如何在電路和傳輸線中使用輸入阻抗
熟悉傳輸線理論的設(shè)計(jì)師應(yīng)該能夠理解如何利用它來(lái)確定什么是“電氣長(zhǎng)度”的互連，而不是僅僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則使用10%的波長(zhǎng)值。輸入阻抗在電路中也遵循類似的概念，盡管我們通常不會(huì)將電路視為由連接不同元件的傳輸線構(gòu)成。
輸入阻抗是理解電子器件中不同元件之間傳輸線連接的一個(gè)重要方面。輸入阻抗主要用于射頻設(shè)計(jì)，但它也可用于開發(fā)高速設(shè)計(jì)中的傳遞函數(shù)，然后利用因果模型預(yù)測(cè)脈沖響應(yīng)。在處理輸入阻抗時(shí)，幾乎從未涉及的一個(gè)問題是元件之間的互連如何改變傳播信號(hào)所見的阻抗。我將通過一些簡(jiǎn)單的例子來(lái)說明這種情況是如何產(chǎn)生的，以及它如何決定信號(hào)所見的實(shí)際輸入阻抗。
了解輸入阻抗
簡(jiǎn)要總結(jié)與輸入阻抗、特性阻抗、傳輸線和電路相關(guān)的重要定義。
電路輸入阻抗
如果我們觀察一個(gè)典型的電路，它會(huì)有多個(gè)阻抗，如下圖所示。在這個(gè)概念示例中，我們有一個(gè)具有特定輸出阻抗 (Zout) 的驅(qū)動(dòng)器，并且該電路具有多個(gè)阻抗，這些阻抗組合起來(lái)形成一個(gè)輸入阻抗。在下面的示例中，輸入阻抗就是等效阻抗 Zin= Z1 + (Z2 || (Z3 + Z4 ) )。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)器激勵(lì)電路時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗Zout和電路的輸入阻抗 Z in之間存在一個(gè)反射系數(shù) (S11) 。通過匹配阻抗，我們可以在每個(gè)輸入端口實(shí)現(xiàn)最小反射（如上圖所示的級(jí)聯(lián)電路所示）。輸入阻抗無(wú)法反映電路內(nèi)部各個(gè)元件之間發(fā)生了什么。構(gòu)成電路的四個(gè)阻抗中的任何一個(gè)之間都可能發(fā)生反射。
需要阻抗控制的現(xiàn)代元件通常采用片上端接技術(shù)，以便在較寬的帶寬范圍內(nèi)提供可靠的阻抗值。在非常高的頻率下，由于封裝寄生效應(yīng)（芯片電容和引腳/鍵合線電感），輸出阻抗將再次變?yōu)殡娍剐?，從而限制從?qū)動(dòng)器到負(fù)載的功率傳輸。
以上介紹了直接連接到電路的驅(qū)動(dòng)器組件的基礎(chǔ)知識(shí)。如果驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載電路之間有一條傳輸線，會(huì)發(fā)生什么情況呢？
特性阻抗
如果您在谷歌搜索“傳輸線阻抗”，最有可能在搜索結(jié)果的第一頁(yè)看到的就是特性阻抗的定義。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員可能都熟悉特性阻抗，因?yàn)樗窃诩傠娐纺Ｐ椭卸x的。該模型返回以下常用的特性阻抗公式：
傳輸線的等效電路模型和特性阻抗。
在足夠高的頻率或足夠低的損耗下，特性阻抗變?yōu)榧冸娮璨⑹諗坑谝韵轮担?/span>
傳輸線在高頻極限下的特性阻抗。
請(qǐng)注意，這里忽略了趨膚效應(yīng)，該效應(yīng)適用于高達(dá)約1 GHz 帶寬的數(shù)字信號(hào)。您可以使用不同走線幾何形狀的標(biāo)準(zhǔn)公式，根據(jù)傳播延遲和特性阻抗推導(dǎo)出 L 和 C 的值。然后，您可以使用這些電路值來(lái)優(yōu)化走線寬度和電感，并最大限度地減少瞬態(tài)振鈴。
特性阻抗有時(shí)也稱為“浪涌阻抗”，與術(shù)語(yǔ)“浪涌阻抗負(fù)載”相關(guān)。電力系統(tǒng)工程師經(jīng)常使用該術(shù)語(yǔ)來(lái)量化通過輸電線路傳輸并在負(fù)載處看到的功率。
傳輸線+電路
現(xiàn)在，如果驅(qū)動(dòng)器和接收器之間有一條傳輸線，我們會(huì)在源組件附近有一個(gè)“新的”輸入阻抗。該輸入阻抗現(xiàn)在取決于傳輸線的特性阻抗、傳輸線的長(zhǎng)度以及沿傳輸線的傳播常數(shù)。
