芯耀
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線路的特性阻抗是沿線路傳播的波前所看到的阻抗。驅(qū)動(dòng)器、傳輸線和負(fù)載之間的阻抗不匹配會引起反射，這些反射會在數(shù)字信號上表現(xiàn)為過沖和振鈴。PCB走線相對于其接地返回平面的幾何形狀將決定其特性阻抗。微帶線 - 位于接地（GND）平面或電源平面上方的PCB走線。其寬度、介質(zhì)厚度和介質(zhì)類型決定了特性阻抗。
頻率 < 100MHz，上升時(shí)間 > 1ns
對于這類應(yīng)用，我們不需要使用受控介電材料（FR4類型即可）。我們也不需要為了獲得50Ω阻抗而特別選擇走線厚度。然而，正確的端接是非常重要的。
下圖展示了通過PCB傳輸線傳輸數(shù)字信號的一些基本理論。當(dāng)信號路徑中存在阻抗不匹配時(shí)，傳輸線上會發(fā)生反射。為了避免反射，驅(qū)動(dòng)器的阻抗必須與PCB走線阻抗和負(fù)載阻抗匹配。
通常，負(fù)載是門電路的輸入，其阻抗實(shí)際上為無窮大，因此總是會發(fā)生全反射。驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)部阻抗Rd和外部端接電阻Rterm。外部端接電阻用于匹配PCB走線阻抗。如果Rd + Rterm與PCB走線阻抗匹配，則傳遞給負(fù)載的信號不會出現(xiàn)過沖或下沖。如果Rd + Rterm小于走線阻抗，則會出現(xiàn)過沖；如果大于走線阻抗，則會出現(xiàn)下沖。
“反射圖”是一種用于計(jì)算傳輸線反射的方法，以便我們可以預(yù)測傳遞給負(fù)載的波形。讓我們以一個(gè)存在過沖的系統(tǒng)為例，來繪制一個(gè)反射圖。在此示例中，向傳輸線施加5V階躍信號，且Rd + Rterm為20歐姆。
在驅(qū)動(dòng)器端計(jì)算的反射系數(shù)γ為-0.429，在接收器端為1.0。接收器端的反射系數(shù)通常為1.0，因?yàn)槠鋵?shí)際上相當(dāng)于開路，會完全反射波形。當(dāng)首次施加5V階躍信號時(shí)，會在驅(qū)動(dòng)器阻抗和走線阻抗之間形成一個(gè)分壓器，使得PCB走線上的信號為3.75V。根據(jù)走線長度，信號需要一段時(shí)間才能到達(dá)接收器。
當(dāng)信號到達(dá)接收器時(shí)，會發(fā)生100%的反射，接收器端初始看到的信號為7.14V。反射信號返回驅(qū)動(dòng)器端，由于阻抗不匹配，會以-0.429的反射系數(shù)再次反射。這個(gè)反射信號再次返回接收器，導(dǎo)致信號下降到4.08V。
這個(gè)過程會持續(xù)進(jìn)行，您會看到所示的輸出波形。如果使用匹配阻抗進(jìn)行相同的計(jì)算，則不會看到任何過沖。如果使用非常大的端接電阻，則會看到下沖?，F(xiàn)在，讓我們來看一個(gè)簡單的計(jì)算器，它可以自動(dòng)進(jìn)行這種計(jì)算。
下圖展示了如何使用模擬工程師計(jì)算器來預(yù)測反射。在此示例中，輸入了長度、介電常數(shù)和介質(zhì)厚度。同時(shí)，還提供了信號頻率、幅度和端接阻抗，用于預(yù)測反射。調(diào)整計(jì)算器的參數(shù)是一種快速且簡單的方法，可以幫助我們直觀地了解傳輸線的工作原理。在此示例中，我們使用計(jì)算器，并根據(jù)實(shí)際PCB板的規(guī)格進(jìn)行了測量實(shí)驗(yàn)?？梢钥吹?，測量結(jié)果與預(yù)測結(jié)果非常相似，但并不完全匹配。接下來我們將總結(jié)多個(gè)與調(diào)整端接阻抗相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。
下圖展示了對傳輸線的測量結(jié)果，其中端接電阻在一個(gè)較大范圍內(nèi)進(jìn)行了調(diào)整。測試電路的原理圖位于使用74LVC1G34門電路作為發(fā)射器和接收器。一條線（稱為干擾線）由3.3V、10MHz的方波驅(qū)動(dòng)。另一條線（稱為受害線）由邏輯低電平驅(qū)動(dòng)。干擾線會在受害線上引起串?dāng)_。在本實(shí)驗(yàn)中，我們將觀察兩條走線之間的過沖和串?dāng)_。
理論上，當(dāng)端接電阻加上驅(qū)動(dòng)器阻抗等于走線阻抗時(shí)，過沖應(yīng)為零。該走線的計(jì)算阻抗約為66歐姆。假設(shè)驅(qū)動(dòng)器阻抗為10歐姆，則端接電阻應(yīng)為56歐姆。通過觀察示波器波形，可以看到，當(dāng)端接電阻為零歐姆時(shí)，存在大量的過沖和振鈴。
