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什么是阻抗?
具有電阻、電感和電容的電路里,對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成,但不是三者簡單相加。如果三者是串聯(lián)的,又知道交流電的頻率f、電阻R、電感L和電容C,那么串聯(lián)電路的阻抗
阻抗的單位是歐。
對于一個具體電路,阻抗不是不變的,而是隨著頻率變化而變化。在電阻、電感和電容串聯(lián)電路中,電路的阻抗一般來說比電阻大。也就是阻抗減小到最小值。在電感和電容并聯(lián)電路中,諧振的時(shí)候阻抗增加到最大值,這和串聯(lián)電路相反。
阻抗匹配在高頻設(shè)計(jì)中是一個常用的概念,這篇文章對這個“阻抗匹配”進(jìn)行了比較好的解析?;卮鹆耸裁词亲杩蛊ヅ洹?br />
阻抗匹配(Impedancematching)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。
大體上,阻抗匹配有兩種,一種是透過改變阻抗力(lumped-circuitmatching),另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(transmissionlinematching)。要匹配一組線路,首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值,除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化,然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。
改變阻抗力
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,即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?br />
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(shí)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阻抗力調(diào)整為零,完成匹配。
阻抗匹配則傳輸功率大,對于一個電源來講,單它的內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí),輸出功率最大,此時(shí)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,輸出阻抗50Ω,功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配,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,就無須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí),要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時(shí)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(shí),為了防止信號的反射,要求是線路的阻抗為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。
阻抗從字面上看就與電阻不一樣,其中只有一個阻字是相同的,而另一個抗字呢?簡單地說,阻抗就是電阻加電抗,所以才叫阻抗;周延一點(diǎn)地說,阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中,物體對電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質(zhì)都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱作良導(dǎo)體,電阻很大的物質(zhì)稱作非導(dǎo)體,而最近在高科技領(lǐng)域中稱的超導(dǎo)體,則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會阻礙電流以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,這種作用就稱之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗,簡稱容抗及感抗。它們的計(jì)量單位與電阻一樣是奧姆,而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系,頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題,具有向量上的關(guān)系式,因此才會說:阻抗是電阻與電抗在向量上的和。
阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路,匹配條件是不一樣的。
在純電阻電路中,當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時(shí),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)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí),為使負(fù)載得到最大功率,負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系,即電阻成份相等,電抗成份只數(shù)值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。
一、阻抗匹配的研究
在高速的設(shè)計(jì)中,阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量優(yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說是豐富多樣,但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用,需要衡量多個方面的因素。例如我們在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)中,很多采用的都是源段的串連匹配。對于什么情況下需要匹配,采用什么方式的匹配,為什么采用這種方式。
例如:差分的匹配多數(shù)采用終端的匹配;時(shí)鐘采用源段匹配;
1、串聯(lián)終端匹配
串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下,在信號的源端和傳輸線之間串接一個電阻R,使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,抑制從負(fù)載端反射回來的信號發(fā)生再次反射.
串聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點(diǎn):
A、由于串聯(lián)匹配電阻的作用,驅(qū)動信號傳播時(shí)以其幅度的50%向負(fù)載端傳播;
B、信號在負(fù)載端的反射系數(shù)接近+1,因此反射信號的幅度接近原始信號幅度的50%。
C、反射信號與源端傳播的信號疊加,使負(fù)載端接受到的信號與原始信號的幅度近似相同;
D、負(fù)載端反射信號向源端傳播,到達(dá)源端后被匹配電阻吸收;?
E、反射信號到達(dá)源端后,源端驅(qū)動電流降為0,直到下一次信號傳輸。
相對并聯(lián)匹配來說,串聯(lián)匹配不要求信號驅(qū)動器具有很大的電流驅(qū)動能力。
選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡單,就是要求匹配電阻值與驅(qū)動器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號驅(qū)動器的輸出阻抗為零,實(shí)際的驅(qū)動器總是有比較小的輸出阻抗,而且在信號的電平發(fā)生變化時(shí),輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為+4.5V的CMOS驅(qū)動器,在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為37Ω,在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為45Ω;TTL驅(qū)動器和CMOS驅(qū)動一樣,其輸出阻抗會隨信號的電平大小變化而變化。因此,對TTL或CMOS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。否則,接到傳輸線中間的負(fù)載接受到的波形就會象圖3.2.5中C點(diǎn)的電壓波形一樣??梢钥闯?,有一段時(shí)間負(fù)載端信號幅度為原始信號幅度的一半。顯然這時(shí)候信號處在不定邏輯狀態(tài),信號的噪聲容限很低。
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阻抗;而且只需要一個電阻元件。
2、并聯(lián)終端匹配
并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號源端阻抗很小的情況下,通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,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。
并聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點(diǎn):