直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配、信號完整性問題分析
2017-7-23 12:31:01??????點(diǎn)擊：
信號傳輸過程中負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗和信源內(nèi)直流穩(wěn)壓電源阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出直流穩(wěn)壓電源阻抗和所連接的負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設(shè)備互連來說，例如信號源連放大器，前級連后級，只要后一級的輸入直流穩(wěn)壓電源阻抗大于前一級的輸出直流穩(wěn)壓電源阻抗5-10倍以上，就可認(rèn)為直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機(jī)應(yīng)選用與其輸出端標(biāo)稱直流穩(wěn)壓電源阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無此限制，可以接任何直流穩(wěn)壓電源阻抗的音箱。
匹配條件
①負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗等于信源內(nèi)直流穩(wěn)壓電源阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時在負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。
②負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗等于信源內(nèi)直流穩(wěn)壓電源阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。這時在負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗上可以得到最大功率。這種匹配條件稱為共軛匹配。如果信源內(nèi)直流穩(wěn)壓電源阻抗和負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件是等同的。
直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配是指負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗與激勵源內(nèi)部直流穩(wěn)壓電源阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的直流穩(wěn)壓電源電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻直流穩(wěn)壓電源電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。
當(dāng)激勵源內(nèi)直流穩(wěn)壓電源阻抗和負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗含有電抗成份時，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。
直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配（Impedance matching）是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來達(dá)至所有高頻的微波信號皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的，不會有信號反射回來源點(diǎn)，從而提升能源效益。史密夫圖表上。電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即可增加或減少負(fù)載的直流穩(wěn)壓電源阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重覆以上方法直至電阻值變成1，即可直接把直流穩(wěn)壓電源阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/span>
共軛匹配
在信號源給定的情況下，輸出功率取決于負(fù)載電阻與信號源內(nèi)阻之比K，當(dāng)兩者相等，即K=1時，輸出功率最大。然而直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配的概念可以推廣到交流直流穩(wěn)壓電源電路，當(dāng)負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗與信號源直流穩(wěn)壓電源阻抗共軛時，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸，如果負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗不滿足共軛匹配的條件，就要在負(fù)載和信號源之間加一個直流穩(wěn)壓電源阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，將負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗變換為信號源直流穩(wěn)壓電源阻抗的共軛，實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配。
匹配分類
大體上，直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配有兩種，一種是透過改變直流穩(wěn)壓電源阻抗力（lumped-circuit matching），另一種則是調(diào)整傳輸線的波長（transmission line matching）。
要匹配一組線路，首先把負(fù)載點(diǎn)的直流穩(wěn)壓電源阻抗值除以傳輸線的特性直流穩(wěn)壓電源阻抗值來歸一化，然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。
1. 改變直流穩(wěn)壓電源阻抗力
把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即可增加或減少負(fù)載的直流穩(wěn)壓電源阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重復(fù)以上方法直至電阻值變成1，即可直接把直流穩(wěn)壓電源阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/span>
2. 調(diào)整傳輸線
由負(fù)載點(diǎn)至來源點(diǎn)加長傳輸線，在圖表上的圓點(diǎn)會沿著圖中心以逆時針方向走動，直至走到電阻值為1的圓圈上，即可加電容或電感把直流穩(wěn)壓電源阻抗力調(diào)整為零，完成匹配。
直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配則傳輸功率大，對于一個直流穩(wěn)壓電源來講，單它的內(nèi)阻等于負(fù)載時，輸出功率最大，此時直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無反射波。對于普通的寬頻放大器，輸出直流穩(wěn)壓電源阻抗50Ω，功率傳輸直流穩(wěn)壓電源電路中需要考慮直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配，可是如果信號波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長度，即纜長可以忽略的話，就無須考慮直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配了。直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配是指在能量傳輸時，要求負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗要和傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗相等，此時的傳輸不會產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負(fù)載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速PCB布線時，為了防止信號的反射，要求是線路的直流穩(wěn)壓電源阻抗為50歐姆。這是個大約的數(shù)字，一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對絞線則為 100歐姆，只是取個整而已，為了匹配方便。
