布線時(shí)的阻抗匹配問題
特性阻抗
根據(jù)傳輸線理論和信號(hào)的傳輸理論，信號(hào)不僅僅是時(shí)間變量的函數(shù)，同時(shí)還是距離變量的函數(shù)，所以信號(hào)在連線上的每一點(diǎn)都有可能變化。因此定義連線的交流阻抗，即變化的電壓和變化的電流之比為傳輸線的特性阻
抗。
Z(w):理想傳輸線的特性阻抗，單位Ω；L:理想傳輸線的電感，H/mm;C:理想傳輸線的電容，F(xiàn)/mm。
傳輸線的特性阻抗只與信號(hào)連線本身的特性相關(guān)，在實(shí)際電路中，導(dǎo)線本身電阻值小于系統(tǒng)的分布阻抗，特
別是在高頻電路中，特性阻抗主要取決于連線的單位分布電容和單位分布電感帶來的分布阻抗。理想傳輸線的
特性阻抗只取決于連線的單位分布電容和單位分布電感。
對(duì)于確定的傳輸線而言，其特性阻抗為一個(gè)常數(shù)。信號(hào)的反射現(xiàn)象就是因?yàn)樾盘?hào)的驅(qū)動(dòng)端和傳輸線的特性阻抗以及接收端的阻抗不一致所造成的。信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中，如果傳輸路徑上的特征阻抗發(fā)生變化，信號(hào)就會(huì)在阻抗不連續(xù)的結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生反射（關(guān)于為什么在不連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生反射的解釋詳見附錄）。
要格外注意的是，這個(gè)特征阻抗是對(duì)交流（AC）信號(hào)而言的，對(duì)直流（DC）信號(hào)，傳輸線的電阻并不是特性阻抗值Z0，而是遠(yuǎn)小于這個(gè)值。
而導(dǎo)線的特性阻抗值跟走線方式有絕對(duì)的關(guān)系，例如是走在表面層（Microstrip）或內(nèi)層（Stripline/DoubleStripline），與參考的電源層或地層的距離，走線寬度，PCB材質(zhì)等均會(huì)影響走線的特性阻抗值，也就是說要在布線后才能確定阻抗值。這時(shí)候在原理圖上只能預(yù)留一些端接（Terminators），如串聯(lián)電阻等，來緩和走線阻抗不連續(xù)的效應(yīng)（即DNP電阻）。
PCB走線等效電路
PCB板上的走線可等效為上圖所示的串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感結(jié)構(gòu)。串聯(lián)電阻的典型值為0.25——0.55ohms/foot，因?yàn)榻^緣層的緣故，并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容和電感加到實(shí)際的PCB連線中之后，連線上的最終阻抗稱為特征阻抗Z0。線徑越寬，距電源/地越近，或隔離層的介電常數(shù)越高，特征阻抗就越小。如果傳輸線和接收端的阻抗不匹配，那么輸出的電流信號(hào)和信號(hào)最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，這就引起信號(hào)在接收端產(chǎn)生反射，這個(gè)反射信號(hào)將傳回信號(hào)發(fā)射端并再次反射回來。隨著能量的減弱反射信號(hào)的幅度將減小，直到信號(hào)的電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定。這種效應(yīng)被稱為振蕩，信號(hào)的振蕩在信號(hào)的上升沿和下降沿經(jīng)？梢钥吹。
阻抗不匹配對(duì)電路設(shè)計(jì)帶來以下效應(yīng):
反射信號(hào)（ReflectedSignals）；
延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤（Delay&TimingErrors）；
多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤（FalseSwitching）；
過沖與下沖（OvershootandUndershoot）；
串?dāng)_(InducedNoise);
地彈(GroundNoise);
電磁輻射(EMIRadiation)。
因此印制電路板上導(dǎo)線的特性阻抗是電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是在高頻電路的PCB設(shè)計(jì)中，必須考慮導(dǎo)線的特性阻抗和器件或信號(hào)所要求的特性阻抗是否一致，是否匹配。
阻抗匹配
阻抗匹配（ImpedanceMatching），在線路板中，若有信號(hào)傳遞時(shí)，希望有電源的發(fā)出端起，在能量損失最小的情形下，能順利的傳送到接受端，而且接受端將其完全吸收而不作任何反射。要達(dá)到這種傳輸，線路中的阻抗必須和發(fā)出端內(nèi)部的阻抗相等才行稱為“阻抗匹配”。
阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配則傳輸功率大，對(duì)于一個(gè)電源來講，當(dāng)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。如果是高頻的話，就是無反射波，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。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論:
