什么是阻抗？

在有電阻、電感、電容的電路中，對(duì)交流電的阻斷作用稱為阻抗。阻抗常以z表示，阻抗由電阻、感抗、容抗組成，但不是簡單相加。如果三者串聯(lián)，并且交流電的頻率f、電阻r、電感l(wèi)和電容c已知，那么串聯(lián)電路的阻抗

阻抗的單位是歐姆。

對(duì)于特定的電路，阻抗不是恒定的，而是隨頻率而變化的。在電阻、電感、電容的串聯(lián)電路中，電路的阻抗一般大于電阻。也就是說，阻抗被降低到最小。在電感和電容的并聯(lián)電路中，阻抗在諧振時(shí)增加到最大值，與串聯(lián)電路相反。

阻抗匹配是高頻設(shè)計(jì)中常見的概念，本文對(duì)這種“阻抗匹配”做了較好的分析?；卮鹆耸裁词亲杩蛊ヅ?。

阻抗匹配是微波電子學(xué)的一部分，主要用于傳輸線中，實(shí)現(xiàn)所有高頻微波信號(hào)都可以傳輸?shù)截?fù)載點(diǎn)，沒有信號(hào)會(huì)反射回源點(diǎn)，從而提高能效。

一般來說，阻抗匹配有兩種，一種是改變集總電路匹配，另一種是調(diào)整傳輸線匹配。

要匹配一組線路，首先將負(fù)載點(diǎn)的阻抗值除以傳輸線的特征阻抗值進(jìn)行歸一化，然后在史密斯圖上畫出該值。

改變阻力

通過將電容或電感與負(fù)載串聯(lián)，可以增加或減少負(fù)載的阻抗值，圖形上的點(diǎn)將沿著代表實(shí)際電阻的圓圈移動(dòng)。如果電容或電感接地，圖上的點(diǎn)會(huì)繞圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后沿著電阻環(huán)走，繞中心旋轉(zhuǎn)180度。重復(fù)上述方法，直到電阻值變?yōu)?，即可以直接將阻抗力變?yōu)榱悖瓿善ヅ洹?/p>

調(diào)整傳輸線

當(dāng)傳輸線從負(fù)載點(diǎn)延長到源點(diǎn)時(shí)，圖上的點(diǎn)會(huì)沿著圖的中心逆時(shí)針移動(dòng)，直到到達(dá)電阻值為1的圓，通過增加電容或電感可以將阻抗力調(diào)整為零，完成匹配。

阻抗匹配導(dǎo)致高傳輸功率。對(duì)于一個(gè)電源，當(dāng)其內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí)，輸出功率最大，阻抗匹配。最大功率傳輸定理，如果是高頻，就是沒有反射波。對(duì)于普通寬帶放大器，輸出阻抗為50ω，因此在功率傳輸電路中應(yīng)考慮阻抗匹配。但如果信號(hào)波長遠(yuǎn)大于電纜長度，也就是電纜長度可以忽略不計(jì)，就沒必要考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指傳輸能量時(shí)負(fù)載阻抗應(yīng)等于傳輸線的特征阻抗，此時(shí)傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射，說明所有能量都被負(fù)載吸收。相反，在傳輸中有能量損失。為了防止高速印刷電路板布線過程中的信號(hào)反射，布線的阻抗要求為50歐姆。這是一個(gè)大概的數(shù)字。一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻段75歐姆，雙絞線100歐姆，為了方便匹配，這只是一個(gè)整數(shù)。

從字面上看，阻抗不同于電阻。只有一個(gè)抗字是一樣的，那另一個(gè)抗字呢？簡單來說，阻抗就是電阻加電抗，所以叫阻抗；GAI一點(diǎn)一點(diǎn)地說，阻抗是矢量上的電阻、容抗和感抗之和。在直流電的世界里，物體對(duì)電流電阻的影響稱為電阻。世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是阻值不同而已。電阻低的材料叫良導(dǎo)體，電阻高的材料叫非導(dǎo)體。最近高科技領(lǐng)域里叫超導(dǎo)體的都是電阻接近于零的東西。但是在交流電領(lǐng)域，除了電阻，電容和電感也阻礙電流的流動(dòng)，這就叫電抗，就是抗電流的意思。電容和電感的電抗分別稱為容抗和感抗。他們的測(cè)量單位是Omm一樣的電阻，它的值與交流電的頻率有關(guān)。頻率越高，容抗越小，感抗越大，頻率越低，容抗越大，感抗越小。此外，電容電抗和電感電抗存在相角問題，它們?cè)谑噶可嫌嘘P(guān)系，所以可以說阻抗是矢量上電阻和電抗的和。

