阻抗匹配對(duì)波形和輻射噪聲的影響

01簡(jiǎn)介

如果數(shù)字電路中的信號(hào)頻率加快，輻射噪聲也會(huì)增強(qiáng)，噪聲抑制將變得困難。

因此，為了降低電流，還需要降低信號(hào)電壓或采取其他措施。例如，過去數(shù)字電路電源電壓的主流為5V，但現(xiàn)在使用了3.3V、1.8V和1.3V等各種電壓。

若如此降低電壓，即使波形發(fā)生輕微振鈴，也會(huì)導(dǎo)致電路退化。因此，必須抑制信號(hào)波形的振鈴。

若要完全抑制波形的振鈴，僅增加阻尼電阻器是不夠的。還需要匹配（1）傳輸側(cè)的輸出阻抗，（2）傳輸線的特性阻抗，以及（3）負(fù)載側(cè)的輸入阻抗。

后文將通過為數(shù)字信號(hào)線增加電阻器和改變傳輸線的特性阻抗，說明阻抗匹配對(duì)波形和輻射噪聲的影響。

02阻抗匹配前的波形和輻射噪聲

我準(zhǔn)備了一個(gè)評(píng)估基板，通過測(cè)量波形和輻射噪聲來觀察阻抗匹配的影響。

圖A顯示了評(píng)估基板。信號(hào)發(fā)送自通用邏輯IC74ALVC04（非元件），并由74ALVC04接收。對(duì)于背面完全接地的雙面基板，信號(hào)頻率為40MHz，傳輸線長度為10cm，基板厚度t為1.6mm，電源電壓為3.3V。40MHz不再是高速信號(hào)，但考慮到實(shí)驗(yàn)的容易性，選擇了信號(hào)頻率和IC。

圖B顯示了波形和輻射噪聲的測(cè)量結(jié)果。

波形中出現(xiàn)大振鈴。這是因?yàn)樾盘?hào)的輸出阻抗、傳輸線的特性阻抗和負(fù)載的負(fù)載阻抗不相匹配。

為實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，如圖C所示，對(duì)該測(cè)試基板進(jìn)行了如下改動(dòng)。

(1)改變特性阻抗z：130ohms->50ohms

(2)在傳輸側(cè)的輸出端增加一個(gè)30ohms的電阻器，并將輸出阻抗更改為50ohms

(3)以50ohms的負(fù)載阻抗為終端

03信號(hào)線特性阻抗的變化

首先，我將信號(hào)線的特性阻抗從130ohms（模式寬度為0.30mm）更改為50ohms（模式寬度為3.1mm）。

更改為50ohms的原因在于，50ohms通常用于高速信號(hào)傳輸。由于同軸電纜等絕緣體材料的影響，50ohms處的損耗很小，因而似乎普遍都采用50ohms。

圖A顯示了波形和輻射噪聲的測(cè)量結(jié)果。

在波形振鈴中，過沖電壓從4Vp-p降至3Vp-p。

這是因?yàn)閭鬏斁€的特性阻抗更接近傳輸側(cè)的輸出阻抗，減少了信號(hào)的反射。

在280MHz至960MHz的頻率范圍內(nèi)，輻射噪聲最高增加了約10dB。由于模式寬度從0.3mm增至3.1mm，模式和地面之間靜電電容增加，這似乎對(duì)噪聲產(chǎn)生了影響。

04增加輸出和終端電阻器

圖A顯示了安裝輸出和終端電阻器時(shí)的波形和輻射噪聲。

(1) 增加輸出電阻器

由于傳輸側(cè)增加了輸出電阻器，傳輸線的特性阻抗更接近輸出電阻器，抑制了傳輸側(cè)的再反射。因此，振鈴得到抑制（3Vp-p至0.96Vp-p）。

由于電阻器抑制了電流，輻射噪聲也降低了約5dB。

(2) 增加終端電阻器

由于傳輸線的特性阻抗更接近負(fù)載的阻抗，負(fù)載側(cè)的反射得到抑制。因此，振鈴得到抑制（3Vp-p至0.56Vp-p）。

200MHz或更低頻率處的輻射噪聲最大增加了約10dB。由于端接50ohm電阻器，200MHz或更低頻率處的負(fù)載阻抗降低，電流增加。

(3) 增加輸出和終端電阻器

由于輸出、傳輸線和負(fù)載的阻抗匹配，振鈴得到大幅抑制（3Vp-p至0.28Vp-p）。但是，峰值為1.9V，比電源電壓值3.3V低1.4V。

05基板厚度的影響

阻抗匹配抑制了振鈴，但由于基板厚度t=1.6mm，模式寬度很寬，為3.1mm，因此不適用于高密度安裝情形。

為了縮小模式寬度并保持50ohms的特性阻抗，必須使基板變薄。圖A顯示了基板厚度（層間厚度）和模式寬度之間關(guān)系的計(jì)算結(jié)果。

我將基板厚度t從1.6mm減小到0.8mm，并測(cè)量了波形和輻射噪聲。我想進(jìn)一步減小基板厚度，但由于受到可用性的限制，最終厚度為0.8mm。由于特性阻抗固定為50ohms，模式寬度從3.1mm變?yōu)?.6mm。

圖B顯示了此情形下的信號(hào)波形和輻射噪聲。

由于特性阻抗沒有發(fā)生變化，信號(hào)的反射量和信號(hào)波形未有變化。總體而言，輻射噪聲下降5至10dB。基板進(jìn)一步減薄將更多地降低輻射噪聲。基板越薄，抗彎曲的能力越弱，因此使用多層基板來減小厚度。這意味著，盡管成本高，但可以通過使用多層基板來降低輻射噪聲。

06鐵氧體磁珠在匹配電路中的噪聲抑制效果

接下來，讓我介紹安裝鐵氧體磁珠抑制噪聲的示例。

阻抗曲線上升的頻率范圍根據(jù)鐵氧體磁珠的材料而變化。另外，電阻分量R與阻抗的電抗分量X之比也隨之變化。

我們將芯片型鐵氧體磁珠“BLM”稱為BLM_A系列普通型鐵氧體磁珠，將阻抗曲線急劇上升的鐵氧體磁珠稱為BLM_B系列鐵氧體磁珠。

圖B顯示了使用這些鐵氧體磁珠時(shí)的波形和輻射噪聲測(cè)量結(jié)果。

阻抗急劇上升的鐵氧體磁珠有望能夠抑制信號(hào)波形的變形以及阻抗匹配電路中的噪聲。

然而，如圖C所示，電阻分量成為主要分量的頻帶趨窄，因此沒有阻抗匹配，波形的振鈴可能會(huì)產(chǎn)生問題。（如果傳輸線短，信號(hào)反射的影響很小，振鈴不太可能造成問題。因此，即使是急劇上升的類型也不會(huì)對(duì)波形造成任何問題。）

07小結(jié)

為了降低數(shù)字電路中信號(hào)加速的電壓，必須抑制波形振鈴，以免出現(xiàn)故障。為此，可以對(duì)信號(hào)路徑進(jìn)行特性阻抗匹配。

對(duì)于高密度安裝情形而言，必須使基板變薄，減小線路的寬度，同時(shí)滿足信號(hào)線特性阻抗為50ohms?；遄儽∫部梢詼p少輻射噪聲。

在阻抗匹配線路或較短線路中，頻率阻抗曲線急劇上升的鐵氧體磁珠可有效抑制波形變形。