為什么訊號(hào)需要阻抗匹配

近年來(lái)，AI世代帶動(dòng)高速傳輸快速發(fā)展，現(xiàn)在到下個(gè)世代都見(jiàn)到越來(lái)越多的高速線導(dǎo)入設(shè)計(jì)，線纜行業(yè)整體加速步入高頻高速時(shí)代，隨著PCIE，MCIO，SAS，SlimSAS，MiniSASHD等高速線材的強(qiáng)大需求，這是線纜行業(yè)不可多得的商機(jī)。當(dāng)然隨之而來(lái)對(duì)高速線纜的高頻測(cè)試要求也越來(lái)越高！ 隨著近幾年來(lái)對(duì)速率的要求快速提高，串行總線由于有更好的抗干擾性和更少的信號(hào)線、更高的數(shù)據(jù)率而受到眾多高速銅纜設(shè)計(jì)者的青睞。而其中串行總線又尤以差分信號(hào)的方式最多，差分信號(hào)與普通的單信號(hào)走線相比有3個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：抗干擾能力強(qiáng)；能有效抑制EMI；時(shí)序定位精確，所以越來(lái)越多的系統(tǒng)采用差分信號(hào)進(jìn)行接收與傳輸。 差分信號(hào)的傳輸需要一對(duì)傳輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么這對(duì)傳輸線又叫做差分對(duì)。能夠用單端傳輸線組成差分對(duì)的兩條傳輸線。和單端傳輸線相類(lèi)似，差分對(duì)傳輸有多種多樣的橫截面形狀。下圖我們列舉了最常見(jiàn)的幾種截面幾何外形。

差分傳輸之所以能夠抗干擾，這是因?yàn)閷?duì)兩個(gè)單端信號(hào)進(jìn)行差分檢測(cè)的時(shí)候，其噪聲有可能會(huì)抵消。只要外界對(duì)差分對(duì)中兩個(gè)單端信號(hào)上的干擾基本一致，就不會(huì)影響差分信號(hào)的傳輸。所以無(wú)論采取何種走線方式，關(guān)鍵是要控制兩條傳輸線周?chē)h(huán)境基本一致，并盡量減少其他信號(hào)干擾。理想情況下，差分信號(hào)是正負(fù)對(duì)稱(chēng)的，其共模份量為零或者只有直流份量，如下圖1所示。如果差分線的正負(fù)傳輸線長(zhǎng)度不等，造成傳輸時(shí)間不一致，實(shí)際上就是信號(hào)在時(shí)間軸上的不對(duì)稱(chēng)，在終端負(fù)載電阻上就能觀察到圖2所示的波形。顯然此時(shí)的正負(fù)波形不能?chē)?yán)格對(duì)稱(chēng)，差分電路中的正負(fù)電流無(wú)法抵消，于是其電源中就有共模電流份量在流動(dòng)。如果研究過(guò)EMI的人都知道，共模輻射是最難對(duì)付的。

圖1

所以差分信號(hào)的阻抗匹配也就成為一個(gè)非常重要的問(wèn)題，目前，一般有兩種不同匹配的方式，即分別并聯(lián)匹配和單電阻跨接匹配。在通信過(guò)程中，有兩種原因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)或者不匹配，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到阻抗不匹配，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。一旦產(chǎn)生反射，將會(huì)對(duì)需要的信號(hào)造成不同程度的影響，因此，應(yīng)盡最大努力去消除這種反射，其中的一種方法，就是讓終端電阻完全匹配。消除了反射，傳輸線上的能量就能全部被負(fù)載吸收，不再產(chǎn)生反射。那么，究竟是什么原因引起發(fā)射，為什么遇到阻抗不匹配時(shí)會(huì)發(fā)生反射呢？

無(wú)耦合時(shí)的差分阻抗

假設(shè)兩條傳輸線相隔足夠遠(yuǎn)，比如兩線相隔距離至少是線寬的兩倍，兩條線之間的相互作用就不明顯了，這就是無(wú)耦合的情況。如果一個(gè)差分信號(hào)沿差分對(duì)傳輸?shù)竭_(dá)接收終端，那么終端的差分阻抗非常大，差分信號(hào)將會(huì)反射回源端。這種多次反射就會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響信號(hào)質(zhì)量。下圖所示的就是一個(gè)差分線末端出現(xiàn)的模擬差分信號(hào)。振鈴的出現(xiàn)是由于差分信號(hào)在低阻抗的驅(qū)動(dòng)器和高阻抗的線端之間的多重反彈。圖中差分對(duì)互連末端沒(méi)有端接，并且差分對(duì)之間沒(méi)有耦合，下圖為差分電路和差分線對(duì)的遠(yuǎn)端接收信號(hào)。

消除反射的一種方法就是在兩條信號(hào)線的末端跨接一個(gè)端接電阻來(lái)匹配差分阻抗。對(duì)差分信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)線末端的端接電阻和差分對(duì)的阻抗是相同的，這將會(huì)消除反射。下圖就是在兩信號(hào)線之間加入100歐姆電阻后，接收端的差分信號(hào)。圖中差分對(duì)末端有端接，并且差分對(duì)之間沒(méi)有耦合，下圖為差分對(duì)遠(yuǎn)端接收到的差分信號(hào)。