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源的內(nèi)部阻抗匹配以獲得最大功率輸出的工作狀態(tài)。不同特性的電路匹配條件不同。

在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源的內(nèi)阻時(shí)，輸出功率最大。這種工作狀態(tài)叫匹配，否則叫不匹配。

當(dāng)激勵(lì)源中的阻抗和負(fù)載阻抗包含電抗分量時(shí)，為了給負(fù)載獲得最大功率，負(fù)載阻抗和內(nèi)阻必須滿足共軛關(guān)系，即電阻分量相等，電抗分量只有相等的值，但符號(hào)相反。這種匹配條件稱為共軛匹配。

1.阻抗匹配研究

在高速設(shè)計(jì)中，阻抗的匹配關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量。阻抗匹配技術(shù)可以說是豐富多樣的，但是如何在具體的系統(tǒng)中合理的應(yīng)用需要權(quán)衡很多因素。例如，在我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，許多使用源段的串行匹配。什么時(shí)候匹配，用什么方式匹配，為什么要用這種方式。

比如差分匹配大多采用終端匹配；時(shí)鐘采用源段匹配；

1.串聯(lián)終端匹配

串聯(lián)端匹配的理論起點(diǎn)是在信號(hào)源阻抗低于傳輸線特性阻抗的情況下，在信號(hào)源和傳輸線之間串聯(lián)一個(gè)電阻R，使信號(hào)源的輸出阻抗與傳輸線的特性阻抗匹配，防止負(fù)載端反射的信號(hào)再次被反射。

串聯(lián)端子的匹配信號(hào)傳輸具有以下特征:

a、由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅(qū)動(dòng)信號(hào)以其幅度的50%傳播到負(fù)載端；

B.負(fù)載端信號(hào)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)載端接收到的信號(hào)幅度與原始信號(hào)幅度大致相同；

d、負(fù)載端反射的信號(hào)傳播到源端，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，源端的驅(qū)動(dòng)電流降至0，直到下一次信號(hào)傳輸。

與并聯(lián)匹配相比，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)端匹配電阻值的原理很簡單，即匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗之和等于傳輸線的特征阻抗。理想信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗為零，但實(shí)際驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗始終相對(duì)較小，信號(hào)電平變化時(shí)輸出阻抗可能會(huì)有所不同。例如，電源電壓為+4.5 V的CMOS驅(qū)動(dòng)器在低電平時(shí)的典型輸出阻抗為37ω，在高電平時(shí)為45ω。與CMOS驅(qū)動(dòng)器一樣，TTL驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗隨信號(hào)電平而變化。所以對(duì)于TTL或者CMOS電路來說，不可能有非常正確的匹配電阻，只能在折中的情況下考慮。

鏈?zhǔn)酵負(fù)湫盘?hào)網(wǎng)絡(luò)不適合串聯(lián)終端匹配，所有負(fù)載必須連接到傳輸線的末端。否則，連接到傳輸線中間的負(fù)載接收的波形將類似于圖3.2.5中點(diǎn)c處的電壓波形。可以看出，在一段時(shí)間內(nèi)，負(fù)載端的信號(hào)幅度是原始信號(hào)幅度的一半。顯然，此時(shí)信號(hào)處于不確定的邏輯狀態(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)是功耗低，驅(qū)動(dòng)器沒有額外的DC負(fù)載，信號(hào)和地之間沒有額外的阻抗。并且只需要一個(gè)電阻元件。

2.并聯(lián)端子的匹配

并聯(lián)端子匹配的理論起點(diǎn)是在信號(hào)源端子阻抗很小時(shí)，通過增加并聯(lián)電阻，使負(fù)載端子的輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗相匹配，從而消除負(fù)載端子的反射。實(shí)現(xiàn)形式分為單阻和雙阻。