在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長相對(duì)于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這么理解：因?yàn)榫短，即使反射回來，跟原信號(hào)還是一樣的）。
在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不匹配（相等）時(shí)，在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射（為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論）。
如果阻抗不匹配，則會(huì)形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會(huì)在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號(hào)強(qiáng)，有些地方信號(hào)弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)䲟p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。
當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換；第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時(shí)常使用；第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號(hào)線，有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。
通常所采用的阻抗匹配端接方式有兩種,一種是使負(fù)載阻抗與傳輸線阻抗匹配,即并行端接;另一種是使源阻抗與傳輸線阻抗匹配,即串行端接。一般應(yīng)采用并行端接,因其是在信號(hào)能量反射回源端之前在負(fù)載端消除反射,這樣可以減少噪聲、電磁干擾以及射頻干擾。下面介紹這兩種主要的端接技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)。
并行端接
并行端接理論出發(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。主要是在盡量靠近負(fù)載端的位置加上拉或下拉電阻來實(shí)現(xiàn)終端的阻抗匹配,實(shí)現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式，簡單并行端接和RC并行端接為單電阻形式，戴維寧端接為雙電阻形式。
簡單的并行端接
這種方式是簡單地在負(fù)載端加入一下拉到地的電阻R(R=Z0)來實(shí)現(xiàn)匹配,以消除信號(hào)的反射。采用這種端接的條件是驅(qū)動(dòng)端必須能夠提供輸出高電平時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流,以保證通過端接電阻的高電平能滿足門限電壓的要求。在數(shù)字電路系統(tǒng)中,返回通路上的電流通常都大于系統(tǒng)中供電電源提供的電流,終端匹配到地可以提高電流的吸收能力。如下圖所示：其中term4為源端，term3為負(fù)載端。
簡單的并行端接的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和應(yīng)用簡單易行,只需要增加一個(gè)元件,是最簡單的并行端接技術(shù)。其缺點(diǎn)是匹配電阻RT會(huì)有直流功率消耗,在輸出為高電平狀態(tài)時(shí),對(duì)于50Ω的端接電阻,維持TTL高電平時(shí)消耗電流高達(dá)48mA,這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的最小高電平輸出VOH(min)=2.4V,因此一般器件很難可靠的支持這種端接電路。另外這種端接技術(shù)也會(huì)使信號(hào)的邏輯高輸出電平下降。將TTL輸出終端匹配到地會(huì)降低VOH的電平值,從而降低了負(fù)載輸入端的噪聲容限。
戴維寧并行端接
戴維寧端接即分壓器型端接,采用上拉電阻R6和下拉電阻R5來構(gòu)成端接電阻,R5和R6的并聯(lián)與Z0相匹配。R6的作用是幫助驅(qū)動(dòng)器更加容易到達(dá)邏輯高狀態(tài),這就需要通過V_DC向負(fù)載注入電流來實(shí)現(xiàn)。R5的作用是幫助驅(qū)動(dòng)器更加容易到達(dá)邏輯低狀態(tài),這通過R5向地釋放電流來實(shí)現(xiàn)。電阻R5、R6的選擇滿足下列條件：
1、兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等；
2、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；
3、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。
戴維寧并行端接如下圖所示：
戴維寧端接的優(yōu)點(diǎn)是提高了系統(tǒng)的噪聲容限,降低了對(duì)源端器件驅(qū)動(dòng)能力的要求,能很好的解決過沖問題。缺點(diǎn)在于匹配電阻R5和R6上一直有一個(gè)常量的直流電流存在,因此直流功耗比較大。
RC并行端接
RC并行端接使用電阻和電容網(wǎng)絡(luò)作為端接阻抗。電阻R的值要與傳輸線的特征阻抗相匹配,而電容值的選擇比較復(fù)雜,電容值太小會(huì)導(dǎo)致RC時(shí)間常數(shù)過小,這樣RC電路就類似于一個(gè)尖銳的信號(hào)沿發(fā)生器,從而導(dǎo)致信號(hào)的過沖與下沖；另一方面,較大的電容會(huì)帶來更大的功率消耗。
