zhǎng)的RG58線纜的阻抗,那么在這一段時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)已經(jīng)來(lái)回反**幾百萬(wàn)次,那么你可能從阻抗的巨大的變動(dòng)中得到完全不同的阻抗的值,最終得到的結(jié)果是無(wú)窮大,因?yàn)榫€纜的終端是開(kāi)路。