并聯(lián)端子的匹配信號(hào)傳輸具有以下特征:

a .驅(qū)動(dòng)信號(hào)沿傳輸線以近似全振幅傳播；

b .所有反射被匹配電阻吸收；

c負(fù)載端接收的信號(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度大致相同。

在實(shí)際的電路系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗非常高，因此負(fù)載端的并聯(lián)電阻值必須接近或等于單電阻形式的傳輸線的特征阻抗。假設(shè)傳輸線的特征阻抗為50ω，R值為50ω。如果信號(hào)的高電平為5V，信號(hào)的靜態(tài)電流將達(dá)到100毫安。由于典型的TTL或CMOS電路驅(qū)動(dòng)能力很小，這種單電阻的并聯(lián)匹配方式在這些電路中很少出現(xiàn)。

雙電阻形式的并聯(lián)匹配，也稱為戴維寧端子匹配，比單電阻形式的并聯(lián)匹配需要更少的電流驅(qū)動(dòng)能力。這是因?yàn)閮蓚€(gè)電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特性阻抗相匹配，每個(gè)電阻都大于傳輸線的特性阻抗?？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:

(1)兩個(gè)電阻的并聯(lián)值等于傳輸線的特征阻抗；

⑵連接電源的電阻值不應(yīng)太小，以免信號(hào)處于低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過大；

(3)接地電阻值不宜過小，以免信號(hào)高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過大。

并聯(lián)端子匹配的優(yōu)點(diǎn)是簡單可行；明顯的缺點(diǎn)是會(huì)帶來DC功耗:單阻模式的DC功耗與空？；無論信號(hào)是高還是低，雙電阻模式都有DC功耗。因此，它不適用于要求高功耗的系統(tǒng)，如電池供電系統(tǒng)。另外，由于驅(qū)動(dòng)能力問題，一般TTL和CMOS系統(tǒng)不采用單阻模式，而雙阻模式需要兩個(gè)元器件，需要PCB板面積，不適合高密度印刷電路板。

當(dāng)然有:交流端子匹配；基于二極管的電壓箝位等匹配方法。

第二，信號(hào)傳輸被認(rèn)為是軟管送水給花澆水

2.1.在數(shù)字系統(tǒng)多層板的信號(hào)線中，當(dāng)發(fā)生方波信號(hào)的傳輸時(shí)，可以假設(shè)為軟管送水澆花。一端壓在手里噴出水柱，另一端接水龍頭。當(dāng)管道保持處的壓力剛剛好時(shí)，讓水柱上升

當(dāng)射程正確地分散在目標(biāo)區(qū)域時(shí)，用給予和接受兩種方式成功地完成任務(wù)難道不是一個(gè)得心應(yīng)手的小成就嗎？

2.2.但是一旦注水過程太遠(yuǎn)，不僅會(huì)浪費(fèi)目標(biāo)之外的水資源，甚至?xí)驗(yàn)閺?qiáng)大的水壓而無處發(fā)泄，讓軟管彈回到源頭，從水龍頭上掙脫出來！不僅任務(wù)失敗，還犯了大錯(cuò)，滿嘴豆花！

2.3另一方面，當(dāng)握桿的擠壓不足，范圍過近時(shí)，仍然達(dá)不到預(yù)期的效果。太多不是你想要的。只有當(dāng)它剛剛好的時(shí)候，你才能快樂。

2.4.以上簡單的生活細(xì)節(jié)可以用來解釋方波信號(hào)在多層傳輸線(由信號(hào)線、介質(zhì)層和接地層組成)中的快速傳輸。此時(shí)，傳輸線(同軸電纜、微帶線或帶狀線等。)可視為軟管，施加在持管處的壓力就像與板面上的“接收器”元件并聯(lián)在Gnd上的電阻，可用來調(diào)節(jié)其端子的特性阻抗，以匹配接收器元件的內(nèi)部需求。

三、輸電線路終端技術(shù)(端接)

3.1.從上面可以看出，當(dāng)“信號(hào)”快速通過傳輸線到達(dá)端點(diǎn)，并想在接收設(shè)備(如不同尺寸的CPU或Meomery IC)中工作時(shí)，信號(hào)線本身的“特征阻抗”必須與終端設(shè)備內(nèi)部的電子阻抗相匹配，以避免任務(wù)失敗。從術(shù)語上來說，就是正確執(zhí)行指令，減少噪音干擾，避免錯(cuò)誤動(dòng)作。一旦兩者不匹配，一點(diǎn)能量就會(huì)向“發(fā)送端”反彈，導(dǎo)致反射噪音的麻煩。

