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(jìn)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(dāng)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(dāng)然,這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因就是因?yàn)樽杩共黄ヅ?,因?yàn)橛蟹瓷湫盘杹砘胤磸棥?/p>
阻抗不匹配的現(xiàn)象例如圖1:
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)
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(jìn)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:
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(diǎn)的信號幅值為1V,信號從A點(diǎn)到B點(diǎn)后會發(fā)生反射,因?yàn)锽點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)第一次出現(xiàn)的電壓為2V。
B點(diǎn)處的反射信號1V返回A點(diǎn)后又會遇到阻抗突變,因?yàn)轵?qū)動器內(nèi)阻10R和傳輸線50R不相等,那么反射回B點(diǎn)的電壓為:1V*(-0.67)=-0.67V,-0.67V電壓又會到B點(diǎn),在B點(diǎn)遇到阻抗突變,又會出現(xiàn)全反射,-0.67V又反射回A點(diǎn),那么此時B點(diǎn)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(diǎn)波形在時間-幅度坐標(biāo)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?yàn)榇蚩?,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?fù)湫妥呔€。見圖5
圖5
菊花鏈走線或者Fly-by走線缺點(diǎn)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(shí)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(dāng)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(shí)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(diǎn)以及應(yīng)用的場合。
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