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PCBLayout時，要認識到阻抗設計的重要性

時間：2021-10-25 15:22:29
關鍵字： PCB    阻抗   
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[導讀]什么是阻抗??在電學中，常把對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，是一個復數(shù)：Z=Ri(?ωL–1/(ωC))具體說來阻抗可分為兩個部分，電阻（實部）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為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。阻...

什么是阻抗
在電學中，常把對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，是一個復數(shù)：


Z= R i( ωL–1/(ωC))



具體說來阻抗可分為兩個部分，電阻（實部）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為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。







阻抗匹配的理想模型
射頻工程師大都遇到過匹配阻抗的問題，通俗的講，阻抗匹配的目的是確保能實現(xiàn)信號或能量從“信號源”到“負載”的有效傳送。



其最最理想模型當然是希望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。



然而實際情況是：源端阻抗不會是50ohm，負載端阻抗也不會是50ohm，這個時候就需要若干個阻抗匹配電路。



而匹配電路就是由電感和電容所構成，這個時候我們就需要使用電容和電感來進行阻抗匹配電路調(diào)試，以達到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，一是改變阻抗力，二是調(diào)整傳輸線。



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



調(diào)整傳輸線是加長源和負載間的距離，配合電容和電感把阻抗力調(diào)整為零。



此時信號不會發(fā)生發(fā)射，能量都能被負載吸收。



高速PCB布線中，一般把數(shù)字信號的走線阻抗設計為50歐姆。一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對絞線（差分）為85-100歐姆。




阻抗匹配應用舉例——振鈴現(xiàn)象
曾經(jīng)做一個項目，在電信號測量時，遇到過振鈴這種問題。



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，一個標準的脈沖信號在經(jīng)過較長的傳輸線后，極易產(chǎn)生上沖和振鈴現(xiàn)象。大量的實驗表明，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。在脈沖前沿上升時間相同的條件下，引線電感越大，上沖及振鈴現(xiàn)象就越嚴重；雜散電容越大，則是波形的上升時間越長；而引線電阻的增加，將使脈沖振幅減小。



如果信號傳輸過程中感受到阻抗的變化，就會發(fā)生信號的反射。這個信號可能是驅(qū)動端發(fā)出的信號，也可能是遠端反射回來的反射信號。根據(jù)反射系數(shù)的公式，當信號感受到阻抗變小，就會發(fā)生負反射，反射的負電壓會使信號產(chǎn)生下沖。信號在驅(qū)動端和遠端負載之間多次反射，其結果就是信號振鈴。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，那么在沒有源端端接的情況下，必然產(chǎn)生信號振鈴。



在實際電路中，采用下列幾種方法來來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?shù)淖枘犭娮?，可以減小脈沖的振幅，從而達到減小上沖和振鈴程度的目的。但當傳入電阻的數(shù)值過大時，不僅脈沖幅度減小過多，而且使脈沖的前沿產(chǎn)生延遲。因此，串入的阻尼電阻值應適當，并且應選用無感電阻，電阻的連接位置應靠近接收端。



(2)減小引線電感。設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：


  • 盡量縮短引線長度


  • 加粗導線和印制銅箔的寬度


  • 減小信號的傳輸距離


  • 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時更應注意這些問題



(3)由于負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，應盡量減小負載電路的等效電感和電容。尤其是負載電路的接地線過長時，形成的地線電感和雜散電容相當可觀，其影響不容忽視。



(4)邏輯數(shù)字電路中的信號線可增加上拉電阻和交流終端負載，如圖6所示。上拉電阻(可取)的接入，可將信號的邏輯高電平上拉到5V。交流終端負載電路的接入不影響支流驅(qū)動能力，也不會增加信號線的負載，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外，還與脈沖前沿的上升時間密切相關。即使電路條件相同，當脈沖前沿上升時間很短時，上沖的峰值將大大增加。一般對于前沿上升時間在1以下的脈沖，均考慮產(chǎn)生上沖及振鈴的可能。因此，在脈沖信號頻率的選擇問題上，應考慮在滿足系統(tǒng)速度要求的前提下，能選用較低頻率的信號絕不選用高頻信號；如無必要，也不應過分要求脈沖的前沿非常陡峭。這對從根本上消除上沖和振鈴視聽有利的。




Smith圓圖在RF匹配電路調(diào)試中的應用
Smith圓圖上可以反映出如下信息： 阻抗參數(shù)Z，導納參數(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，我們還是來看阻抗圓圖吧：



阻抗圓圖的構圖原理是利用輸入阻抗與電壓反射系數(shù)之間的一一對應關系，將歸一化輸入阻抗表示在反射系數(shù)極坐標系中，其特點歸納如下：


  • 上半圓阻抗為感抗，下半圓阻抗為容抗


  • 實軸為純電阻，單位圓為純電抗


  • 實軸的右半軸皆為電壓波腹點（除開路點），左半軸皆為電壓波節(jié)點（除短路點）


  • 匹配點（1，0），開路點（∞，∞）和短路點（0，0）


  • 兩個特殊圓:最大的為純電抗圓，與虛軸相切的為匹配圓


  • 兩個旋轉(zhuǎn)方向:逆時針轉(zhuǎn)為向負載移動，順時針轉(zhuǎn)為向波源移動



導納圓圖與阻抗圓圖互為中心對稱，同一張圓圖，即可以當作阻抗圓圖來用，也可以當作導納圓圖來用，但是在進行每一次操作時，若作為阻抗圓圖用則不能作為導納圓圖。



Smith圓圖中，能表示出一些很有意思的特征：



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



對應Smith阻抗圓及導納圓，其運動軌跡如下：


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


  • 使用Smith導納圓時，并聯(lián)電感，逆時針轉(zhuǎn)，并聯(lián)電容順時針轉(zhuǎn)






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關鍵字： BSP 信息技術
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