何為直流穩(wěn)壓電源阻抗
直流穩(wěn)壓電源阻抗是電阻與電抗在向量上的和。高頻直流穩(wěn)壓電源電路的直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配由于高頻功率放大器工作于非線性狀態(tài)，所以線性直流穩(wěn)壓電源電路和直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配（即：負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗與直流穩(wěn)壓電源內(nèi)阻相等）這一概念不能適用于它。因?yàn)樵诜蔷€性（如：丙類）工作的時候，電子器件的內(nèi)阻變動劇烈：通流的時候，內(nèi)阻很小；截止的時候，內(nèi)阻接近無窮大。因此輸出電阻不是常數(shù)。所以所謂匹配的時候內(nèi)阻等于外阻，也就失去了意義。因此，高頻功率放大的直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配概念是：在給定的直流穩(wěn)壓電源電路條件下，改變負(fù)載回路的可調(diào)元件，使電子器件送出額定的輸出功率至負(fù)載。這就叫做達(dá)到了匹配狀態(tài)。
怎樣理解直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配
直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。
我們先從直流電壓源驅(qū)動一個負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個實(shí)際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R，直流穩(wěn)壓電源電動勢為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流過電阻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。再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為：
P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)
=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r]
=U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}
對于一個給定的信號源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R]，當(dāng)R=r時，[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0，這時負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U*U/(4*r)。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號源內(nèi)阻相等時，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配之一。對于純電阻直流穩(wěn)壓電源電路，此結(jié)論同樣適用于低頻直流穩(wěn)壓電源電路及高頻直流穩(wěn)壓電源電路。當(dāng)交流直流穩(wěn)壓電源電路中含有容性或感性直流穩(wěn)壓電源阻抗時，結(jié)論有所改變，就是需要信號源與負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共厄匹配。在低頻直流穩(wěn)壓電源電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號的波長相對于傳輸線來說很長，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，則選擇跟信號源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時直流穩(wěn)壓電源阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來的性能，這時我們也會叫做直流穩(wěn)壓電源阻抗失配。
在高頻直流穩(wěn)壓電源電路中，我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗跟負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗不匹配（相等）時，在負(fù)載端就會產(chǎn)生反射。為什么直流穩(wěn)壓電源阻抗不匹配時會產(chǎn)生反射以及特征直流穩(wěn)壓電源阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細(xì)說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗（也叫做特性直流穩(wěn)壓電源阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關(guān)。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性直流穩(wěn)壓電源阻抗為75歐，而一些射頻設(shè)備上則常用特征直流穩(wěn)壓電源阻抗為50歐的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性直流穩(wěn)壓電源阻抗為300歐的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入直流穩(wěn)壓電源阻抗為75歐，所以300歐的饋線將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個問題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機(jī)的附件中，有一個300歐到75歐的直流穩(wěn)壓電源阻抗轉(zhuǎn)換器（一個塑料包裝的，一端有一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那么大的）？它里面其實(shí)就是一個傳輸線變壓器，將300歐的直流穩(wěn)壓電源阻抗，變換成75歐的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，特性直流穩(wěn)壓電源阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，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)載直流穩(wěn)壓電源阻抗跟傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配。如果直流穩(wěn)壓電源阻抗不匹配會有什么不良后果呢？如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率;會在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強(qiáng)，有些地方信號弱），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。如果是直流穩(wěn)壓電源電路板上的高速信號線與負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗不匹配時，會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。
