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教程:阻抗不匹配的現象及解決辦法

2022-12-30
來源:航科電子可靠性

  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,信號在上面傳播時,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,振鈴現象,這些都屬于信號完整性的問題。當然,這些現象產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:為了維持系統的平衡,邊界處不可能出現電壓不連續,否則會出現一個無限大的電場,也不可能出現電流不連續,否則會先交界面出產生凈電荷。

  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

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。

  交界面兩側電壓相同的條件為:Vinc+Vrefl=Vtrans

  交界面兩側電流相同的條件為:Iinc-Irefl=Itrans

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

  一下:

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

  Z1=V1/I1 ,Z2=V2/I2,那么如果出現了阻抗突變,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。為了繼續保持這種系統平衡,就出現了反射電壓。

  以上我就把為什么出現振鈴的原因,為什么出現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為驅動器內阻,我們常見的驅動器內部一般都是TTL電路,它的內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。

  我們入射信號為1V,即A點的信號幅值為1V,信號從A點到B點后會發生反射,因為B點處出現了阻抗突變,傳輸線為50R,終端為無窮大,因此發生了全反射,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,因為驅動器內阻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,就會發現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這種現象的時候,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,這個就需要根據自己實際問題去選擇。

  走線不要出現直角,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,就當是做初中數學題了。

  硬件工程師:加端接電阻

  端接電阻:有5種(源端串聯端接、終端并聯端接、戴維南并聯、RC端接、二極管端接)。我在工作中比較常用的是源端串聯端接,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,各自的特點以及應用的場合。



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