由此我們得到了傳輸線臨界長(zhǎng)度的定義；它基于傳播常數(shù)、線路長(zhǎng)度和頻率之間的關(guān)系，任何關(guān)于上升時(shí)間的規(guī)則都只是近似值，不應(yīng)用于高速設(shè)計(jì)或射頻設(shè)計(jì)。這也是大多數(shù)設(shè)計(jì)指南止步于此，不再繼續(xù)探討射頻設(shè)計(jì)或高速設(shè)計(jì)中實(shí)際情況的原因之一。
級(jí)聯(lián)元件的輸入阻抗
現(xiàn)在我們需要考慮一個(gè)實(shí)際的情況：一條傳輸線上有多個(gè)元件，甚至有多條線路，它們?nèi)考?jí)聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，輸入阻抗是多少？
讓我們考慮一下在射頻設(shè)計(jì)或PCIe 布線中可能遇到的一種常見情況，即線路上放置了一個(gè)交流耦合電容。在雷達(dá)頻率的射頻情況下，或者在較新的 PCIe 或高千兆以太網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)的超高帶寬信號(hào)下，互連就像線路各部分之間有兩段傳輸線一樣。那么，當(dāng)三個(gè)元件級(jí)聯(lián)時(shí)，輸入阻抗是多少呢？
答案是：源端的輸入阻抗與所有下游部分的輸入阻抗相關(guān)。這是一個(gè)電感問題，如下圖所示。電容器將具有其自身的輸入阻抗值(ZinC )，該值取決于傳輸線 #2 的輸入阻抗和負(fù)載阻抗。這兩個(gè)輸入阻抗將決定傳輸線 #1 的輸入阻抗。
希望您能明白這種歸納推理是如何無(wú)限延伸的。上述情況與高速數(shù)字系統(tǒng)中的復(fù)雜程度大致相同，除非您必須遍歷連接器，在這種情況下，您將處理級(jí)聯(lián)的S 參數(shù)。在射頻系統(tǒng)中，如果您現(xiàn)在必須設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，情況會(huì)變得非常復(fù)雜，而且由于您需要匹配系統(tǒng)各部分之間的阻抗，系統(tǒng)規(guī)?？赡軙?huì)變得很大。
上述系統(tǒng)應(yīng)該會(huì)引發(fā)一個(gè)懸而未決的問題：輸入端的 S 參數(shù)是什么？由于我們有一個(gè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，因此您需要確定該網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián) S 參數(shù)矩陣。使用上圖所示的迭代輸入阻抗，您可以在輸入端口得到 S11，但僅此而已。要獲得完整的 S 參數(shù)，您需要使用涉及可級(jí)聯(lián)參數(shù)集的矩陣計(jì)算；ABCD 參數(shù)是理想的選擇。事實(shí)上，如果您使用 MATLAB 計(jì)算，其文檔指出他們使用 ABCD 到 S 參數(shù)的轉(zhuǎn)換來(lái)獲取上述網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián) S 參數(shù)。進(jìn)行這些計(jì)算是一個(gè)好主意，因?yàn)樗鼈兛梢宰鳛樵u(píng)估互連設(shè)計(jì)的測(cè)量基礎(chǔ)。
聲明：本網(wǎng)站原創(chuàng)內(nèi)容，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處；本網(wǎng)站轉(zhuǎn)載的內(nèi)容（文章、圖片、視頻）等資料版權(quán)歸原網(wǎng)站所有。如我們采用了您不宜公開的文章或圖片，未能及時(shí)和您確認(rèn)，避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，請(qǐng)電郵聯(lián)系我們，以便迅速采取適當(dāng)處理措施；郵箱：limeijun@yushin88.com
網(wǎng)站首頁(yè)可控硅集成電路MOS管產(chǎn)品中心生產(chǎn)實(shí)力技術(shù)支持新聞資訊關(guān)于宇芯聯(lián)系我們
掃二維碼進(jìn)入手機(jī)網(wǎng)站 
掃二維碼進(jìn)入微信 
