深度剖析阻抗匹配

電子行業(yè)的工程師經(jīng)常會(huì)遇到阻抗匹配問(wèn)題。什么是阻抗匹配？為什么要進(jìn)行阻抗匹配？本文帶您一探究竟！

一、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為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。

圖1 復(fù)數(shù)表示方法

二、阻抗匹配的重要性

阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間達(dá)到一種適合的搭配。阻抗匹配主要有兩點(diǎn)作用，調(diào)整負(fù)載功率和抑制信號(hào)反射。

1、調(diào)整負(fù)載功率

假定激勵(lì)源已定，那么負(fù)載的功率由兩者的阻抗匹配度決定。對(duì)于一個(gè)理想化的純電阻電路或者低頻電路，由電感、電容引起的電抗值基本可以忽略，此時(shí)電路的阻抗來(lái)源主要為電阻。如圖2所示，電路中電流I=U/(r+R)，負(fù)載功率P=I*I*R。由以上兩個(gè)方程可得當(dāng)R=r時(shí)P取得最大值，Pmax=U*U/(4*r)。

圖2 負(fù)載功率調(diào)整

2、抑制信號(hào)反射

當(dāng)一束光從空氣射向水中時(shí)會(huì)發(fā)生反射，這是因?yàn)楣夂退墓鈱?dǎo)特性不同。同樣，當(dāng)信號(hào)傳輸中如果傳輸線上發(fā)生特性阻抗突變也會(huì)發(fā)生反射。波長(zhǎng)與頻率成反比，低頻信號(hào)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳輸線的長(zhǎng)度，因此一般不用考慮反射問(wèn)題。高頻領(lǐng)域，當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)與傳輸線長(zhǎng)出于相同量級(jí)時(shí)反射的信號(hào)易與原信號(hào)混疊，影響信號(hào)質(zhì)量。通過(guò)阻抗匹配可有效減少、消除高頻信號(hào)反射。

圖3 正常信號(hào)

圖4 異常信號(hào)（反射引起超調(diào)）

三、阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有兩個(gè)，一是改變組抗力，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。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。

四、阻抗匹配的應(yīng)用

1、功放與音箱

無(wú)論是定阻抗式還是定電壓式輸出的功放，只有喇叭的總功率和功放的總功率相等時(shí)才能得到最佳的工作狀態(tài)。音箱系統(tǒng)若要完全達(dá)到匹配是非常困難的，它的音頻成分總是在不停的變化，好在音箱系統(tǒng)對(duì)阻抗匹配度要求并不高。最常見(jiàn)到的喇叭阻抗的標(biāo)示值是8歐姆，它表示當(dāng)輸入1KHz的正弦波信號(hào)，它呈現(xiàn)的阻抗值是八歐姆；或者是在喇叭的工作頻率響應(yīng)范圍內(nèi)，平均阻抗為8歐姆。

圖5 音箱

2、PCB走線

高頻領(lǐng)域中，信號(hào)頻率對(duì)PCB走線的阻抗值影響非常大。一般來(lái)說(shuō)當(dāng)數(shù)字信號(hào)邊沿時(shí)間小于1ns或者模擬信號(hào)頻率超過(guò)300M時(shí)就要考慮阻抗問(wèn)題。PCB走線阻抗主要來(lái)自寄生的電容、電阻、電感系數(shù)，主要因素有材料介電常數(shù)、線寬、線厚乃至焊盤的厚度等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆，USB、 LVDS、 HDMI、 SATA等一般要做85-100歐姆阻抗控制。

圖6 走線匹配阻抗

3、天線設(shè)計(jì)

研究天線阻抗的主要目的是為實(shí)現(xiàn)天線和饋線間的匹配。發(fā)射信號(hào)時(shí)應(yīng)使發(fā)射天線與饋線的特性阻抗相等，以獲得最好的信號(hào)增益。接收信號(hào)時(shí)天線與負(fù)載應(yīng)做共軛匹配，接收機(jī)（負(fù)載）阻抗一般認(rèn)為只有實(shí)數(shù)部分，因此需要用匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)除去天線的電抗部分并使它們的電阻部分相等。圖7為天線阻抗匹配時(shí)常用的π型網(wǎng)絡(luò)，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量阻抗以確定 C1、C2、C3 的取值，完成阻抗匹配。

圖7 π型電路

4、終端匹配電阻

在設(shè)計(jì)CAN總線、485總線時(shí)常需要在差分線兩端加終端電阻（匹配電阻），以減少由特性阻抗突變?cè)斐傻男盘?hào)反射。如下圖CAN總線網(wǎng)絡(luò)，雙絞線特性阻抗為120歐姆，若不加終端電阻兩端直接懸空，空氣的特性阻抗為無(wú)窮大。此時(shí)，極易出現(xiàn)圖4所示的信號(hào)反射。

圖8 CAN總線網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于CAN總線來(lái)說(shuō)，由于收發(fā)器對(duì)信號(hào)電平判斷的采樣點(diǎn)位置普遍靠后，因此信號(hào)反射一般不會(huì)影響通信錯(cuò)誤率。反射會(huì)影響產(chǎn)品的EMI特性，最直接的表現(xiàn)就是眼圖實(shí)驗(yàn)效果差，存在兩個(gè)異常凸起。

圖9 CAN總線眼圖

致遠(yuǎn)電子的 M6G2C-256LI 核心板，主要器件由 MPU、 DDR、 Flash、 power 四部分構(gòu)成，看似簡(jiǎn)單的架構(gòu)又是如何保證核心板的穩(wěn)定性呢？差分蛇形走線、等長(zhǎng)控制、阻抗匹配、 PCB 分層設(shè)計(jì)、高速信號(hào)參考地等設(shè)計(jì)來(lái)保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)合理性，再配合信號(hào)完整性、信號(hào)眼圖、信號(hào)脈沖等等儀器測(cè)試為產(chǎn)品穩(wěn)定性保駕護(hù)航。

圖10 M6G2C-256LI工業(yè)級(jí)核心板