阻抗匹配的方法與應(yīng)用舉例

什么是阻抗

在電學(xué)中，常把對(duì)電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，是一個(gè)復(fù)數(shù)：

Z= R+i( ωL–1/(ωC))

具體說(shuō)來(lái)阻抗可分為兩個(gè)部分，電阻(實(shí)部)和電抗(虛部)。

其中電抗又包括容抗和感抗，由電容引起的電流阻礙稱(chēng)為容抗，由電感引起的電流阻礙稱(chēng)為感抗。

阻抗匹配的理想模型

射頻工程師大都遇到過(guò)匹配阻抗的問(wèn)題，通俗的講，阻抗匹配的目的是確保能實(shí)現(xiàn)信號(hào)或能量從“信號(hào)源”到“負(fù)載”的有效傳送。

其最最理想模型當(dāng)然是希望Source端的輸出阻抗為50歐姆，傳輸線的阻抗為50歐姆，Load端的輸入阻抗也是50歐姆，一路50歐姆下去，這是最理想的。

然而實(shí)際情況是：源端阻抗不會(huì)是50ohm，負(fù)載端阻抗也不會(huì)是50ohm，這個(gè)時(shí)候就需要若干個(gè)阻抗匹配電路。

而匹配電路就是由電感和電容所構(gòu)成，這個(gè)時(shí)候我們就需要使用電容和電感來(lái)進(jìn)行阻抗匹配電路調(diào)試，以達(dá)到RF性能最優(yōu)。

阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有兩個(gè)，一是改變阻抗力，二是調(diào)整傳輸線。

改變阻抗力就是通過(guò)電容、電感與負(fù)載的串并聯(lián)調(diào)整負(fù)載阻抗值，以達(dá)到源和負(fù)載阻抗匹配。

調(diào)整傳輸線是加長(zhǎng)源和負(fù)載間的距離，配合電容和電感把阻抗力調(diào)整為零。相關(guān)文章：認(rèn)識(shí)傳輸線的三個(gè)特性，特性阻抗、反射、阻抗匹配。

此時(shí)信號(hào)不會(huì)發(fā)生發(fā)射，能量都能被負(fù)載吸收。

高速PCB布線中，一般把數(shù)字信號(hào)的走線阻抗設(shè)計(jì)為50歐姆。一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對(duì)絞線(差分)為85-100歐姆。

阻抗匹配應(yīng)用舉例——振鈴現(xiàn)象

曾經(jīng)做一個(gè)項(xiàng)目，在電信號(hào)測(cè)量時(shí)，遇到過(guò)振鈴這種問(wèn)題，。

由于任何傳輸線都不可避免地存在著引線電阻、引線電感和雜散電容，因此，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的傳輸線后，極易產(chǎn)生上沖和振鈴現(xiàn)象。大量的實(shí)驗(yàn)表明，引線電阻可使脈沖的平均振幅減小;而雜散電容和引線電感的存在，則是產(chǎn)生上沖和振鈴的根本原因。在脈沖前沿上升時(shí)間相同的條件下，引線電感越大，上沖及振鈴現(xiàn)象就越嚴(yán)重;雜散電容越大，則是波形的上升時(shí)間越長(zhǎng);而引線電阻的增加，將使脈沖振幅減小。

如果信號(hào)傳輸過(guò)程中感受到阻抗的變化，就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。這個(gè)信號(hào)可能是驅(qū)動(dòng)端發(fā)出的信號(hào)，也可能是遠(yuǎn)端反射回來(lái)的反射信號(hào)。相關(guān)文章：信號(hào)反射問(wèn)題與相關(guān)電路設(shè)計(jì)技巧。根據(jù)反射系數(shù)的公式，當(dāng)信號(hào)感受到阻抗變小，就會(huì)發(fā)生負(fù)反射，反射的負(fù)電壓會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生下沖。信號(hào)在驅(qū)動(dòng)端和遠(yuǎn)端負(fù)載之間多次反射，其結(jié)果就是信號(hào)振鈴。大多數(shù)芯片的輸出阻抗都很低，如果輸出阻抗小于PCB走線的特性阻抗，那么在沒(méi)有源端端接的情況下，必然產(chǎn)生信號(hào)振鈴。

在實(shí)際電路中，采用下列幾種方法來(lái)來(lái)減小和抑制上沖及振鈴。

(1)串聯(lián)電阻。利用具有較大電阻的傳輸線或是人為地串入適當(dāng)?shù)淖枘犭娮瑁梢詼p小脈沖的振幅，從而達(dá)到減小上沖和振鈴程度的目的。但當(dāng)傳入電阻的數(shù)值過(guò)大時(shí)，不僅脈沖幅度減小過(guò)多，而且使脈沖的前沿產(chǎn)生延遲。因此，串入的阻尼電阻值應(yīng)適當(dāng)，并且應(yīng)選用無(wú)感電阻，電阻的連接位置應(yīng)靠近接收端。

