布線時(shí)的阻抗匹配問(wèn)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(lái)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^(guò)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(shuō)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(lái)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(lái)。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(lái)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(guò)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(lái)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(wú)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(wèn)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(zhǎng)相對(duì)于傳輸線來(lái)說(shuō)很長(zhǎng)，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(lái)，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(wèn)題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長(zhǎng)就很短，當(dāng)波長(zhǎng)短得跟傳輸線長(zhǎng)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(chǎng)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(guò)去，降低效率；會(huì)在傳輸線上形成駐波（簡(jiǎn)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(lái)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(lái)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(lái)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(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。主要是在盡量靠近負(fù)載端的位置加上拉或下拉電阻來(lái)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(jiǎn)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(jiǎn)單的并行端接
這種方式是簡(jiǎn)單地在負(fù)載端加入一下拉到地的電阻R(R=Z0)來(lái)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(guò)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(jiǎn)單的并行端接的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和應(yīng)用簡(jiǎn)單易行,只需要增加一個(gè)元件,是最簡(jiǎn)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(lái)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(guò)V_DC向負(fù)載注入電流來(lái)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(guò)R5向地釋放電流來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)沖問(wèn)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(guò)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(guò)沖與下沖；另一方面,較大的電容會(huì)帶來(lái)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(méi)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(guò)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(zhǎng)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(lái)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(guò)使源端的反射系數(shù)為零來(lái)抑制從負(fù)載反射回來(lái)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(wú)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(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。
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(lái)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(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。
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。
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(wú)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(wú)限大的電場(chǎng);也不可能出現(xiàn)電流不連續(xù),否則會(huì)有一個(gè)無(wú)限大的磁場(chǎng)。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
