阻抗匹配對波形和輻射噪聲的影響

01簡介

如果數(shù)字電路中的信號頻率加快，輻射噪聲也會增強(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，也會導(dǎo)致電路退化。因此，必須抑制信號波形的振鈴。

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)字信號線增加電阻器和改變傳輸線的特性阻抗，說明阻抗匹配對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)備了一個評估基板，通過測量波形和輻射噪聲來觀察阻抗匹配的影響。

圖A顯示了評估基板。信號發(fā)送自通用邏輯IC74ALVC04（非元件），并由74ALVC04接收。對于背面完全接地的雙面基板，信號頻率為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，但考慮到實(shí)驗(yàn)的容易性，選擇了信號頻率和IC。

圖B顯示了波形和輻射噪聲的測量結(jié)果。

波形中出現(xiàn)大振鈴。這是因?yàn)樾盘柕妮敵鲎杩?、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，對該測試基板進(jìn)行了如下改動。

(1)改變特性阻抗z：130ohms->50ohms

(2)在傳輸側(cè)的輸出端增加一個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信號線特性阻抗的變化

首先，我將信號線的特性阻抗從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)系的計算結(jié)果。

我將基板厚度t從1.6mm減小到0.8mm，并測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波形和輻射噪聲。

由于特性阻抗沒有發(fā)生變化，信號的反射量和信號波形未有變化。總體而言，輻射噪聲下降5至10dB?；暹M(jìn)一步減薄將更多地降低輻射噪聲?；逶奖?，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的波形和輻射噪聲測量結(jié)果。

阻抗急劇上升的鐵氧體磁珠有望能夠抑制信號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，波形的振鈴可能會產(chǎn)生問題。（如果傳輸線短，信號反射的影響很小，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對波形造成任何問題。）

07小結(jié)

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

對于高密度安裝情形而言，必須使基板變薄，減小線路的寬度，同時滿足信號線特性阻抗為50ohms。基板變薄也可以減少輻射噪聲。

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。