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教程:阻抗不匹配的現(xiàn)象及解決辦法

2022-12-30
來源:航科電子可靠性
關(guān)鍵詞: 傳輸線 信號完整性 阻抗

  將阻抗匹配之前,先給大家引入幾個名詞:

  傳輸線:由兩條有一定長度的導(dǎo)線組成,,比如同軸電纜,、微帶線、帶狀線(PCB板子中的銅走線)等等,。

  均勻傳輸線:如果導(dǎo)線上任一處的橫截面都相同,比如同軸電纜,這樣的傳輸線為均勻傳輸線,,即阻抗處處相等。

  瞬時阻抗:信號從在傳輸線上進行傳輸時,,電流經(jīng)過每一個地方所受到的阻抗為瞬時阻抗,,對于均勻傳輸線,當材料相同,,橫截面積相同,,則信號受到的瞬時阻抗也是恒定的。

  特性阻抗:對于均勻傳輸線,,信號在上面?zhèn)鞑r,,在任何一處受到的瞬時阻抗都是相同的,這個瞬時阻抗稱為傳輸線的特性阻抗,。

  傳輸線的時延TD:通俗易懂的理解為信號從傳輸線的源端到終端所用的時間

  以上基本概念介紹完了,,我們開始步入正題,。

  我們大家在測試信號波形中遇到很多過沖,下沖,,振鈴現(xiàn)象,,這些都屬于信號完整性的問題。當然,,這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因就是因為阻抗不匹配,,因為有反射信號來回反彈。

  阻抗不匹配的現(xiàn)象例如圖1:

115.JPG

  圖1

  那小編想問一下大家:為什么有反射信號,?

  根本原因:為了維持系統(tǒng)的平衡,,邊界處不可能出現(xiàn)電壓不連續(xù),否則會出現(xiàn)一個無限大的電場,,也不可能出現(xiàn)電流不連續(xù),,否則會先交界面出產(chǎn)生凈電荷。

  下圖2中:

  Z1:左邊的阻抗   Z2:右邊的阻抗

  Vinc:入射信號

  Vtrans:穿過交界面的傳輸信號

  Vrefl:反射信號

  其中,,ρ為反射系數(shù)

114.JPG

  圖2

  信號在傳輸過程中,,如果遇到了阻抗不匹配,如圖2則會出現(xiàn)反射信號,,入射信號的一部分穿過突變處進入Z2,,一部分反射回源端。

  交界面兩側(cè)電壓相同的條件為:Vinc+Vrefl=Vtrans

  交界面兩側(cè)電流相同的條件為:Iinc-Irefl=Itrans

  那么為什么我上面提到:出現(xiàn)阻抗突變時,,為什么會出現(xiàn)反射信號,,我們用公式來證明

  一下:

  假如沒有產(chǎn)生反射電壓,并且要保持電壓電流連續(xù),,是不是會有V1=V2,,I1=I2

  Z1=V1/I1 ,Z2=V2/I2,,那么如果出現(xiàn)了阻抗突變,,即阻抗不匹配,那么Z1≠Z2,,那么此時V1還等于V2嗎?I1還等于I2嗎,?顯然,,肯定不相等。為了繼續(xù)保持這種系統(tǒng)平衡,,就出現(xiàn)了反射電壓,。

  以上我就把為什么出現(xiàn)振鈴的原因,為什么出現(xiàn)反射信號的原因解釋清楚了,。

  小編還想給大家從原理上分析一下為什么會出現(xiàn)圖1中的忽高忽低的波形,。

  先給大家上一個反彈圖,,如圖4:

113.JPG

  圖4

  圖4中10R為驅(qū)動器內(nèi)阻,我們常見的驅(qū)動器內(nèi)部一般都是TTL電路,,它的內(nèi)阻或者說輸出電阻很小,,一般十幾歐姆。

  圖4中50R為傳輸線的特性阻抗,,就是說傳輸線上阻抗處處為50R

  圖4中R=-0.67,,指的是信號從末端反射回源端的反射系數(shù)R=10-50/10+50=-0.67

  圖4中R=1,此圖是我們沒有加任何端接電阻,末端我們理解為開路,,即阻抗無窮大,。

  R=無窮/無窮=1,即全反射,。

  我們?nèi)肷湫盘枮?V,,即A點的信號幅值為1V,信號從A點到B點后會發(fā)生反射,,因為B點處出現(xiàn)了阻抗突變,,傳輸線為50R,終端為無窮大,,因此發(fā)生了全反射,,那么B點電壓=入射信號+反射信號,其中反射信號為1V*R(R=1)=1V,,入射信號為1V,,那么B點第一次出現(xiàn)的電壓為2V。

  B點處的反射信號1V返回A點后又會遇到阻抗突變,,因為驅(qū)動器內(nèi)阻10R和傳輸線50R不相等,,那么反射回B點的電壓為:1V*(-0.67)=-0.67V,-0.67V電壓又會到B點,,在B點遇到阻抗突變,,又會出現(xiàn)全反射,-0.67V又反射回A點,,那么此時B點電壓為:Vb=之前的2V+反射電壓+入射電壓=2-0.67-0.67=0.66V,,以此類推。

  大家將Vb點波形在時間-幅度坐標中畫一下,,就會發(fā)現(xiàn)為什么振鈴是忽高忽低的波形了,。就是這個反射信號的原因。

  那么接下來我就給大家講一下出現(xiàn)這種現(xiàn)象的時候,,怎么解決,,或者通常有幾種解決方法。

  Layou工程師解決+硬件工程師解決

  Layout工程師能在盡可能優(yōu)化的前提下:走線時盡量少打孔以及換層走線,,因為打孔,,就一定會出現(xiàn)阻抗不匹配,,并且走線的時候盡量走Fly-by或者菊花鏈拓撲型走線。見圖5

112.JPG

  圖5

  菊花鏈走線或者Fly-by走線缺點就是不容易做等長,,比如DDR走線,,T型容易做等長,這個就需要根據(jù)自己實際問題去選擇,。

  走線不要出現(xiàn)直角,,銳角,這個為什么不能這樣干,,這兩種方式走線,,在拐角處一定會出現(xiàn)阻抗不匹配,大家在紙上畫一下就很容易理解,,就當是做初中數(shù)學(xué)題了,。

  硬件工程師:加端接電阻

  端接電阻:有5種(源端串聯(lián)端接、終端并聯(lián)端接,、戴維南并聯(lián),、RC端接、二極管端接),。我在工作中比較常用的是源端串聯(lián)端接,,RC端接,二極管端接,。我們大家可能最常用的其實就是第一種,,下期給大家講一下這五種端接方法,各自的特點以及應(yīng)用的場合,。



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