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阻抗匹配

發(fā)布時(shí)間:2008-10-12 來源:中國(guó)SMD資訊

中心論題:

  • 改變阻抗力
  • 調(diào)整傳輸線
  • 阻抗匹配的研究
  • 將訊號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花
  • 傳輸線之終端控管技術(shù)
  • 特性阻抗

解決方案:

  • 串聯(lián)終端匹配
  • 并聯(lián)終端匹配

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(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的,不會(huì)有信號(hào)反射回來源點(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(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?br />   
調(diào)整傳輸線
由負(fù)載點(diǎn)至來源點(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)針方向走動(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,阻抗就是電阻加電抗,所以才叫阻抗;周延一點(diǎn)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(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題,具有向量上的關(guān)系式,因此才會(huì)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(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。

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;
  
a.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):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;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%;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;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;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)匹配來說,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[4];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(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。

b.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):驅(qū)動(dòng)信號(hào)近似以滿幅度沿傳輸線傳播;所有的反射都被匹配電阻吸收;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(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:兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等;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)電流過大;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)電流過大。
  
并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行;顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來直流功耗:?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴呐c信號(hào)的占空比緊密相關(guān)?;雙電阻方式則無論信號(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(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。
  
將訊號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花
a.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射出水柱,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?

b.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(fèi)水資源,甚至還可能因強(qiáng)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!

c.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。

d.上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié),正可用以說明方波(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。
  
傳輸線之終端控管技術(shù)(Termination)
a.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)語說就是正確執(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。

b.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)也才最好。

特性阻抗(Characteristic Impedance)
a.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。

b.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?! 〉?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),將使得原來的Z0突然上升(見上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)),而無法繼續(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,正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。

c.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)。


 

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