3.2當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗(Z0)被設(shè)計(jì)者設(shè)定為28歐姆時(shí)，終端控制的接地電阻(Zt)也必須為28歐姆，以幫助傳輸線維持Z0，并將整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定在28歐姆的設(shè)計(jì)值。只有當(dāng)Z0=Zt匹配時(shí)，信號(hào)傳輸才會(huì)最有效，其“信號(hào)完整性”(信號(hào)質(zhì)量的專用術(shù)語)才會(huì)最好。

四、特性阻抗(特性阻抗)

4.1當(dāng)某個(gè)信號(hào)方波隨著傳輸線組件的信號(hào)線中的高電平正壓信號(hào)前進(jìn)時(shí)，理論上，由最近的參考層(如接地層)中的電場感應(yīng)的負(fù)壓信號(hào)將隨之前進(jìn)(等于反向正壓信號(hào)的返回路徑)，從而完成積分回路系統(tǒng)。如果“信號(hào)”的飛行時(shí)間很短，并且在前進(jìn)的過程中被凍結(jié)，可以想象它受到由信號(hào)線、電介質(zhì)層和參考層呈現(xiàn)的瞬時(shí)阻抗的影響，這被稱為“特征阻抗”。所以“特征阻抗”應(yīng)該與信號(hào)線的線寬(w)、線厚(t)、介電厚度(h)、介電常數(shù)(Dk)有關(guān)。

4.2.阻抗匹配不佳的后果

因?yàn)楦哳l信號(hào)的“特征阻抗”(Z0)這個(gè)原始字很長，所以一般稱為“阻抗”。讀者要小心，這和低頻交流(60Hz)的導(dǎo)線(不是傳輸線)中的阻抗值(z)不完全一樣。在數(shù)字系統(tǒng)中，當(dāng)整條輸電線路的Z0能夠得到適當(dāng)?shù)墓芾聿⒖刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)(10%或5%)時(shí)，這條質(zhì)量好的輸電線路可以降低噪聲，避免誤操作。但是，當(dāng)微帶線中Z0的四個(gè)變量(W，T，H，R)中的任何一個(gè)出現(xiàn)異常，比如信號(hào)線中出現(xiàn)一個(gè)缺口時(shí)，原來的Z0就會(huì)突然上升(見上式中Z0與W成反比的事實(shí))，并且無法連續(xù)保持應(yīng)有的穩(wěn)定性和均勻性，那么其信號(hào)的能量必然會(huì)部分地往前走，而另一部分則會(huì)反彈反射。這樣就無法避免噪音和誤操作。比如澆花的軟管突然被踩住，導(dǎo)致軟管兩端異常，正好說明了上述特性阻抗匹配不好的問題。

4.3阻抗匹配不良導(dǎo)致的噪聲

上述部分信號(hào)能量的反彈會(huì)使原來質(zhì)量較好的方波信號(hào)立即出現(xiàn)異常變形(即高電平向上的過沖、低電平向下的下沖以及兩者隨后的振鈴)。這些高頻噪聲嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成誤操作，脈沖速度越快，噪聲越多，越容易出錯(cuò)。

那么阻抗匹配應(yīng)該一直考慮嗎？

在常見的寬帶放大器中，由于輸出阻抗為50ω，因此在功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配。然而，事實(shí)上，當(dāng)電纜的長度對(duì)于信號(hào)的波長可以忽略不計(jì)時(shí)，阻抗匹配是不必要的。

信號(hào)頻率為1MHz，波長在空氣體中為300米，在同軸電纜中為200米。在常用的1m左右長度的同軸電纜中，完全可以忽略不計(jì)。(圖H)

如果有阻抗，阻抗上會(huì)發(fā)生功耗，所以沒有阻抗匹配，放大器的輸出功率會(huì)被浪費(fèi)。(圖J)

“特征阻抗”分析

近年來，高速設(shè)計(jì)領(lǐng)域中一個(gè)日益重要的課題是具有受控阻抗的電路板設(shè)計(jì)和電路板上互連線的特征阻抗。但是，對(duì)于非電子設(shè)計(jì)工程師來說，這也是最混亂、最不直觀的問題。甚至很多電子設(shè)計(jì)工程師也同樣困惑。本材料將對(duì)特征阻抗進(jìn)行簡單直觀的介紹，希望能幫助你了解傳輸線最基本的品質(zhì)。

