《PCB板设计中匹配电阻的作用解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PCB板设计中匹配电阻的作用解析.docx（6页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、阻抗匹配阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一一种合适的搭配方式。根据接入方式阻抗匹配有串行和并行两种方式；根据信号源频率阻抗匹配可分为低频和高频两种。高频信号一般使用串行阻抗匹配串行电阻的阻值为2075Q,阻值大小与信号频率成正比，与PCB走线宽度成反比。在嵌入式系统中,一般频率大于20M的信号且PCB走线长度大于5cm时都要加串行匹配电阻，例如系统中的时钟信号、数据和地址总线信号等。串行匹配电阻的作用有两个：减少高频噪声以及边沿过冲。如果一个信号的边沿非常陡峭，则含有大量的高频成分，将会辐射干扰，另外，也容易产生过冲。串联电阻与信号线的分布电容以及负载输入电容等形成一个RC电路，这样就
2、会降低信号边沿的陡峭程度。减少高频反射以及自激振荡。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，造成自激振荡。PCB板内走线的低频信号直接连通即可，一般不需要加串行匹配电阻。并行阻抗匹配又叫“终端阻抗匹配”一般用在输入/输出接口端，主要指与传输电缆的阻抗匹配。例如，1.VDS与RS422/485使用5类双绞线的输入端匹配电阻为100120Q；视频信号使用同轴电缆的匹配电阻为75。或50。、使用扁平电缆为300Q。并行匹配电阻的阻值与传输电缆的介质有
3、关，与长度无关，其主要作用也是防止信号反射、减少自激振荡。值得一一提的是，阻抗匹配可以提高系统的EMI性能。此外，解决阻抗匹配除了使用串/并联电阻外，还可使用变压器来做阻抗变换，典型的例子如以太网接口、CAN总线等。零欧姆电阻最简单的是做跳线用，如果某段线路不用，直接不焊接该电阻即可（不影响外观）。在匹配电路参数不确定的时候，以零欧姆代替，实际调试的时候，确定参数,再以具体数值的元件代替。想测某部分电路的工作电流时，可以去掉零欧姆电阻，接上电流表，这样方便测量电流。在布线时，如果实在布不过去了，也可以加一个零欧姆的电阻起跨接作用。在高频信号网络中，充当电感或电容（起阻抗匹配作用，零欧姆电阻也有
4、阻抗）。充当电感用时，主要是解决EMC问题。单点接地，例如模拟地与数字地的单点对接共地。配置电路，可以取代跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置，易引起误会，为了减少维护费用，应用零欧姆电阻代替跳线等焊在板子上。系统调试用，例如将系统分成几个模块，模块间的电源与地用零欧姆电阻分开，调试阶段发现电源或地短路时，去掉零欧姆电阻可缩小查找范围。上述功能也可使用“磁珠”替代。零欧姆电阻与磁珠虽然功能上有点类似，但存在本质差别，前者呈阻抗特性，后者呈感抗特性。磁珠一般用在电源与地网络中，有滤波作用。PCB设计中的黄金配角：匹配电阻在电子产品的设计和制造过程中，PCB（印刷电路板）板设计是至关重要的一环。而在
5、PCB板设计中，匹配电阻的运用又扮演着举足轻重的角色。那么，究竟什么是匹配电阻？它在PCB板设计中又起着怎样的作用呢？Ol匹配电阻的基本概念匹配电阻，顾名思义，是一种用于实现电路匹配的电阻器件。在电路设计中，为了实现信号的最佳传输和接收，往往需要使电路中的各个部分在电气特性上保持一致或相近，这就是所谓的“匹配”。”配电阻的作用就是通过调整电路中的阻抗，使得信号的传输和接收更加稳定、高效。02匹配电阻的作用1 .阻抗匹配阻抗匹配是匹配电阻最直接也是最重要的作用。在高速信号传输的电路中，信号的完整性很大程度上取决于电路的阻抗是否匹配。如果发送端和接收端的阻抗不匹配，信号在传输过程中就会发生反射，导
6、致信号失真甚至完全丢失。通过在电路中合理设置匹配电阻，可以使得发送端和接收端的阻抗相匹配，从而减少信号的反射和失真，保证信号的完整性和稳定性。2 .终端匹配除了阻抗匹配外，匹配电阻还常用于终端匹配。在长线传输或者高速数字信号传输中，由于线路的电感和电容效应，信号在传输线的末端可能会产生振铃现象。通过在传输线的末端并联一个匹配电阻到地或者接一个匹配电阻到VCC（电源正极），可以有效地吸收反射信号，消除振铃现象，提高信号的传输质量。3 .分压与限流除了上述两种主要的匹配作用外，匹配电阻在电路中还可以起到分压和限流的作用。在某些需要精确控制电压或电流的场合，通过合理设置匹配电阻的阻值，可以实现对电压
7、或电流的精确调整和控制。此外，在一些需要保护敏感器件免受过大电流冲击的场合，匹配电阻也可以作为限流电阻使用，起到保护电路的作用。03匹配电阻的选择原则在选择匹配电阻时，需要遵循一定的原则以确保电路的性能和稳定性。首先，要根据电路的工作频率和传输线的特性阻抗来确定匹配电阻的阻值。其次，要考虑匹配电阻的功率承受能力，以确保其在工作过程中不会因过热而损坏。此外，还需要考虑匹配电阻的精度和稳定性等因素，以确保其对电路性能的影响最小化。04匹配电阻在PCB板设计中的布局考虑在PCB板设计中，匹配电阻的布局也是非常重要的一环。首先，要尽可能将匹配电阻放置在靠近信号源或接收端的位置，以减小信号在传输过程中的
8、损耗和干扰。其次，要注意匹配电阻与其他元器件之间的间距和布局方式，以避免相互之间的电磁干扰和耦合效应。止匕外，在布局过程中还需要考虑散热和焊接等因素对匹配电阻性能的影响。匹配电阻在PCB板设计中起着至关重要的作用。通过合理设置和布局匹配电阻，可以实现电路的阻抗匹配、终端匹配以及分压限流等功能，从而提高信号的传输质量和稳定性。在选择和使用匹配电阻时，需要遵循一定的原则和注意事项以确保电路的性能和稳定性。作为电子工程师或PCB设计师来说，掌握匹配电阻的原理和应用技巧是非常重要的基本功之一。只有深入理解和熟练运用这些知识才能更好地完成PCB板设计工作并提升产品的整体性能。阻抗匹配(Impedance
9、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。大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力(IUmPed-CirCUitmatChing),另一种则是调整传输线的波长(transmissionlinematching)o要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值除以传输线的特性阻抗值来标准化，然后把数值划在史密夫图表上。改变阻抗力把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，在图表上的点会沿着代表实数电阻的圆圈走动。假如把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈
10、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。调整传输线由负载点至来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿着图中心以逆时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配。阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，单它的内阻即是负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。最大功率传输定理，假如是高频的话，就是无反射波。对于普通的宽频放大器，输出阻抗50,功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是假如信号波长远远大于电缆长度，即缆长可以忽略的话，就无须考虑阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量传输时,要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此时的传输
11、不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了。反之则在传输中有能量损失。高速PCB布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧姆。这是个大约的数字，一般规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，双绞线则为100欧姆，只是取个整而已，为了匹配方便。阻抗从字面上看就与电阻不一样，其中只有一个阻字是相同的，而另一个抗字呢？简单地说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗；周延一点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体，电阻很大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的超导
12、体，则是一种电阻值几近于零的东西。但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的活动，这种作用就称之为电抗，意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外，电容抗和电感抗还有相位角度的题目，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。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，当负载电阻即是激励源内阻时，则
13、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，电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。一.阻抗匹配的研究在高速的设计中，阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。阻抗匹配的技术可以说是丰富多样，但是在具体的系统中怎样才能比较公道的应用，需要衡量多个方面的因素。例如我们在系统中设计中，很多采用的都是源端的串连匹配。对于什么情况下需要匹配，采用什么方式的匹配，为什么采用这种方式。例如：差分的匹配多数采用终端匹配；时钟采用源端匹配。1.1 串联终端匹配串联终端匹配的理论出发点
14、是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R,使源真个输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射。串联终端匹配后的信号传输具有以下特点：A由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50%向负载端传播；B信号在负载真个反射系数接近+1,因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50%；C反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同；D负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收；E反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0,直到下一次信号传输。相对并联匹配来说，串联匹配不要求信号驱动用具有很大的电
15、流驱动能力。选择串联终端匹配电阻值的原则很简单，就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。理想的信号驱动器的输出阻抗为零，实际的驱动器总是有比较小的输出阻抗，而且在信号的电平发生变化时，输出阻抗可能不同。比如电源电压为+4.5V的CMOS驱动器，在低电平时典型的输出阻抗为37。，在高电平时典型的输出阻抗为45Q；TT1.驱动器和CMOS驱动一样，其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。因此，对TT1.或CMoS电路来说,不可能有十分正确的匹配电阻，只能折衷考虑。链状拓扑结构的信号网路不适合使用串联终端匹配，所有的负载必须接到传输线的末端。否则，接到传输线中间的负载接受到的
16、波形就会像图3.2.5中C点的电压波形一样。可以看出，有一段时间负载端信号幅度为原始信号幅度的一半。显然这时候信号处在不定逻辑状态，信号的噪声容限很低。串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗小，不会给驱动器带来额外的直流负载，也不会在信号和地之间引进额外的阻抗；而且只需要一个电阻元件。1.2 并联终端匹配并联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输进阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的。实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。并联终端匹配后的信号传输具有以下特点：A驱动信号近似以满幅度沿传输线传播；B所有的反射都被匹配电阻吸收；C负载端