當(dāng)直流穩(wěn)壓電源阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來做直流穩(wěn)壓電源阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說的電視機(jī)中的那個例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻直流穩(wěn)壓電源電路時常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動器的直流穩(wěn)壓電源阻抗比較低，可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入直流穩(wěn)壓電源阻抗則比較高，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。
為了幫助大家理解直流穩(wěn)壓電源阻抗不匹配時的反射問題，我來舉兩個例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感覺很舒服。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，你的手可能就會受不了了——這就是負(fù)載過重的情況，會產(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，則可能會撲空，手也可能會受不了——這就是負(fù)載過輕的情況。另一個例子，不知道大家有沒有過這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時上/下樓梯，當(dāng)你以為還有樓梯時，就會出現(xiàn)“負(fù)載不匹配”這樣的感覺了。當(dāng)然，也許這樣的例子不太恰當(dāng)，但我們可以拿它來理解負(fù)載不匹配時的反射情況。
高速PCB設(shè)計(jì)中的直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配（資料整理）
直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配
直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配是指在能量傳輸時，要求負(fù)載直流穩(wěn)壓電源阻抗要和傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗相等，此時的傳輸不會產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負(fù)載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。在高速PCB設(shè)計(jì)中，直流穩(wěn)壓電源阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量優(yōu)劣。
PCB走線什么時候需要做直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配？
不主要看頻率，而關(guān)鍵是看信號的邊沿陡峭程度，即信號的上升/下降時間，一般認(rèn)為如果信號的上升/下降時間（按10%～90%計(jì)）小于6倍導(dǎo)線延時，就是高速信號，必須注意直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配的問題。導(dǎo)線延時一般取值為150ps/inch。
特征直流穩(wěn)壓電源阻抗
信號沿傳輸線傳播過程當(dāng)中，如果傳輸線上各處具有一致的信號傳播速度，并且單位長度上的電容也一樣，那么信號在傳播過程中總是看到完全一致的瞬間直流穩(wěn)壓電源阻抗。由于在整個傳輸線上直流穩(wěn)壓電源阻抗維持恒定不變，我們給出一個特定的名稱，來表示特定的傳輸線的這種特征或者是特性，稱之為該傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗。特征直流穩(wěn)壓電源阻抗是指信號沿傳輸線傳播時，信號看到的瞬間直流穩(wěn)壓電源阻抗的值。特征直流穩(wěn)壓電源阻抗與PCB導(dǎo)線所在的板層、PCB所用的材質(zhì)（介電常數(shù)）、走線寬度、導(dǎo)線與平面的距離等因素有關(guān)，與走線長度無關(guān)。特征直流穩(wěn)壓電源阻抗可以使用軟件計(jì)算。高速PCB布線中，一般把數(shù)字信號的走線直流穩(wěn)壓電源阻抗設(shè)計(jì)為50歐姆，這是個大約的數(shù)字。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100歐姆。
常見直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配的方式
1、串聯(lián)終端匹配
在信號源端直流穩(wěn)壓電源阻抗低于傳輸線特征直流穩(wěn)壓電源阻抗的條件下，在信號的源端和傳輸線之間串接一個電阻R，使源端的輸出直流穩(wěn)壓電源阻抗與傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗相匹配，抑制從負(fù)載端反射回來的信號發(fā)生再次反射。
匹配電阻選擇原則：匹配電阻值與驅(qū)動器的輸出直流穩(wěn)壓電源阻抗之和等于傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗。常見的CMOS和TTL驅(qū)動器，其輸出直流穩(wěn)壓電源阻抗會隨信號的電平大小變化而變化。因此，對TTL或CMOS直流穩(wěn)壓電源電路來說，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配，所有的負(fù)載必須接到傳輸線的末端。
串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小，不會給驅(qū)動器帶來額外的直流負(fù)載，也不會在信號和地之間引入額外的直流穩(wěn)壓電源阻抗，而且只需要一個電阻元件。
常見應(yīng)用：一般的CMOS、TTL直流穩(wěn)壓電源電路的直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配。USB信號也采樣這種方法做直流穩(wěn)壓電源阻抗匹配。
2、并聯(lián)終端匹配
在信號源端直流穩(wěn)壓電源阻抗很小的情況下，通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入直流穩(wěn)壓電源阻抗與傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。實(shí)現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。
匹配電阻選擇原則：在芯片的輸入直流穩(wěn)壓電源阻抗很高的情況下，對單電阻形式來說，負(fù)載端的并聯(lián)電阻值必須與傳輸線的特征直流穩(wěn)壓電源阻抗相近或相等；對雙電阻形式來說，每個并聯(lián)電阻值為傳輸線特征直流穩(wěn)壓電源阻抗的兩倍。
并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，顯而易見的缺點(diǎn)是會帶來直流功耗：單電阻方式的直流功耗與信號的占空比緊密相關(guān)；雙電阻方式則無論信號是高電平還是低電平都有直流功耗，但電流比單電阻方式少一半。
常見應(yīng)用：以高速信號應(yīng)用較多。
（1）DDR、DDR2等SSTL驅(qū)動器。采用單電阻形式，并聯(lián)到VTT（一般為IOVDD的一半）。其中DDR2數(shù)據(jù)信號的并聯(lián)匹配電阻是內(nèi)置在芯片中的。
（2）TMDS等高速串行數(shù)據(jù)接口。采用單電阻形式，在接收設(shè)備端并聯(lián)到IOVDD，單端直流穩(wěn)壓電源阻抗為50歐姆（差分對間為100歐姆）。
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