什么是傳輸線？

什么是傳輸線？兩根具有一定長度的導(dǎo)線構(gòu)成一條傳輸線。其中一根導(dǎo)線成為信號(hào)傳播的通道，而另一根導(dǎo)線構(gòu)成信號(hào)的返回路徑(這里我們提到信號(hào)的返回路徑，其實(shí)是大家通常理解的接地，但為了描述方便，暫且忘記接地的概念。)。在多層電路板設(shè)計(jì)中，每個(gè)印刷電路板互連線構(gòu)成傳輸線中的導(dǎo)體，相鄰的參考平面用作傳輸線的第二導(dǎo)體或返回路徑。什么樣的PCB互連才是好的傳輸線？一般如果同一條PCB互連線上的特征阻抗處處一致，這樣的傳輸線就會(huì)成為高質(zhì)量的傳輸線。什么樣的電路板叫可控阻抗電路板？阻抗可控的電路板是指PCB上所有傳輸線的特性阻抗?jié)M足統(tǒng)一的目標(biāo)規(guī)范，通常是指所有傳輸線的特性阻抗在25ω到70ω之間。

從信號(hào)的角度來看

考慮特征阻抗的最有效方法是研究信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)會(huì)看到什么。為了簡化問題的討論，假設(shè)傳輸線是微帶類型的，并且當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線傳播時(shí)，傳輸線的所有部分的橫截面是一致的。

振幅為1V的階躍信號(hào)被加到傳輸線。階躍信號(hào)為1V電池，由前端接入，分別連接在信號(hào)線和回路之間。在電池開啟的瞬間，信號(hào)電壓波形會(huì)以光速在電介質(zhì)中傳播，一般在6英寸/ns左右(為什么信號(hào)傳播這么快，而不是接近1cm/s左右的電子傳播速度，這是另一個(gè)話題，這里不再進(jìn)一步介紹)。當(dāng)然，信號(hào)在這里仍然有常規(guī)的定義，信號(hào)定義為信號(hào)線和返回路徑之間的電壓差，它總是通過測(cè)量傳輸線及其相鄰信號(hào)返回路徑上任意點(diǎn)之間的電壓差而獲得的。

信號(hào)以6英寸/秒的速度沿著傳輸線向前傳輸。信號(hào)在傳輸過程中會(huì)發(fā)生什么變化？在最初的10ps時(shí)間間隔內(nèi)，信號(hào)沿著傳輸線傳播了0.06英寸的距離。假設(shè)鎖定時(shí)間是此時(shí)此刻，考慮輸電線路的發(fā)生。在這個(gè)距離內(nèi)，信號(hào)的傳輸在這條傳輸線和相應(yīng)的相鄰信號(hào)返回通道之間建立了一個(gè)幅度為1V的穩(wěn)定恒定信號(hào)。這意味著額外的正電荷和額外的負(fù)電荷已經(jīng)累積在行進(jìn)的傳輸線和相應(yīng)的返回路徑上，以建立這個(gè)穩(wěn)定的電壓。正是這些電荷的差異在兩個(gè)導(dǎo)體之間建立并保持了穩(wěn)定的1 V電壓信號(hào)，導(dǎo)體之間的穩(wěn)定電壓信號(hào)在兩個(gè)導(dǎo)體之間建立了電容。

傳輸線路上此時(shí)信號(hào)波前后面的傳輸線段不清楚會(huì)有信號(hào)傳播，所以信號(hào)線和回路之間的電壓仍然保持為零。在接下來的10ps時(shí)間間隔內(nèi)，信號(hào)將沿著傳輸線傳播一定的距離。作為信號(hào)連續(xù)傳播的結(jié)果，將在另一個(gè)長度為0.06英寸的傳輸線段和相應(yīng)的信號(hào)返回路徑之間建立1V的信號(hào)電壓。為了做到這一點(diǎn)，有必要向信號(hào)線注入一定量的正電荷，并向信號(hào)的返回路徑注入等量的負(fù)電荷。信號(hào)沿傳輸線每傳播0.06英寸，就會(huì)有更多的正電荷注入信號(hào)線，更多的負(fù)電荷注入信號(hào)返回路徑。每10ps，另一條傳輸線就會(huì)充電到1 V，信號(hào)會(huì)繼續(xù)沿著傳輸線向前傳播。