(2)減小引線電感。設(shè)法減小線路及傳輸線的引線電感是最基本的方法，總的原則是：

盡量縮短引線長(zhǎng)度

加粗導(dǎo)線和印制銅箔的寬度

減小信號(hào)的傳輸距離

采用引線電感小的元器件，尤其是傳輸前沿很陡的脈沖信號(hào)時(shí)更應(yīng)注意這些問(wèn)題

(3)由于負(fù)載電路的等效電感和等效電容同樣可以影響發(fā)送端，使之脈沖波形產(chǎn)生上沖和振鈴，因此，應(yīng)盡量減小負(fù)載電路的等效電感和電容。尤其是負(fù)載電路的接地線過(guò)長(zhǎng)時(shí)，形成的地線電感和雜散電容相當(dāng)可觀，其影響不容忽視。

(4)邏輯數(shù)字電路中的信號(hào)線可增加上拉電阻和交流終端負(fù)載，如圖6所示。上拉電阻(可取)的接入，可將信號(hào)的邏輯高電平上拉到5V。交流終端負(fù)載電路的接入不影響支流驅(qū)動(dòng)能力，也不會(huì)增加信號(hào)線的負(fù)載，而高頻振鈴現(xiàn)象卻可得到有效的抑制。

上述振鈴除了與電路條件有關(guān)外，還與脈沖前沿的上升時(shí)間密切相關(guān)。即使電路條件相同，當(dāng)脈沖前沿上升時(shí)間很短時(shí)，上沖的峰值將大大增加。一般對(duì)于前沿上升時(shí)間在1以下的脈沖，均考慮產(chǎn)生上沖及振鈴的可能。因此，在脈沖信號(hào)頻率的選擇問(wèn)題上，應(yīng)考慮在滿足系統(tǒng)速度要求的前提下，能選用較低頻率的信號(hào)絕不選用高頻信號(hào);如無(wú)必要，也不應(yīng)過(guò)分要求脈沖的前沿非常陡峭。這對(duì)從根本上消除上沖和振鈴視聽(tīng)有利的。

Smith圓圖在RF匹配電路調(diào)試中的應(yīng)用

Smith圓圖上可以反映出如下信息： 阻抗參數(shù)Z，導(dǎo)納參數(shù)Y，品質(zhì)因子Q，反射系數(shù)，駐波系數(shù)，噪聲系數(shù)，增益，穩(wěn)定因子，功率，效率，頻率信息等抗等參數(shù)。

是不是一臉懵，我們還是來(lái)看阻抗圓圖吧：

阻抗圓圖的構(gòu)圖原理是利用輸入阻抗與電壓反射系數(shù)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，將歸一化輸入阻抗表示在反射系數(shù)極坐標(biāo)系中，其特點(diǎn)歸納如下：

上半圓阻抗為感抗，下半圓阻抗為容抗

實(shí)軸為純電阻，單位圓為純電抗

實(shí)軸的右半軸皆為電壓波腹點(diǎn)(除開(kāi)路點(diǎn))，左半軸皆為電壓波節(jié)點(diǎn)(除短路點(diǎn))

匹配點(diǎn)(1，0)，開(kāi)路點(diǎn)(∞，∞)和短路點(diǎn)(0，0)

兩個(gè)特殊圓:最大的為純電抗圓，與虛軸相切的為匹配圓

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向:逆時(shí)針轉(zhuǎn)為向負(fù)載移動(dòng)，順時(shí)針轉(zhuǎn)為向波源移動(dòng)

導(dǎo)納圓圖與阻抗圓圖互為中心對(duì)稱(chēng)，同一張圓圖，即可以當(dāng)作阻抗圓圖來(lái)用，也可以當(dāng)作導(dǎo)納圓圖來(lái)用，但是在進(jìn)行每一次操作時(shí)，若作為阻抗圓圖用則不能作為導(dǎo)納圓圖。

Smith圓圖中，能表示出一些很有意思的特征：

在負(fù)載之前串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)可變電感/電容，電路圖如下圖左側(cè)4個(gè)圖所示，將得到Smith圓圖上右側(cè)的幾條曲線。

對(duì)應(yīng)Smith阻抗圓及導(dǎo)納圓，其運(yùn)動(dòng)軌跡如下：

使用Smith阻抗圓時(shí)，串聯(lián)電感順時(shí)針轉(zhuǎn)，串聯(lián)電容逆時(shí)針轉(zhuǎn)

使用Smith導(dǎo)納圓時(shí)，并聯(lián)電感，逆時(shí)針轉(zhuǎn)，并聯(lián)電容順時(shí)針轉(zhuǎn)

原文標(biāo)題：畫(huà)PCB板時(shí)阻抗設(shè)計(jì)的重要性

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審核編輯：湯梓紅