這種端接方式的優(yōu)點(diǎn)是電容有阻低頻、通高頻的作用,因此電阻RT驅(qū)動(dòng)器的直流負(fù)載,沒有直流損耗。恰當(dāng)?shù)剡x取電容值可確保負(fù)載端波形接近理想方波,而信號(hào)的過沖和下沖又都很小。缺點(diǎn)在于電容的狀態(tài)與前一時(shí)間信號(hào)的數(shù)據(jù)類型有關(guān),所以數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)時(shí)間上的抖動(dòng)。由于這種方式的效果與傳輸線的長度有關(guān),當(dāng)傳輸線上分布多個(gè)驅(qū)動(dòng)器時(shí)會(huì)降低匹配的效果。另外這種方式不能用于電流模式的驅(qū)動(dòng)器。
串行端接
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。
不同于以上介紹的并行端接技術(shù),串行端接是信號(hào)源端的端接技術(shù),它是在驅(qū)動(dòng)器和源端之間加入一個(gè)電阻R1。驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗ZS與電阻R1的串聯(lián)必須與傳輸線的特征阻抗Z0相匹配,即R1=Z0–ZS。這種方式通過使源端的反射系數(shù)為零來抑制從負(fù)載反射回來的信號(hào),消除了信號(hào)的二次反射,所以只有在兩倍于信號(hào)在傳輸線上的傳輸延時(shí)后,才能在驅(qū)動(dòng)端看到變化后完整的信號(hào)幅度。如下圖所示：
串行端接的優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)驅(qū)動(dòng)器只需要一個(gè)端接電阻,無須與電源相連,消耗功率小。而且不會(huì)給驅(qū)動(dòng)器增加額外的直流負(fù)載,也不會(huì)在信號(hào)線與地之間引入額外的阻抗。缺點(diǎn)是很難將匹配電阻R1調(diào)整到一個(gè)非常合適的值,因?yàn)樵S多驅(qū)動(dòng)器都是非線性的,輸出阻抗會(huì)有所變化,所以R1只能選擇一個(gè)適中的值。另外由于在信號(hào)通路上增加了電阻,增加了RC時(shí)間常數(shù),從而減緩了負(fù)載端信號(hào)的上升時(shí)間,因而不適合于高頻信號(hào)通路。
綜上所述：
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。
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。
并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡單易行；顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來直流功耗：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。
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。
附錄：
特性阻抗不連續(xù)時(shí)產(chǎn)生反射的解釋：
信號(hào)在傳輸線傳播時(shí),其路徑上的每一步都有相應(yīng)的瞬態(tài)阻抗。如果互連線的阻抗是可控的,那么瞬態(tài)阻抗就等于線的特性阻抗。無論什么原因使瞬態(tài)阻抗發(fā)生了改變,部分信號(hào)都將沿著與原傳播方向相反的方向反射,而另一部分將繼續(xù)傳播,但幅度有所變化。反射的量由瞬態(tài)阻抗的突變量決定,
如圖1所示。
如果第一個(gè)區(qū)域的瞬態(tài)阻抗是Z1,第二個(gè)區(qū)域的是Z2,則反射信號(hào)與入射信號(hào)的幅值之比為:
其中,Vreflected：反射電壓;Vincident：入射電壓;Z2：信號(hào)進(jìn)入?yún)^(qū)域2時(shí)的瞬態(tài)阻抗;Z1：信號(hào)最初所在區(qū)域的瞬態(tài)阻抗;ρ：反射系數(shù)。
兩個(gè)區(qū)域的阻抗差異越大,反射信號(hào)量越大。
產(chǎn)生反射信號(hào)是為了協(xié)調(diào)兩個(gè)重要的邊界條件。信號(hào)到達(dá)瞬態(tài)阻抗不同的兩個(gè)區(qū)域(區(qū)域1和2)的交界面時(shí),在信號(hào)和返回回路的導(dǎo)體中僅存在一個(gè)電壓和電流回路,而在交界面兩側(cè)的電壓和電流都是相同的。邊界面處不可能出現(xiàn)電壓不連續(xù),否則此處會(huì)有一個(gè)無限大的電場;也不可能出現(xiàn)電流不連續(xù),否則會(huì)有一個(gè)無限大的磁場。當(dāng)交界面兩側(cè)阻抗不一致時(shí),V1=V2,I1=I2,I1=V1/Z1,I2=V2/Z2不可能同時(shí)成立。
為了使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定,區(qū)域1產(chǎn)生了一個(gè)反射回源端的電壓。反射的唯一目的就是吸收入射信號(hào)和傳輸信號(hào)之間不匹配的電壓和電流。如此,交界面兩側(cè)的電壓和電流才可以相等,交界面處的電壓和電流才是連續(xù)的,整個(gè)系統(tǒng)才是平衡的。只要在信號(hào)傳輸路徑上出現(xiàn)瞬態(tài)阻抗改變,信號(hào)就會(huì)發(fā)生反射
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
