传输线阻抗匹配
我们知道传输线的目的是:将信号从源端有效地传输到终端。即,我们希望在终端接收到的信号是完整的、可识别的。
但要保证信号完整、有效的传输到终端是一个技术活,我们从传输线的传输函数:可知,源端阻抗与:A(ω)和R1(ω)有关,而终端阻抗则与:R2(ω)有关。
当源端阻抗与传输线特征阻抗相等,即源端进行了串联匹配(举个例子:源端阻抗=特征阻抗=50Ω),那么可得:。
我们从公式中得到一个结论:当传输线源端匹配时,信号从源端到终端只有传输线损耗,与源端和终端反射系数无关。
那么,如果终端阻抗与传输线特征阻抗相等,即终端并联匹配(举个栗子:终端匹配电阻=特征阻抗=50Ω),那么可得:。
我们从公式中得到一个同样的结论:当传输线终端匹配时,信号从源端到终端只有传输线损耗,与源端和终端反射系数无关。
所以我们可以看到,要使得信号完整地从源端完整的传输到终端,有三种方式:
1. 短线模式传输函数:Sshort(ω)= ZL/(ZL+Zs);
2. 源端匹配传输函数:S源端 = A(ω)*Hx(ω);
3. 终端匹配传输函数:S终端 = A(ω)*Hx(ω);
好,接下来我们先来详细分:源端串联匹配的工作原理。
1,源端匹配
源端匹配的意思是:Zs = Z0,即源端串联电阻后使得阻抗等于传输线特征阻抗。那这么操作有什么好处呢?
1. 如上图所示,信号从源端发出的瞬间,根据阻抗进行了分压:A(ω) = Z0(ω)/[ Zs(ω)+Z0(ω)] = 1/2,即信号从源端发出来幅度减半:V1=V0/2。
2. 我们假设终端负载阻抗ZL为高阻(即∞),那么可得到终端反射系数:R2(ω) = [ZL(ω)-Z0(ω)]/ [ZL(ω)+Z0(ω)] = 1,即全反射,信号幅度是输入到终端信号幅度的2倍。
我们知道源端发出来的信号,经过源端匹配电阻分压1/2后,再经过全反射2倍增幅,那么在终端收到的信号幅度刚好是原始信号幅度(1/2*2=1)。
3. 信号从终端再反射回到源端,此时源端阻抗的反射系数:R1(ω) = [Zs(ω)-Z0(ω)]/ [Zs(ω)+Z0(ω)] = 0,即,当信号从终端反射回到源端时,信号被全部吸收。
即:信号从终端反射回来后,将不会再被反射到终端去,信号传输过程结束。
4. 我们已知传输线的传输函数:S源端 = A(ω)*Hx(ω)*[ R2(ω)+1];
将A(ω)=1/2, R2(ω)=2代入传输线的传输函数,所以得到传输函数:S源端 = Hx(ω)。
从信号的传输函数可以看到,终端接收到的信号相比于源端只是传输线本身的衰减,不会由于阻抗不连续而产生过冲等。
好,接下来咱们来举个栗子,如下图为源匹配各位置波形时间图:
1. 当t=0时,信号从A点发出,此时A点幅值为:1。
1, 图中A点是理想驱动源:VCC或GND;A点不会受到信号分压、反射等影响,我们知道的芯片驱动内阻已合入R1中。
2, 源端匹配电阻靠近输出管脚,与驱动管脚内阻看成一体;即,从B点来看,源端匹配电阻R1 = 驱动内阻+串联匹配电阻。
为什么串联匹配电阻和内阻能看成一个电阻呢?如果还不清楚的话,建议在好好想一想。
3, B点电压是源端匹配电阻R1与特征阻抗Z0分压,即B点幅值为:A(ω) = Z0/(R1+Z0) = 1/2。
2. 当t=T时(T为传输线传播延时):
1, 信号传播至终端D点,此时D点的阻抗为ZL(高阻抗),理想情况下是全反射,所以D点信号幅值为:1/2 + 1/2 = 1。
经过时间为T的延时,终端接收到的信号是完整的信号(幅值为1),而不是一半幅值的信号。
3. 当t=2T时:
1, 从终端D点反射的1/2幅值信号传播回源端,与原先的信号叠加成完整的信号(幅值为1);
2, 源端匹配阻抗R1,与传输线阻抗Z0相等,可得反射系数为0(无反射,全吸收),所以此时B点信号幅值为:1/2 + 1/2 = 1。
源端发送出来的信号,经过了2T的时间后才变成完整的信号(幅值为1)。
4. C点是传输线中间位置的状态,它同样会出现台阶:靠近源端的台阶时间长,而靠近终端的台阶时间短。
1, 1驱1的电路拓扑,我们不关心传输线过程的信号状态,这些半高电平的信号并不会被采集。
2, 对于1驱N的电路拓扑,如果走线过长(产生台阶)且负载分散,那么走线中间的节点会出现半高电平(边沿不连续),需要评估接收端器件是否能可接受。
5. 源端匹配模式,是反射与叠加的完美结合,但是从源端信号(阻抗匹配B点)来看,不是完美的边沿,而是存在一个台阶,该台阶长度为2倍的传输线延时(来回反弹一次),但这对1驱1电路拓扑的传输模式不重要,要牢记:传输线的目的是使终端(接收端)信号完整。
6. 从终端向源端看的阻抗是Z0,当终端是一个容性负载(TTL/CMOS等),得到的响应类似RC低通滤波器,RC常数:RCtime=Z0*C;上升时间(10%-90%):T10%-90%=2.2*Z0*C。
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