微带传输线的阻抗匹配问题

文章描述:-2022年3月29日发(作者:金世元)微带传输线的匹配问题  串联匹配 Rs为驱动端的输出电阻(电阻值很小);Z0为传输线特征阻抗;负载端输入电阻很大,近似开路。 为了达到电阻匹配,在驱动端串联电阻R,使Rs+R=Z0(电阻串联匹配) 当驱动端有一个从5V降到1V的脉冲时(具体多大电压不重要),在信号从负载端反射回驱动端之前,驱动端的压降只有2V,(5-1)2,相当是Rs+R和Z0分

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微带传输线的阻抗匹配问题2022年3月29日发(作者:金世元)


微带传输线的匹配问题

 串联匹配

Rs为驱动端的输出电阻(电阻值很小);Z0为传输线特征阻抗;负载端输入电阻很大,近似开路。
为了达到电阻匹配,在驱动端串联电阻R,使Rs+R=Z0(电阻串联匹配)

当驱动端有一个从5V降到1V的脉冲时(具体多大电压不重要),在信号从负载端反射回驱动端之前,
驱动端的压降只有2V,(5-1)2,相当是Rs+R和Z0分压(如图下部),就是搞不懂为什么会分压,
Z0怎么就接地了呢?

请教,谢谢!

传输线是一对导线组成的,包括信号传播路径和返回路径(即“地”)。
特征阻抗是指传播路径和返回路径之间的等效电阻。

只要信号没达到终端,在任何时刻,在传输线上的任意点,信号都会“感受”到该等效电阻,
因为传输线上任意点都要给该点以后的传输线提供能量。

我认为传输线的特征阻抗并不是表示一个串联在源端和终端之间的一个电阻,应该认为在源端看来,
它是一个阻值为Z0的到地的一个电阻。从理想传输线模型(大概是这样,具体忘了,可能有不少问
题)可以看到这一点。信号从源端入射,不断地给分布电容、分布电感提供能量,从左到右建立电磁
场,直到信号传送到终端。



 并联匹配
上面我说的只是源端的情况。

下面说说终端的情况。信号传到终端时,根据负载的不同,情况不同。
当负载阻抗等于特征阻抗时,信号被负载完全吸收,不会发生反射;
当负载阻抗大于特征阻抗时,会有一个电压为正的反射信号,一种典型情况是终端开路,这时反射
电压等于入射电压,即全反射;
负载阻抗大于特征阻抗时,会有一个电压为负的反射信号,一种典型情况是终端短路,这时反射电
压等于负的入射电压。
反射电压和入射电压会在终端叠加,所以当终端负载阻抗很大时,会有信号过冲。

为了抑制信号的反射,需要做阻抗匹配。所谓的阻抗匹配,就是使得传输线的终端负载等于特征阻
抗。匹配有两种方法:
1. 源端串联匹配方法。这种匹配方法实际上是在传输线上入射一半的信号电压,当信号传到终端时,
由于负载阻抗非常大,近似于开路,信号在终端发生全反射,反射电压加上入射电压就等于信号原来
的电压了。反射信号从终端反射回源端,对于反射信号来说,源端就是反射信号的终端了,由于源端
的阻抗已经是匹配了的(即信号源内阻加上源端匹配电阻等于特征阻抗),所以反射信号在源端被吸
收,抑制了反射信号在源端再一次反射,也就抑制了振铃现象。

2. 终端并联匹配的方法。这种方法更好理解,最简单的方法就是在终端并联一个到地的电阻,阻值
等于传输线的特征阻抗。信号传到终端时,由于负载阻抗等于特征阻抗,信号在终端完全吸收,并没
有反射。不过这种匹配方式在高电平时有很大的静态功耗。其他终端并联匹配方法都是围绕着降低静
态功耗来做文章的。