17、接受到的信号幅度与源端发送的信号幅度近似相同。在实际的电路系统中，芯片的输进阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载真个并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。假定传输线的特征阻抗为50Q,则R值为50Q。假如信号的高电平为5V,则信号的静态电流将达到1OOmA。由于典型的TT1.或CMOS电路的驱动能力很小，这种单电阻的并联匹配方式很少出现在这些电路中。双电阻形式的并联匹配，也被称作戴维南终端匹配，要求的电流驱动能力比单电阻形式小。这是由于两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相匹配，每个电阻都比传输线的特征阻抗大。考虑到芯片的驱动能力，两个电阻值的选择必须遵循三个原则：两电阻的并联值与传输线的特
18、征阻抗相等；与电源连接的电阻值不能太小，以免信号为低电平时驱动电流过大；与地连接的电阻值不能太小，以免信号为高电平时驱动电流过大。并联终端匹配优点是简单易行；显而易见的缺点是会带来直流功耗：单电阻方式的直流功耗与信号的占空比紧密相关？；双电阻方式则无论信号是高电平还是低电平都有直流功耗。因而不适用于电池供电系统等对功耗要求高的系统。另外，单电阻方式由于驱动能力题目在一般的TT1.、CMOS系统中没有应用，而双电阻方式需要两个元件，这就对PCB的板面积提出了要求，因此不适适用于高密度印刷电路板。当然还有：AC终端匹配；基于二极管的电压钳位等匹配方式。二.将信号的传输看成软管送水浇花1.1 数字系
19、统之多层板信号线(Signal1.ine)中，当出现方波信号的传输时,可将之假想成为软管(hose)送水浇花。一端于手握处加压使其射出水柱，另一端接在水龙头。当握管处所施压的力道恰好，而让水柱的射程正确洒落在目标区时，则施与受两者皆欢而顺利完成使命，难道一种得心应手的小小成就？1.2 然而一旦用力过度水注射程太远，不但腾空越过目标浪费水资源，甚至还可能因强力水压无处宣泄，以致往来源反弹造成软管自龙头上的摆脱!不仅任务失败横生挫折，而且还大捅维漏满脸豆花呢！1.3 反之，当握处之挤压不足以致射程太近者，则照样得不到想要的结果。过犹不及皆非所欲，唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜。1.4 上述简单的
20、生活细节，正可用以说明方波（SquareWave）信号（Signal）在多层板传输线（Transmission1.ine,系由信号线、介质层、及接地层三者所共同组成）中所进行的快速传送。此时可将传输线（常见者有同轴电缆COaXialCable,与微带线Microstrip1.ine或带线Strip1.ine等）看成软管，而握管处所施加的压力，就比如板面上“接受端”（ReCeiVer）元件所并联到GND的电阻器一般，可用以调节其终点的特性阻抗（CharacteristicImpedance）,使匹配接受端元件内部的需求。三 .传输线之终端控管技术（TerminatiOn）3.1 由上可知当“信号
21、”在传输线中飞奔旅行而到达终点，欲进进接受元件（如CPU或Memory等大小不同的IC）中工作时，则该信号线本身所具备的“特性阻抗”，必须要与终端元件内部的电子阻抗相互匹配才行，如此才不致任务失败白忙一场。用术语说就是正确执行指令，减少噪声干扰，避免错误动作:一旦彼此未能匹配时，则必将会有少许能量回头朝向“发送端”反弹，进而形成反射噪声的烦恼。3.2 当传输线本身的特性阻抗（ZO）被设计者订定为28Ohm时，则终端控管的接地的电阻器（Zt）也必须是28ohm,如此才能协助传输线对ZO的保持，使整体得以稳定在28Ohm的设计数值。也唯有在此种ZO=Zt的匹配情形下，信号的传输才会最具效率，其“信
22、号完整性（SignalIntegrity,为信号品质之专用术语）也才最好。四 .特性阻抗（CharacteristicImpedance）4.1 当某信号方波，在传输线组合体的信号线中，以高准位（High1.eVeI）的正压信号向前推进时，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信号伴随前行（即是正压信号反向的回回路径RetUrnPath）,如此将可完成整体性的回路（1.oop）系统。该“信号”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信号线、介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值（InstantaneousImpedance）,此即所谓的“特性阻抗二
23、是故该“特性阻抗”应与信号线之线宽（w）、线厚（t）介质厚度（三）与介质常数（Dk）都扯上了关系。4.2 阻抗匹配不良的后果由于高频信号的“特性阻抗（ZO）原词甚长，故一般均简称之为“阻抗二读者千万要小心，此与低频AC交流电（50HZ）的电线（并非传输线）中，所出现的阻抗值（Z）并不完全相同。数字系统当整条传输线的ZO都能治理妥善，而控制在某一范围内（10%或5%）者，此品质良好的传输线，将可使得噪声减少，而误动作也可避免。但当上述微带线中ZO的四种变数（w、t、h、r）有任一项发生异常，例如信号线出现缺口时，将使得原来的ZO忽然上升（见上述公式中之ZO与W成反比的事实），而无法继续维持应有的稳定均匀（Continuous）时，则其信号的能量必然会发生部分前进，而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避免噪声及误动作了。例如浇花的软管忽然被踩住，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题目。4.3 阻抗匹配不良造成噪声上述部分信号能量的反弹，将造成原来良好品质的方波信号，立即出现异常的变形（即发生高准位向上的OVerShO03与低准位向下的UnderShO03以及二者后续的Ringing）。此等高频噪声严重时还会引发误动作，而且当时脉速度愈快时噪声愈多也愈轻易出错。
