時(shí)鐘/數(shù)據(jù)/地址線上的串聯(lián)電阻電路解析

我們在看原理圖時(shí)，經(jīng)?？吹酱恍┬‰娮?，如22歐姆，但有時(shí)也不是一定要串。

同樣的應(yīng)用中，有的串電阻，有的不串。這是什么原因?如果是高速信號(hào)線上串小電阻，那就應(yīng)該是終端阻抗匹配。

簡單的例子：一個(gè)串口通訊的提示信號(hào)，當(dāng)接上串口時(shí)，因?yàn)樗查g的插拔產(chǎn)生了一個(gè)很窄的電壓脈沖，如果這個(gè)脈沖直接打到GPIO口，很可能打壞芯片，但是串了一個(gè)小電阻，很容易把能力給消耗掉。如果脈沖是5mA 5.1V，那么過了30ohm后就是5v左右了。

高速信號(hào)線中才考慮使用這樣的電阻。在低頻情況下，一般是直接連接。這個(gè)電阻一般有有兩個(gè)作用，第一是阻抗匹配。

因?yàn)樾盘?hào)源的阻抗很低，跟信號(hào)線之間阻抗不匹配，串上一個(gè)電阻后，可改善匹配情況，以減少反射。第二是可以減少信號(hào)邊沿的陡峭程度，從而減少高頻噪聲以及過沖等。因?yàn)榇?lián)電阻，和信號(hào)線的分布電容以及負(fù)載的輸入電容會(huì)形成一個(gè)RC等效濾波電路，這樣就會(huì)降低信號(hào)邊沿的陡峭程度。

學(xué)過高速信號(hào)理論的都應(yīng)該知道，如果高速傳輸信號(hào)的邊沿很陡峭，其中就會(huì)含有大量的高頻成分，將會(huì)造成輻射干擾，另外，也容易產(chǎn)生過沖。

在SIM卡電路中，其實(shí)不加這個(gè)電阻也是不會(huì)影響SIM卡正常工作的。這個(gè)電阻主要是因?yàn)榻K端入網(wǎng)需要做SIM卡接口測試。SIM卡接口測試最容易出的問題就是CLK信號(hào)線上面過沖偏大。

增加小電阻可以消弱過沖。其實(shí)不一定要33R，換成47R，100R也都OK的。SIM卡的CLK頻率不會(huì)太高，一般不用串電阻來防止對(duì)外輻射影響其他信號(hào)，所以SIM卡CLK信號(hào)在LAYOUT時(shí)也沒有要求四面包地處理。

另外串聯(lián)小電阻可以增強(qiáng)ESD防護(hù)作用，TVS一般是利用瞬間導(dǎo)通釋放靜電來防護(hù)的，在TVS后面加小電阻可以起到“堵”的作用，當(dāng)靜電夠猛的時(shí)候，有時(shí)候TVS還不能起到防護(hù)作用，而串聯(lián)的小電阻像是一面墻，將靜電堵住。

敏感信號(hào)線上面采用TVS加串聯(lián)小電阻的方式做ESD防護(hù)效果還不錯(cuò)，深受各工程師喜愛。

信號(hào)源內(nèi)阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負(fù)載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為阻抗匹配。

否則，便稱為阻抗失配。阻抗匹配impedance matching）是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式，主要用于傳輸線上，以此來達(dá)到所有高頻信號(hào)無損耗傳遞至負(fù)載的目的。

先從直流電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。任何實(shí)際的電壓源，都是有等效內(nèi)阻的，所以我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。

假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動(dòng)勢為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流經(jīng)電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負(fù)載電阻R越小，則輸出電流越大。

負(fù)載R上的電壓為：Uo=IR=U/[1+(r/R)]。

可以看出，負(fù)載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。最后再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為：

P = I2×R=[U/(R+r)]2×R = U2×R/(R2+2×R×r+r2)

= U2×R/[(R-r)2+4×R×r]

= U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是可選擇的。

我們可以看到式中[(R-r)2/R]，當(dāng)R=r時(shí)，[(R-r)2/R]可取得最小值0，這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大的輸出功率Pmax=U2/(4×r)。