耦合時(shí)的差分阻抗

當(dāng)兩條帶狀線相距越來(lái)越近時(shí)，它們邊緣的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)重疊，二者之間的耦合程度也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。耦合程度用單位長(zhǎng)度上的互感電容C12與互感電感L12表示。當(dāng)把兩信號(hào)線靠近時(shí)，C11和C12都會(huì)改變。當(dāng)信號(hào)線1與其返回路徑的一些邊緣區(qū)域被相鄰信號(hào)線干擾時(shí)，C11將減小，C12會(huì)增加。但是，負(fù)載電容CL= C11+ C12改變不大。下圖所示為單位長(zhǎng)度上負(fù)載電容CL、單位長(zhǎng)度對(duì)角電容C11及耦合電容C12的變化情況。帶狀線材料是FR4，線寬5 mil，特性阻抗50歐姆，CL, C11與C12隨兩線的邊緣舉例的變化。

當(dāng)把兩信號(hào)線靠近時(shí)，L11和L12都將發(fā)生改變。下圖所示為單位長(zhǎng)度上環(huán)路自感L11的變化和單位長(zhǎng)度上環(huán)路互感L12隨兩線的邊緣舉例的變化。由于相鄰導(dǎo)線的感應(yīng)渦流，L11將會(huì)有略微的減小(最近時(shí)的減小量小于1％)，L12會(huì)增加。L11與L12隨兩線的邊緣舉例的變化。

總之，把兩條走線放置在一起時(shí)，耦合增加。但是，即使在間距更緊密的情況下，間距等于線寬，最大的相對(duì)耦合度(即C12/C11或L12/L11)仍小于15%。當(dāng)間距大于15 mil時(shí)，相對(duì)耦合減小至1%，基本可忽略不計(jì)。下圖所示為當(dāng)兩條50歐姆、5 mil的FR4帶狀線間的間距變化時(shí)相對(duì)互容和相對(duì)互感的隨線距的變化，即相對(duì)電容耦合與相對(duì)電感耦合的比值，如何隨間隔的變化而變化。注意，對(duì)于帶狀線這種有相同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳輸線，兩傳輸線的相對(duì)耦合電容與相對(duì)耦合電感是相同的,間距變化時(shí)相對(duì)互容和相對(duì)互感的變化.

差分信號(hào)線由于傳輸過(guò)程中存在差分模式和共模模型兩種情況，所以存在各自的匹配，如果哪一種模式不匹配，那么這種模式就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)震蕩。通常我們工作在奇模模式下，所以不太關(guān)注共模匹配，因?yàn)槔硐肭闆r下，共模電壓為理想的DC電平，不匹配影響不大，如果共模噪聲較大，還是需要對(duì)共模阻抗進(jìn)行匹配。

為什么需要匹配阻抗和作業(yè)方法介紹

射頻和硬件最大的區(qū)別就是阻抗匹配，而阻抗匹配的原因是電磁場(chǎng)的傳輸。我們都知道電磁場(chǎng)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用，而在傳輸介質(zhì)中損耗的產(chǎn)生是因?yàn)殡妶?chǎng)對(duì)電子的作用發(fā)生震蕩。頻率越高，相同長(zhǎng)度的傳輸線，電磁波的周期越多，電流的變化的頻率也就越高，震蕩而產(chǎn)生的熱量損耗就越多，傳輸線的損耗就越大。

低頻因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)相對(duì)于傳輸線來(lái)說(shuō)非常長(zhǎng)，所以在電路中傳輸線上的電壓和電流幾乎是不變的，所以傳輸線損耗很小。

同時(shí)，波在輸出的過(guò)程中，如果發(fā)生反射，與原來(lái)的輸入波疊加可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸效率低。

不管是做硬件還是射頻，都是為了信號(hào)更好的傳輸，都不希望能量損耗在電路中。

負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說(shuō)的阻抗匹配。

需要注意的一點(diǎn)是，共軛匹配是最大功率傳輸

根據(jù)電壓反射系數(shù)Г=(ZL-Z0)/(ZL+Z0),此時(shí)Г不等于0，電壓有反射。

無(wú)失真匹配，阻抗完全相等，電壓無(wú)反射，但是負(fù)載功率并不是最大。

回波損耗=-20log|Г|

電壓駐波比VSWR=（1+|Г|）/（1-|Г|）

駐波比和傳輸?shù)男嗜缦卤?/p>

阻抗匹配是一個(gè)相當(dāng)繁瑣的計(jì)算過(guò)程，好在我們有史密斯圓圖。史密斯圓圖是阻抗匹配的一個(gè)必備工具，史密斯圓圖是由很多圓周交織在一起的一個(gè)圖。正確的使用它，可以在不作任何計(jì)算的前提下得到一個(gè)表面上看非常復(fù)雜的系統(tǒng)的匹配阻抗，唯一需要作的就是沿著圓周線讀取并跟蹤數(shù)據(jù)。

Smith圓圖法

1）通過(guò)串聯(lián)電容電路元件后，阻抗點(diǎn)沿著所在的等電阻圓逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)

2）通過(guò)并聯(lián)電容電路元件后，阻抗點(diǎn)沿著所在的等電導(dǎo)圓順時(shí)針運(yùn)動(dòng)

3）通過(guò)串聯(lián)電感電路元件后，阻抗點(diǎn)沿著所在的等電阻圓順時(shí)針運(yùn)動(dòng)

4）通過(guò)并聯(lián)電感電路元件后，阻抗點(diǎn)沿著所在的等電導(dǎo)圓逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)

5）通過(guò)并聯(lián)開(kāi)路枝節(jié)電路元件后，阻抗點(diǎn)沿著所在的等電導(dǎo)圓順時(shí)針運(yùn)動(dòng)

6）通過(guò)并聯(lián)短路枝節(jié)電路元件后，阻抗點(diǎn)沿著所在的等電導(dǎo)圓逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)

7）通過(guò)串聯(lián)傳輸線電路元件后，阻抗點(diǎn)沿著等駐波圓順時(shí)針運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡

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