50歐姆的端接電阻具有非常快的上升時(shí)間，但沒有顯著的過沖。100歐姆的端接電阻具有較慢的上升時(shí)間。圖表總結(jié)了在大范圍端接電阻下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)算得出的走線阻抗大致正確，因?yàn)?0歐姆的端接電阻產(chǎn)生了最佳結(jié)果。
之前我們提到，在射頻（RF）系統(tǒng)中，上升時(shí)間非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了方波會產(chǎn)生多少高頻噪聲。端接電阻將直接影響信號的上升時(shí)間。對于較小的端接電阻，信號會快速上升，并且會出現(xiàn)過沖和振鈴。對于這個(gè)電路，零歐姆阻抗的上升時(shí)間約為1納秒。當(dāng)端接電阻與特性阻抗良好匹配時(shí)，上升時(shí)間也會很快，但不會出現(xiàn)過沖和振鈴。對于這個(gè)電路，50歐姆阻抗的上升時(shí)間約為2納秒。對于非常大的阻抗，下沖會降低上升時(shí)間。在這種情況下，100歐姆阻抗的上升時(shí)間為6納秒。
下圖是上升時(shí)間與射頻輻射之間的關(guān)系，是使用射頻嗅探探針測量的輻射發(fā)射情況。下圖所示電路的發(fā)射情況分別在0歐姆、50歐姆和100歐姆端接電阻下進(jìn)行了測量。增加端接電阻會增加上升時(shí)間，從而降低射頻輻射。
在0歐姆、50歐姆和100歐姆端接電阻下，上升時(shí)間分別為1納秒、2.2納秒和6納秒。對于1納秒的上升時(shí)間，噪聲峰值為-15dBm。對于2.2納秒的上升時(shí)間，噪聲降低至-20dBm，而對于6納秒的上升時(shí)間，噪聲進(jìn)一步降低至-35dBm。因此，僅通過改變端接電阻，就使整體噪聲降低了20dB，即降低了10倍。
關(guān)于端接阻抗，最后還有一點(diǎn)需要考慮。為了獲得最佳效果，端接阻抗應(yīng)靠近驅(qū)動(dòng)器放置。目標(biāo)是匹配門電路輸出端的阻抗不連續(xù)性，而不是傳輸線末端的阻抗。請記住，接收器是高阻抗的，因此將端接串聯(lián)在開路電路中并沒有幫助。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們比較了當(dāng)端接放置在傳輸線的正確一側(cè)和錯(cuò)誤一側(cè)時(shí)的過沖和振鈴情況。測量結(jié)果顯示，將端接放置在傳輸線的錯(cuò)誤一側(cè)會使過沖增加一倍以上。因此，請務(wù)必小心，將端接放置在靠近驅(qū)動(dòng)器的位置。
Tips：一些關(guān)于阻抗匹配常見的問題及回答
1、為什么端接電阻太小產(chǎn)生大的過沖和振鈴？
回答：在信號傳輸過程中，當(dāng)信號感受到阻抗的變化時(shí)，就會發(fā)生信號的反射。端接電阻的主要作用之一是進(jìn)行阻抗匹配，以減少或消除這種反射。如果端接電阻太小，它就無法有效地匹配信號源和傳輸線之間的阻抗，從而導(dǎo)致信號在傳輸過程中遇到阻抗不連續(xù)的地方時(shí)發(fā)生反射。反射信號可能會與原信號疊加在一起，形成衰減、畸變等現(xiàn)象。當(dāng)反射信號與原信號疊加時(shí)，可能會導(dǎo)致信號的電平在短時(shí)間內(nèi)超過其穩(wěn)態(tài)值，產(chǎn)生過沖現(xiàn)象。此外，如果阻抗不匹配的點(diǎn)不止一個(gè)，信號則會在多個(gè)點(diǎn)之間來回反射，形成振鈴現(xiàn)象。振鈴表現(xiàn)為輸出信號在過沖之后并不立即穩(wěn)定下來，而是像鐘擺一樣來回?cái)[動(dòng)若干個(gè)周期，直至逐漸衰減至最終穩(wěn)態(tài)值。
2、為什么端接電阻不可以放置在傳輸線上的任何位置以進(jìn)行阻抗匹配？
回答：阻抗匹配的目的是減少或消除信號在傳輸過程中的反射，確保信號能夠穩(wěn)定、高效地傳輸。通過阻抗匹配，可以使信號源、傳輸線和負(fù)載之間的阻抗保持一致，從而避免信號在遇到阻抗不連續(xù)點(diǎn)時(shí)發(fā)生反射。端接電阻是實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的重要手段之一。它通過改變傳輸線末端的阻抗，使其與信號源或負(fù)載的阻抗相匹配，從而減少反射。如果將端接電阻放置在傳輸線的中間位置，它無法有效地改變信號源或負(fù)載的阻抗，因此無法實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。此外，端接電阻的放置位置還會影響信號的傳輸質(zhì)量和效率。例如，如果端接電阻放置得離信號源或負(fù)載太遠(yuǎn)，信號在傳輸過程中可能會遇到多個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)，導(dǎo)致反射和信號失真。