這些罪名從何而來？答案來自信號(hào)源，也就是連接在傳輸線前端的電池，我們用它來提供階躍信號(hào)。隨著信號(hào)在傳輸線上的傳播，信號(hào)不斷地對(duì)傳輸線段充電，確保在傳輸過程中信號(hào)傳播的任何地方，在信號(hào)線和返回路徑之間建立并保持1 V的電壓。每隔10ps時(shí)間間隔，信號(hào)在傳輸線路上傳播一定距離，從供電系統(tǒng)中抽取一定量的電荷δQ。當(dāng)在時(shí)間間隔δt內(nèi)從電池提供一定量的電荷δq時(shí)，形成恒定的信號(hào)電流。正電流將從電池流入信號(hào)線，而相同幅度的負(fù)電流將流過信號(hào)的返回路徑。

流經(jīng)信號(hào)返回路徑的負(fù)電流與流入信號(hào)線的正電流完全一致。另外，就在信號(hào)波前的位置，交流電流流過信號(hào)線和信號(hào)回路形成的電容，從而完成信號(hào)回路。

傳輸線的特性阻抗

從電池的角度來說，一旦設(shè)計(jì)工程師把電池的引線接到傳輸線的前端，總會(huì)有恒定的電流流出電池，電壓信號(hào)保持穩(wěn)定。有人可能會(huì)問，什么樣的電子元器件有這種行為？加上恒壓信號(hào)，就會(huì)保持恒定的電流值，當(dāng)然是電阻。

至于電池，當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線向前傳播時(shí)，每隔10ps，一個(gè)0.06英寸的新傳輸線段就會(huì)充電到1V。從電池中獲得的新增加的電荷確保了電池將保持穩(wěn)定的電流，并且當(dāng)從電池中吸收恒定電流時(shí)，傳輸線相當(dāng)于具有恒定電阻的電阻器。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)，每次傳播一定距離，信號(hào)都會(huì)不斷地探測(cè)信號(hào)線的電環(huán)境，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)被添加到傳輸線并沿著傳輸線向前傳播，信號(hào)本身就一直在檢查需要多少電流來對(duì)在10ps的時(shí)間間隔內(nèi)傳播的傳輸線長度充電，并保持將傳輸線部分的這一部分充電到1V。這是我們要分析的瞬時(shí)阻抗值。

從電池自身的角度來看，如果信號(hào)以恒定的速度沿著傳輸線傳播，并且假設(shè)傳輸線具有一致的橫截面，那么每次信號(hào)傳播固定的長度(例如，10ps時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)傳播距離)，就需要從電池獲得相同量的電荷，以確保該傳輸線被充電到相同的信號(hào)電壓。信號(hào)每傳播一段固定的距離，就會(huì)從電池中獲得相同的電流，并保持信號(hào)電壓的一致。在信號(hào)傳播過程中，瞬時(shí)阻抗在傳輸線路上處處一致。

當(dāng)信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，如果傳輸線在任何地方都具有相同的信號(hào)傳播速度，并且每單位長度的電容相同，那么信號(hào)在傳播過程中總是會(huì)看到完全一致的瞬時(shí)阻抗。因?yàn)檎麄€(gè)傳輸線的阻抗保持不變，所以我們給出一個(gè)特定的名稱來表示特定傳輸線的這個(gè)特性或特性，稱為傳輸線的特性阻抗。特征阻抗是指信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)看到的瞬時(shí)阻抗。如果信號(hào)在沿傳輸線傳輸期間的任何時(shí)候所看到的特征阻抗是一致的，那么這種傳輸線被稱為阻抗受控傳輸線。

傳輸線的特性阻抗是設(shè)計(jì)中最重要的因素

傳輸線的瞬時(shí)阻抗或特征阻抗是影響信號(hào)質(zhì)量的最重要因素。如果信號(hào)傳播過程中相鄰信號(hào)傳播區(qū)間之間的阻抗是一致的，那么信號(hào)可以非常平滑地向前傳播，所以情況變得非常簡單。如果相鄰信號(hào)傳播間隔有差異，或者阻抗發(fā)生變化，信號(hào)中的一部分能量會(huì)被反射回來，信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性就會(huì)被破壞。

為了確保最佳信號(hào)質(zhì)量，信號(hào)互連設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確保信號(hào)在傳輸過程中看到的阻抗盡可能保持恒定。這里的要點(diǎn)是保持傳輸線的特征阻抗不變。因此，設(shè)計(jì)和制造阻抗可控的印刷電路板變得越來越重要。至于任何其他設(shè)計(jì)技巧，如最小化金手指長度、終端匹配、菊花鏈連接或分支連接等。，所有這些都是為了保證信號(hào)能看到一致的瞬時(shí)阻抗。

