特性阻抗及为什么需要阻抗匹配

凡亿PCB在线2022-04-05 15:00:15

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    当某讯号方波,在传输线组合体的讯号线中,以高准位(High Level)的正压讯号向前推进时,则距其最近的参考层(如接地层)中,理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行(等于正压讯号反向的回归路径 Return Path),如此将可完成整体性的回路(Loop)系统。该“讯号”前行中若将其飞行时间暂短加以冻结,即可想象其所遭受到来自讯号线、介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值(Instantanious Impedance),此即所谓的“特性阻抗”。

    是故该“特性阻抗”应与讯号线之线宽(w)、线厚(t)、介质厚度(h)与介质常数(Dk)都扯上了关系。
1、阻抗匹配不良的后果

    由于高频讯号的“特性阻抗”(Z0)原词甚长,故一般均简称之为“阻抗”。读者千万要小心,此与低频AC交流电(60Hz)其电线(并非传输线)中,所出现的阻抗值(Z)并不完全相同。数位系统当整条传输线的Z0都能管理妥善,而控制在某一范围内(±10﹪或 ±5﹪)者,此品质良好的传输线,将可使得杂讯减少,而误动作也可避免。

    但当上述微带线中Z0的四种变数(w、t、h、 r)有任一项发生异常,例如讯号线出现缺口时,将使得原来的Z0突然上升(见上述公式中之Z0与W成反比的事实),而无法继续维持应有的稳定均匀(Continuous)时,则其讯号的能量必然会发生部分前进,而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避免杂讯及误动作了。例如浇花的软管突然被踩住,造成软管两端都出现异常,正好可说明上述特性阻抗匹配不良的问题。

2、 阻抗匹配不良造成杂讯

    上述部分讯号能量的反弹,将造成原来良好品质的方波讯号,立即出现异常的变形(即发生高准位向上的Overshoot,与低准位向下的Undershoot,以及二者后续的Ringing)。此等高频杂讯严重时还会引发误动作,而且当时脉速度愈快时杂讯愈多也愈容易出错。 

    那么是否什么时候都要考虑阻抗匹配? 在普通的宽频带放大器中,因为输出阻抗为50Ω,所以需要考虑在功率传输电路中进行阻抗匹配。但是,实际上当电缆的长度对于信号的波长来说可以忽略不计时,就勿需阻抗匹配的。
考虑信号频率为1MHz,其波长在空气中为300m,在同轴电缆中约为200m。在通常使用的长度为1m左右的同轴电缆中,是在完全可忽略的范围之内。(图H)

如果存在阻抗,那么在阻抗上就会产生功率消耗,所以不做阻抗匹配其结果就会使放大器的输出功率发生无用的浪费。(图J)



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