1、阻抗匹配
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。根据接入方式阻抗匹配有串行和并行
两种方式;根据信号源频率阻抗匹配可分为低频和高频两种。
(1)高频信号一般使用串行阻抗匹配。串行电阻的阻值为20~75Ω,阻值大小与信号频率成正比,与PC
B走线宽度和长度成反比。在嵌入式系统中,一般频率大于20M的信号PCB走线长度大于5cm时都要加
串行匹配电阻,例如系统中的时钟信号、数据和地址总线信号等。串行匹配电阻的作用有两个:
◆ 减少高频噪声以及边沿过冲。如果一个信号的边沿非常陡峭,则含有大量的高频成分,将会辐射干扰,
另外,也容易产生过冲。串联电阻与信号线的分布电容以及负载输入电容等形成一个RC电路,这样就会
降低信号边沿的陡峭程度。
◆ 减少高频反射以及自激振荡。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可
以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即
不匹配)时,在负载端就会产生反射,造成自激振荡。PCB板内走线的低频信号直接连通即可,一般不需
要加串行匹配电阻。
(2)并行阻抗匹配又叫“终端阻抗匹配”,一般用在输入输出接口端,主要指与传输电缆的阻抗匹配。例如,
LVDS与RS422485使用5类双绞线的输入端匹配电阻为100~120Ω;视频信号使用同轴电缆的匹配电阻
为75Ω或50Ω、使用篇平电缆为300Ω。并行匹配电阻的阻值与传输电缆的介质有关,与长度无关,其主
要作用也是防止信号反射、减少自激振荡。值得一提的是,阻抗匹配可以提高系统的EMI性能。此外,解
决阻抗匹配除了使用串并联电阻外,还可使用变压器来做阻抗变换,典型的例子如以太网接口、CA总线
等。
2、0欧电阻的作用
(1)最简单的是做跳线用,如果某段线路不用,直接不焊接该电阻即可(不影响外观)。
(2)在匹配电路参数不确定的时候,以0欧姆代替,实际调试的时候,确定参数,再以具体数值的元件代
替。
(3)想测某部分电路的工作电流时,可以去掉0欧电阻,接上电流表,这样方便测量电流。
(4)在布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻 起跨接作用。
(5)在高频信号网络中,充当电感或电容(起阻抗匹配作用,0欧电阻也有阻抗!)。充当电感用时,主
要是解决EMC问题。
(6)单点接地,例如模拟地与数字地的单点对接共地。
(7)配置电路,可以取代跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置,易引起误会,为了减少维护费用,应用
0欧电阻代替跳线等焊在板子上。
(8)系统调试用,例如将系统分成几个模块,模块间的电源与地用0欧电阻分开,调试阶段发现电源或地
短路时,去掉0欧电阻可缩小查范围。
上述功能也可使用“磁珠”替代。0欧电阻与磁珠虽然功能上有点类似,但存在本质差别,前者呈阻抗特性,
后者呈感抗特性。磁珠一般用在电源与地网络中,有滤波作用。


微带传输线的匹配问题

 串联匹配

Rs为驱动端的输出电阻(电阻值很小);Z0为传输线特征阻抗;负载端输入电阻很大,近似开路。
为了达到电阻匹配,在驱动端串联电阻R,使Rs+R=Z0(电阻串联匹配)

当驱动端有一个从5V降到1V的脉冲时(具体多大电压不重要),在信号从负载端反射回驱动端之前,
驱动端的压降只有2V,(5-1)2,相当是Rs+R和Z0分压(如图下部),就是搞不懂为什么会分压,
Z0怎么就接地了呢?

请教,谢谢!

传输线是一对导线组成的,包括信号传播路径和返回路径(即“地”)。
特征阻抗是指传播路径和返回路径之间的等效电阻。

只要信号没达到终端,在任何时刻,在传输线上的任意点,信号都会“感受”到该等效电阻,
因为传输线上任意点都要给该点以后的传输线提供能量。

我认为传输线的特征阻抗并不是表示一个串联在源端和终端之间的一个电阻,应该认为在源端看来,
它是一个阻值为Z0的到地的一个电阻。从理想传输线模型(大概是这样,具体忘了,可能有不少问
题)可以看到这一点。信号从源端入射,不断地给分布电容、分布电感提供能量,从左到右建立电磁
场,直到信号传送到终端。



 并联匹配
上面我说的只是源端的情况。

下面说说终端的情况。信号传到终端时,根据负载的不同,情况不同。
当负载阻抗等于特征阻抗时,信号被负载完全吸收,不会发生反射;
当负载阻抗大于特征阻抗时,会有一个电压为正的反射信号,一种典型情况是终端开路,这时反射
电压等于入射电压,即全反射;
负载阻抗大于特征阻抗时,会有一个电压为负的反射信号,一种典型情况是终端短路,这时反射电
压等于负的入射电压。
反射电压和入射电压会在终端叠加,所以当终端负载阻抗很大时,会有信号过冲。