特征阻抗的計(jì)算

從上面的簡單模型中，我們可以計(jì)算出特征阻抗值，即信號(hào)傳輸過程中看到的瞬時(shí)阻抗值。信號(hào)在每個(gè)傳播區(qū)間看到的阻抗Z與阻抗的基本定義一致

Z=V/I

這里的電壓v指的是加到傳輸線的信號(hào)電壓，電流I指的是每個(gè)時(shí)間間隔δt內(nèi)從電池獲得的總電荷量δQ，所以

I=δQ/δt

流入傳輸線的電荷(最終來自信號(hào)源)用于在信號(hào)傳播到電壓v期間對(duì)新增加的信號(hào)線和返回路徑之間形成的電容δC充電，因此

δQ=VδC

我們可以把信號(hào)傳播過程中每隔一定距離所引起的電容，與傳輸線每單位長度的電容值CL，以及信號(hào)在傳輸線中傳播的速度U聯(lián)系起來。同時(shí)，信號(hào)傳播的距離是速度u乘以時(shí)間間隔δ t。

δC= CL U δt

結(jié)合以上所有方程，我們可以推導(dǎo)出瞬時(shí)阻抗為:

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

可以看出，瞬時(shí)阻抗與單位傳輸線長度的電容和信號(hào)傳輸速度有關(guān)。也可以假設(shè)這是傳輸線特性阻抗的定義。為了區(qū)分特征阻抗和實(shí)際阻抗z，在特征阻抗上專門加了一個(gè)下標(biāo)0，信號(hào)傳輸線的特征阻抗由上述推導(dǎo)得到:

Z0=1/(氯鈾)

如果單位長度的電容值和信號(hào)在傳輸線路上的傳播速度保持不變，那么傳輸線在其長度范圍內(nèi)具有恒定的特性阻抗，這樣的傳輸線稱為阻抗受控傳輸線。

從上面的簡要說明可以看出，對(duì)電容的一些直觀理解可以和對(duì)新發(fā)現(xiàn)的特征阻抗的直觀理解聯(lián)系起來。換句話說，如果PCB中的信號(hào)連接加寬，傳輸線的單位長度電容會(huì)增加，傳輸線的特征阻抗會(huì)減小。

有趣的話題

經(jīng)?？梢月牭揭恍╆P(guān)于傳輸線特性阻抗的混亂說法。從以上分析可知，信號(hào)源連接到傳輸線后，可以看到傳輸線的特性阻抗有一定的值，例如50ω。然而，如果歐姆表與一根3英尺長的RG58電纜相連，測(cè)得的阻抗是無窮大。

答案在于，從任何一條傳輸線的前端看到的阻抗值都是隨時(shí)間變化的。如果電纜阻抗的測(cè)量時(shí)間很短，可以和信號(hào)在電纜中來回經(jīng)過的時(shí)間進(jìn)行比較，就可以測(cè)量電纜的浪涌阻抗或者電纜的特性阻抗。但是，如果我們等待足夠的時(shí)間，一些能量會(huì)被反射回來，被測(cè)量儀器檢測(cè)到，然后就可以檢測(cè)到阻抗的變化。通常在這個(gè)過程中，阻抗會(huì)來回變化，直到阻抗值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài):如果電纜末端開路，最終阻抗值為無窮大，如果電纜末端短路，最終阻抗值為零。

對(duì)于長度為3英尺的RG58電纜，阻抗測(cè)量必須在不到3 ns內(nèi)完成。這就是時(shí)域反射儀(TDR)的作用。TDR可以測(cè)量傳輸線的動(dòng)態(tài)阻抗。如果用1s來測(cè)量長度為3英尺的RG58電纜的阻抗，信號(hào)在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)已經(jīng)被來回反射了幾百萬次，那么你可能從阻抗的巨大變化中得到完全不同的阻抗值，最終結(jié)果是無窮大，因?yàn)殡娎|的終端是開路的。

本文轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)。如果涉及版權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們刪除

看了這篇文章有收獲嗎？請(qǐng)與更多人分享

回復(fù)關(guān)鍵詞是干貨:電路設(shè)計(jì)，電容，三極管，PCB接地

一鍵關(guān)注+歷史信息閱讀原文