即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大的輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配。

當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論有所改變，就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共扼匹配。

在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長相對(duì)于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這么理解：因?yàn)榫€短，即使反射回來，跟原信號(hào)還是一樣的）。

從以上分析我們可以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負(fù)載R；如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。

在高頻電路中，我們還需要考慮反射的問題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)就會(huì)疊加在原信號(hào)上，從而會(huì)改變原信號(hào)的形狀。

如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等（即不匹配）時(shí)，那么在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細(xì)說了，有興趣的可參考電磁場與電磁波方面書籍中的傳輸線理論。

在這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念，它與傳輸線的長度無關(guān)，也不能通過使用歐姆表來測量。

為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢？

如果不匹配，則會(huì)形成反射，造成能量不能完全傳遞過去，導(dǎo)致功耗增加、效率降低；會(huì)在傳輸線上形成駐波（頻率相同、傳輸方向相反的兩種波。

簡單點(diǎn)說，就是有些地方信號(hào)強(qiáng)，有些地方信號(hào)弱），從而導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。

如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩，輻射干擾，EMC等等。

當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，我們可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這也是在射頻調(diào)試時(shí)常用手段。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。

一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號(hào)線，有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)幾十歐姆到二三十歐姆的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配。

例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。

為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問題，舉兩個(gè)例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊—打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會(huì)感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會(huì)受不了了。

這就是負(fù)載過重的情況，會(huì)產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會(huì)撲空，手也可能會(huì)受不了——這就是負(fù)載過輕的情況。

淺談四層板和22歐電阻

選用四層板不僅是電源和地的問題，高速數(shù)字電路對(duì)走線的阻抗有要求，二層板不好控制阻抗，22歐電阻一般加在驅(qū)動(dòng)器端，也是起阻抗匹配作用的。布線時(shí)要優(yōu)先布數(shù)據(jù)、地址線，和需要保證的高速線。

在高頻的時(shí)候，PCB板上的走線都要看成傳輸線，傳輸線是有其特征阻抗的，學(xué)過傳輸線理論的都應(yīng)該知道，當(dāng)傳輸線上某處出現(xiàn)阻抗突變(不匹配)時(shí)，信號(hào)通過就會(huì)發(fā)生反射，反射對(duì)原信號(hào)造成干擾，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)影響電路的正常工作。

采用四層板時(shí)，通常外層走信號(hào)線，中間兩層分別為電源和地平面，這樣一方面隔離了兩個(gè)信號(hào)層，更重要的是外層的走線與它們所靠近的平面形成稱為“微帶”(microstrip) 的傳輸線，它的阻抗比較固定，而且可以計(jì)算，而對(duì)于兩層板就比較難以做到這樣效果。

傳輸線阻抗主要與走線的寬度、阻抗線到參考平面的距離、敷銅的厚度以及介電材料的特性有關(guān)，有許多現(xiàn)成的公式和工具可供計(jì)算。

22歐電阻通常串連放在驅(qū)動(dòng)的一端(其實(shí)不一定22歐，從幾歐到五、六十歐都有，視具體電路而定) ，其作用是與發(fā)送器的輸出阻抗串連后與走線的阻抗匹配，使反射回來(假設(shè)解收端阻抗沒有匹配) 的信號(hào)不會(huì)再次反射回去(吸收掉)，這樣接收端的信號(hào)就不會(huì)受到影響接收端也可以作匹配。

這里所說的高頻，不一定是時(shí)鐘頻率很高的電路，是不是高頻不止看頻率，更重要是看信號(hào)的上升下降時(shí)間通常可以用上升(或下降) 時(shí)間估計(jì)電路的頻率。

一般取上升時(shí)間倒數(shù)的一半，比如如果上升時(shí)間是1ns，那么它的倒數(shù)是1000MHz，也就是說在設(shè)計(jì)電路是要按500MHz的頻帶來考慮有時(shí)候要故意減慢邊緣時(shí)間，許多高速IC其驅(qū)動(dòng)器的輸出斜率都是可調(diào)的。

編輯：黃飛

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