为了抑制信号的反射,需要做阻抗匹配。所谓的阻抗匹配,就是使得传输线的终端负载等于特征阻
抗。匹配有两种方法:
1. 源端串联匹配方法。这种匹配方法实际上是在传输线上入射一半的信号电压,当信号传到终端时,
由于负载阻抗非常大,近似于开路,信号在终端发生全反射,反射电压加上入射电压就等于信号原来
的电压了。反射信号从终端反射回源端,对于反射信号来说,源端就是反射信号的终端了,由于源端
的阻抗已经是匹配了的(即信号源内阻加上源端匹配电阻等于特征阻抗),所以反射信号在源端被吸
收,抑制了反射信号在源端再一次反射,也就抑制了振铃现象。

2. 终端并联匹配的方法。这种方法更好理解,最简单的方法就是在终端并联一个到地的电阻,阻值
等于传输线的特征阻抗。信号传到终端时,由于负载阻抗等于特征阻抗,信号在终端完全吸收,并没
有反射。不过这种匹配方式在高电平时有很大的静态功耗。其他终端并联匹配方法都是围绕着降低静
态功耗来做文章的。




1、阻抗匹配
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。根据接入方式阻抗匹配有串行和并行
两种方式;根据信号源频率阻抗匹配可分为低频和高频两种。
(1)高频信号一般使用串行阻抗匹配。串行电阻的阻值为20~75Ω,阻值大小与信号频率成正比,与PC
B走线宽度和长度成反比。在嵌入式系统中,一般频率大于20M的信号PCB走线长度大于5cm时都要加
串行匹配电阻,例如系统中的时钟信号、数据和地址总线信号等。串行匹配电阻的作用有两个:
◆ 减少高频噪声以及边沿过冲。如果一个信号的边沿非常陡峭,则含有大量的高频成分,将会辐射干扰,
另外,也容易产生过冲。串联电阻与信号线的分布电容以及负载输入电容等形成一个RC电路,这样就会
降低信号边沿的陡峭程度。
◆ 减少高频反射以及自激振荡。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可
以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即
不匹配)时,在负载端就会产生反射,造成自激振荡。PCB板内走线的低频信号直接连通即可,一般不需
要加串行匹配电阻。
(2)并行阻抗匹配又叫“终端阻抗匹配”,一般用在输入输出接口端,主要指与传输电缆的阻抗匹配。例如,
LVDS与RS422485使用5类双绞线的输入端匹配电阻为100~120Ω;视频信号使用同轴电缆的匹配电阻
为75Ω或50Ω、使用篇平电缆为300Ω。并行匹配电阻的阻值与传输电缆的介质有关,与长度无关,其主
要作用也是防止信号反射、减少自激振荡。值得一提的是,阻抗匹配可以提高系统的EMI性能。此外,解
决阻抗匹配除了使用串并联电阻外,还可使用变压器来做阻抗变换,典型的例子如以太网接口、CA总线
等。
2、0欧电阻的作用
(1)最简单的是做跳线用,如果某段线路不用,直接不焊接该电阻即可(不影响外观)。
(2)在匹配电路参数不确定的时候,以0欧姆代替,实际调试的时候,确定参数,再以具体数值的元件代
替。
(3)想测某部分电路的工作电流时,可以去掉0欧电阻,接上电流表,这样方便测量电流。
(4)在布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻 起跨接作用。
(5)在高频信号网络中,充当电感或电容(起阻抗匹配作用,0欧电阻也有阻抗!)。充当电感用时,主
要是解决EMC问题。
(6)单点接地,例如模拟地与数字地的单点对接共地。
(7)配置电路,可以取代跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置,易引起误会,为了减少维护费用,应用
0欧电阻代替跳线等焊在板子上。
(8)系统调试用,例如将系统分成几个模块,模块间的电源与地用0欧电阻分开,调试阶段发现电源或地
短路时,去掉0欧电阻可缩小查范围。
上述功能也可使用“磁珠”替代。0欧电阻与磁珠虽然功能上有点类似,但存在本质差别,前者呈阻抗特性,
后者呈感抗特性。磁珠一般用在电源与地网络中,有滤波作用。

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微带传输线的阻抗匹配问题

发布时间:2022-03-29 22:41:41
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