如何理解阻抗不匹配时的反射问题(阻抗不匹配的后果)

电子魔法师 发表于 2017-11-29 15:12:17 收藏 已收藏
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如何理解阻抗不匹配时的反射问题(阻抗不匹配的后果)

电子魔法师 发表于 2017-11-29 15:12:17

  阻抗匹配(impedance matching) 信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同,或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同,分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态,简称为阻抗匹配。否则,便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。但是在另一方方面,也会出现阻抗不匹配的情况,下面我们就进行分析。

  一、阻抗匹配条件

  ①负载阻抗等于信源内阻抗,即它们的模与辐角分别相等,这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输。

  ②负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值,即它们的模相等而辐角之和为零。这时在负载阻抗上可以得到最大功率。这种匹配条件称为共轭匹配。如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性,则两种匹配条件是等同的。

  阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。

  当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻必须满足共扼关系,即电阻成份相等,电抗成份绝对值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。

  阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分,主要用于传输线上,来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的,不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。史密夫图表上。电容或电感与负载串联起来,即可增加或减少负载的阻抗值,在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。如果把电容或电感接地,首先图表上的点会以图中心旋转180度,然后才沿电阻圈走动,再沿中心旋转180度。重覆以上方法直至电阻值变成1,即可直接把阻抗力变为零完成匹配。

如何理解阻抗不匹配时的反射问题(阻抗不匹配的后果)

  二、阻抗匹配与阻抗不匹配解析

  在高速设计阻抗控制和端接是基本的设计问题。而在射频设计中这早已是事实上的核心了。但一些数字电路工作频率甚至高于射频时却在其设计中忽略考虑了阻抗和端接。

  阻抗不匹配在数字电路中产生的一些不利影响如下所示。

  1. 数字信号在接收器件的输入端和发送器件的输出端来回反射。反射的信号在两边来回反弹直至最终完全被电阻所吸收。

  2. 反射信号引入振铃信号沿着走线传播。振铃影响了信号的电压和时序,并严重影响了信号质量。

  3. 一个不匹配的信号通路会导致信号辐射到环境中去。

如何理解阻抗不匹配时的反射问题

  由于阻抗不匹配产生的问题可以通过使用终端来减少。终端通常是一个或两个放置在信号线接收器附近的分立元件。一个简单的例子,终端是一个低值的串连电阻。

  终端抑制了信号的上升时间,并吸收了部分反射能源。特别是要注意到,终端并不能完全消除由于阻抗不匹配而产生的破坏性的影响。但是通过仔细选择的配置和元件的值,一个终端可以非常有效地控制了信号完整性的效果。

  并非所有的信号线都需要阻抗控制。一些标准,如Compact PCI需要特定的走线阻抗和(或)终端电阻。通过制订阻抗的要求,这些标准对减少反射,振铃和信号线的辐射是相当有效的。

  其他标准没有对阻抗控制有具体的要求,留给设计者决定是否需要加阻抗控制。而决定的结果随设计的不同而不同,但它往往取决于信号线的长度(信号线延迟Td)和信号的上升时间( Tr)。一个经常使用的规则是,当Td大于Tr的1/6的时候就对阻抗控制有要求了。

  三、阻抗不匹配的后果

  简单的说,阻抗不匹配会产生反射。而反射会导致过冲,振铃,抖动,会影响上升沿,下降沿等。在高频电路中,当发送端与传输线之间、传输线与接收端之间阻抗不匹配时,就会产生反射。

  一般来说,接收端的阻抗高于传输线的阻抗,根据反射原理,该处的反射信号与传来的信号相位相同,因而会使得接收端的信号电平增强;而发送端的阻抗低于传输线的阻抗,根据反射原理,该处的反射信号与传来的信号相位相反,因而使得反射信号重新传往接收端。当传输线的阻抗较小时,其衰减作用抵不过反射的影响,到达接收端的信号在上升阶段的末期以及下降阶段的末期都会产生振铃式的过冲现象。

  其中,在上升阶段的末期产生的超过1的过冲,叫做上冲;在下降阶段的末期产生的低于0的过冲,叫做下冲。如果发生了过冲振铃,要使信号为1时的电平稳定在其对应的临界值以上,或者要使信号为0时的电平稳定在其对应的临界值以下,无疑需要一段时间的等待。否则,无论是微处理器利用未稳定下来的信号读人,还是存储器利用未稳定下来的信号写入,都容易产生误动。

如何理解阻抗不匹配时的反射问题(阻抗不匹配的后果)

  四、如何理解阻抗不匹配时的反射问题

  抗匹配信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同,或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同,分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态,简称为阻抗匹配。否则,便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。

  阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源,总是有内阻的,我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为:I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。负载R上的电压为:Uo=IR=U/[1+(r/R)],可以看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为:

  P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)

  =U2×R/[(R-r)2+4×R×r]

  =U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

  对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R],当R=r时,[(R-r)2/R]可取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共扼匹配。在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是“短线”,反射可以不考虑(可以这么理解:因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的)。从以上分析我们可以得出结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我们也会叫做阻抗失配。

  在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即不匹配)时,在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法,牵涉到二阶偏微分方程的求解,在这里我们不细说了,有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。

  例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线,这在农村使用的电视天线架上比较常见,用来做八木天线的馈线。因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω,所以300Ω的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的呢?不知道大家有没有留意到,电视机的附件中,有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器(一个塑料封装的,一端有一个圆形的插头的那个东东,大概有两个大拇指那么大)。它里面其实就是一个传输线变压器,将300Ω的阻抗,变换成75Ω的,这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点的是,特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念,它与传输线的长度无关,也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等,这就是传输线的阻抗匹配,如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢?如果不匹配,则会形成反射,能量传递不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,辐射干扰等。

  当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢?第一,可以考虑使用变压器来做阻抗转换,就像上面所说的电视机中的那个例子那样。第二,可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用。第三,可以考虑使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低,可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配,例如高速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高,可以使用并联电阻的方法,来跟传输线匹配,例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。(始端串联匹配,终端并联匹配)

  为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题,我来举两个例子:假设你在练习拳击——打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包,你打上去会感觉很舒服。但是,如果哪一天我把沙包做了手脚,例如,里面换成了铁沙,你还是用以前的力打上去,你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况,会产生很大的反弹力。相反,如果我把里面换成了很轻很轻的东西,你一出拳,则可能会扑空,手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况。

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