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。

對于一個具體電路,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,電路的阻抗一般來說比電阻大。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)計中是一個常用的概念,這篇文章對這個“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,來達(dá)至所有高頻的微波信號皆能傳至負(fù)載點的目的,不會有信號反射回來源點,從而提升能源效益。

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

要匹配一組線路,首先把負(fù)載點的阻抗值,除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化,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,即可增加或減少負(fù)載的阻抗值,在圖表上的點會沿著代表實數(shù)電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地,首先圖表上的點會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度,然后才沿電阻圈走動,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)載點至來源點加長傳輸線,在圖表上的圓點會沿著圖中心以逆時針方向走動,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,對于一個電源來講,單它的內(nèi)阻等于負(fù)載時,輸出功率最大,此時阻抗匹配。最大功率傳輸定理,如果是高頻的話,就是無反射波。對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,可是如果信號波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長度,即纜長可以忽略的話,就無須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時,要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時的傳輸不會產(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,為了防止信號的反射,要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個大約的數(shù)字,一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆,頻帶75歐姆,對絞線則為100歐姆,只是取個整而已,為了匹配方便。

阻抗從字面上看就與電阻不一樣,其中只有一個阻字是相同的,而另一個抗字呢?簡單地說,阻抗就是電阻加電抗,所以才叫阻抗;周延一點地說,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)域中則除了電阻會阻礙電流以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,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,簡稱容抗及感抗。它們的計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題,具有向量上的關(guān)系式,因此才會說: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)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時,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)激勵源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時,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)計中,阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量優(yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說是豐富多樣,但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用,需要衡量多個方面的因素。例如我們在系統(tǒng)中設(shè)計中,很多采用的都是源段的串連匹配。對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)點是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下,在信號的源端和傳輸線之間串接一個電阻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)載端反射回來的信號發(fā)生再次反射.

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

相對并聯(lián)匹配來說,串聯(lián)匹配不要求信號驅(qū)動器具有很大的電流驅(qū)動能力。

選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡單,就是要求匹配電阻值與驅(qū)動器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號驅(qū)動器的輸出阻抗為零,實際的驅(qū)動器總是有比較小的輸出阻抗,而且在信號的電平發(fā)生變化時,輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為+4.5V的CMOS驅(qū)動器,在低電平時典型的輸出阻抗為37Ω,在高電平時典型的輸出阻抗為45Ω;TTL驅(qū)動器和CMOS驅(qū)動一樣,其輸出阻抗會隨信號的電平大小變化而變化。因此,對TTL或CMOS電路來說,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象圖3.2.5中C點的電壓波形一樣。可以看出,有一段時間負(fù)載端信號幅度為原始信號幅度的一半。顯然這時候信號處在不定邏輯狀態(tài),信號的噪聲容限很低。

串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點是功耗小,不會給驅(qū)動器帶來額外的直流負(fù)載,也不會在信號和地之間引入額外的阻抗;而且只需要一個電阻元件。

2、并聯(lián)終端匹配

并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點是在信號源端阻抗很小的情況下,通過增加并聯(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)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點:
A 驅(qū)動信號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)載端接受到的信號幅度與源端發(fā)送的信號幅度近似相同。

在實際的電路系統(tǒng)中,芯片的輸入阻抗很高,因此對單電阻形式來說,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。如果信號的高電平為5V,則信號的靜態(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)動能力比單電阻形式小。這是因為兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配,每個電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅(qū)動能力,兩個電阻值的選擇必須遵循三個原則:

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,以免信號為低電平時驅(qū)動電流過大;
⑶、與地連接的電阻值不能太小,以免信號為高電平時驅(qū)動電流過大。

并聯(lián)終端匹配優(yōu)點是簡單易行;顯而易見的缺點是會帶來直流功耗:單電阻方式的直流功耗與信號的占空比緊密相關(guān)?;雙電阻方式則無論信號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)等對功耗要求高的系統(tǒng)。另外,單電阻方式由于驅(qū)動能力問題在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒有應(yīng)用,而雙電阻方式需要兩個元件,這就對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)之多層板訊號線(Signal Line)中,當(dāng)出現(xiàn)方波訊號的傳輸時,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,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、然而一旦用力過度水注射程太遠(yuǎn),不但騰空越過目標(biāo)浪費水資源,甚至還可能因強力水壓無處宣泄,以致往來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、上述簡單的生活細(xì)節(jié),正可用以說明方波(Square Wave)訊號(Signal)在多層板傳輸線(Transmission Line,系由訊號線、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。此時可將傳輸線(常見者有同軸電纜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”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點,欲進(jìn)入接受元件(如CPU或Meomery等大小不同的IC)中工作時,則該訊號線本身所具備的“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。用術(shù)語說就是正確執(zhí)行指令,減少雜訊干擾,避免錯誤動作”。一旦彼此未能匹配時,則必將會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)計者訂定為28ohm時,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Z0的保持,使整體得以穩(wěn)定在28 ohm的設(shè)計數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下,訊號的傳輸才會最具效率,其“訊號完整性”(Signal Integrity,為訊號品質(zhì)之專用術(shù)語)也才最好。

四、特性阻抗(Characteristic Impedance)

4.1、當(dāng)某訊號方波,在傳輸線組合體的訊號線中,以高準(zhǔn)位(High Level)的正壓訊號向前推進(jìn)時,則距其最近的參考層(如接地層)中,理論上必有被該電場所感應(yīng)出來的負(fù)壓訊號伴隨前行(等于正壓訊號反向的回歸路徑 Return Path),如此將可完成整體性的回路(Loop)系統(tǒng)。該“訊號”前行中若將其飛行時間暫短加以凍結(jié),即可想象其所遭受到來自訊號線、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

由于高頻訊號的“特性阻抗”(Z0)原詞甚長,故一般均簡稱之為“阻抗”。讀者千萬要小心,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)有任一項發(fā)生異常,例如訊號線出現(xiàn)缺口時,將使得原來的Z0突然上升(見上述公式中之Z0與W成反比的事實),而無法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻(Continuous)時,則其訊號的能量必然會發(fā)生部分前進(jìn),而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法避免雜訊及誤動作了。例如澆花的軟管突然被踩住,造成軟管兩端都出現(xiàn)異常,正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。

4.3、阻抗匹配不良造成雜訊

上述部分訊號能量的反彈,將造成原來良好品質(zhì)的方波訊號,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)重時還會引發(fā)誤動作,而且當(dāng)時脈速度愈快時雜訊愈多也愈容易出錯。

那么是否什么時候都要考慮阻抗匹配?

在普通的寬頻帶放大器中,因為輸出阻抗為50Ω,所以需要考慮在功率傳輸電路中進(jìn)行阻抗匹配。但是,實際上當(dāng)電纜的長度對于信號的波長來說可以忽略不計時,就勿需阻抗匹配的。

考慮信號頻率為1MHz,其波長在空氣中為300m,在同軸電纜中約為200m。在通常使用的長度為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,那么在阻抗上就會產(chǎn)生功率消耗,所以不做阻抗匹配其結(jié)果就會使放大器的輸出功率發(fā)生無用的浪費。(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,高速設(shè)計領(lǐng)域一個越來越重要也是越來越為設(shè)計工程師所關(guān)注議題就是受控阻抗的電路板設(shè)計以及電路板上互聯(lián)線的特征阻抗。然而,對于非電子的設(shè)計工程師來說,這也是一個最容易混淆也最不直觀的問題。甚至很多的電子設(shè)計工程師對此也同樣感到困惑。這篇資料將對特征阻抗作一個簡要而直觀的介紹,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?兩個具有一定長度的導(dǎo)體就構(gòu)成傳輸線。其中的一個導(dǎo)體成為信號傳播的通道,而另外的一個導(dǎo)體則構(gòu)成信號的返回通路(在這里我們提到信號的返回通路,實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。)。在一個多層的電路板設(shè)計中,每一個PCB互聯(lián)線都構(gòu)成傳輸線中的一個導(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導(dǎo)體或者叫做信號的返回通路。什么樣的PCB互聯(lián)線是一個好的傳輸線呢?通常如果在同一個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。

從信號的角度來考察

考慮特征阻抗最行之有效的辦法是考察信號沿著傳輸線傳播時信號本身看到了什么。為簡化問題的討論起見,假定傳輸線為微波傳輸帶(microstrip)類型,并且信號沿傳輸線傳播時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。階躍信號是一個1V的電池,由前端接入,分別連接在信號線和返回通路之間。在接通電池的瞬間,信號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,這是另外一個話題,這里不做進(jìn)一步介紹)。當(dāng)然在這里信號仍然具有常規(guī)的定義,信號定義為信號線與返回通路上的電壓差,總是通過測量傳輸線上任何一點與之臨近的信號返回通路之間的電壓差值來獲得。

信號沿傳輸線方向以6英寸/ns的速度向前傳輸。在傳輸?shù)倪^程中信號會遇到什么樣的情況呢?在最開始的10ps時間間隔內(nèi),信號沿傳輸線方向行進(jìn)了0.06英寸的距離。假定鎖定時間在這一時刻,來考慮傳輸線發(fā)生的情況。在行進(jìn)的這一段距離上,信號的傳輸為這一段傳輸線和相應(yīng)臨近的信號返回通道之間建立起了穩(wěn)定的幅度為1V的常量信號。這意味著在行進(jìn)的這一段傳輸線和對應(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)電荷來建立這一穩(wěn)定的電壓。也正是這些電荷的差異在這兩個導(dǎo)體之間建立并維持了一個穩(wěn)定的1 V 電壓信號,而導(dǎo)體之間穩(wěn)定的電壓信號就為兩個導(dǎo)體之間建立了一個電容。

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

這些電荷從何而來?答案是來自信號源,也就是我們用來提供階躍信號、連接在傳輸線前端的電池。隨著信號在傳輸線上的傳播,信號不斷地為傳播經(jīng)過的傳輸線段充電,確保信號傳輸過程中所到之處信號線與返回路徑之間建立并維持起1 V的電壓。每隔10ps時間間隔,信號會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電流。正的電流會從電池流入信號線,而與此同時同樣大小的負(fù)電流會流經(jīng)信號的返回路徑。

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

傳輸線的特征阻抗

從電池的角度來看,一旦設(shè)計工程師將電池的引線連入傳輸線的前端,就總有一個常量值的電流從電池中流出,并且保持電壓信號的穩(wěn)定不變。也許有人會問,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時會維持恒定不變的電流值,當(dāng)然是電阻。

而對電池來說,信號沿傳輸線向前傳播時,每隔10ps時間間隔,會新增加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)信號沿傳輸線向前傳播時,每傳播一定的距離,信號會不斷地探查信號線的電環(huán)境,并且試圖確定信號進(jìn)一步向前傳播時的阻抗。一旦信號已經(jīng)加入到傳輸線上并且沿傳輸線向前傳播,信號本身就一直在考查到底需要多大的電流來充電10ps 時間間隔內(nèi)所傳播的傳輸線長度,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看,如果信號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,那么信號每傳播一個固定的長度(比如10ps時間間隔內(nèi)信號傳播的距離),那么需要從電池中獲取同等數(shù)量的電荷來確保將這一段傳輸線充電到同樣的信號電壓。信號每傳播一個固定的距離,都會從電池獲取同樣的電流,并且保持信號電壓一致,在信號傳播過程中,傳輸線上各處的瞬間阻抗都是一致的。

信號沿傳輸線傳播過程當(dāng)中,如果傳輸線上各處具有一致的信號傳播速度,并且單位長度上的電容也一樣,那么信號在傳播過程中總是看到完全一致的瞬間阻抗。由于在整個傳輸線上阻抗維持恒定不變,我們給出一個特定的名稱,來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。特征阻抗是指信號沿傳輸線傳播時,信號看到的瞬間阻抗的值。如果信號沿傳輸線在傳播的過程當(dāng)中,任何時候信號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品質(zhì)的最重要的因素。如果信號傳播過程中,相鄰的信號傳播間隔之間阻抗保持一致,那么信號就可以十分平穩(wěn)地向前傳播,因而情況變得十分簡單。如果相鄰的信號傳播間隔之間存在差異,或者說阻抗發(fā)生了改變,信號中能量的一部分就會往回反射,信號傳輸?shù)倪B續(xù)性也會被破壞。

為了確保最佳的信號質(zhì)量,信號互聯(lián)設(shè)計的目標(biāo)就是要確保信號在傳輸過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)計生產(chǎn)制造受控阻抗的PCB板就變得越來越重要。而至于任何其它的設(shè)計訣竅諸如最小化金手指長度、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能夠看到一致的瞬間阻抗。

特征阻抗的計算

從上述簡單的模型中我們可以推算出特征阻抗的值,即信號在傳輸過程中看到的瞬間阻抗的值。信號在每一個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電壓,而電流I是指在每一個時間間隔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(這些電荷最終來自信號源),用于將信號在傳播過程中新增的信號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

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

δC= CL U δt

將以上所有的等式結(jié)合起來,我們可以推導(dǎo)出來瞬間阻抗為:

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度上的電容值以及信號傳輸?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際阻抗Z中區(qū)分開來,特意為特征阻抗加入一個下標(biāo)0,從上面的推導(dǎo)中已經(jīng)得到了信號傳輸線的特征阻抗:

Z0=1/(CL U)

如果傳輸線上單位長度的電容值以及信號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。

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

耐人尋味的話題

經(jīng)?？梢月牭接嘘P(guān)傳輸線特征阻抗的一些混淆的說法。通過上面的分析知道,將信號源連接到傳輸線上之后,應(yīng)該可以看到某一個值的傳輸線特征阻抗,舉例來說50Ω,然而如果將一個歐姆表同一段3英尺長的RG58線纜連接時,測量到的阻抗卻是無窮大。

問題的答案在于從任何傳輸線前端看過去的阻抗值是隨時間變化的。如果測量線纜阻抗的時間短到可以和信號在線纜中來回往返一次的時間可以比擬時,你就可以測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間的話,就會有一部分能量反射回來并且為測量儀器檢測到,這時就可以檢測到阻抗的變化,通常情況下,在這一過程中,阻抗會來回變化,直到阻抗值達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài):如果線纜的末端是開路,最終的阻抗值為無窮大,如果線纜的末端是短路,最終的阻抗值為零。

對于3英尺長的RG58線纜來說,必須在小于3ns的時間間隔內(nèi)完成阻抗的測量過程。這就是時域反射計(TDR)要完成的工作。TDR可以測量傳輸線的動態(tài)阻抗。如果需要花1s的時間間隔來測量3英尺長的RG58線纜的阻抗,那么在這一段時間間隔內(nèi)信號已經(jīng)來回反**幾百萬次,那么你可能從阻抗的巨大的變動中得到完全不同的阻抗的值,最終得到的結(jié)果是無窮大,因為線纜的終端是開路。