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阻抗匹配器
閱讀:10661時(shí)間:2010-09-20 15:54:56

  阻抗匹配器用在微波電子里的傳輸線上,來(lái)達(dá)到所有高頻的微波信號(hào)都能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的。

類型

  阻抗匹配的方式分為兩種類型:一種是透過(guò)改變阻抗力,另一種則是通過(guò)調(diào)整傳輸線的波長(zhǎng)。要匹配一組線路,首先要用負(fù)載點(diǎn)的阻抗值去除以傳輸線的特性阻抗值來(lái)同一化,再把數(shù)值劃在史密夫圖表上。

方法

  天線阻抗可能同時(shí)包含電抗與電阻成分。在實(shí)際應(yīng)用中,通常我們尋求的是純阻性的阻抗(z=R),但是這種理想情況很難達(dá)到。例如一個(gè)偶極子天線,理論上真空中達(dá)到諧振時(shí)阻抗為73Ω。但當(dāng)送到天線上的信號(hào)頻率不是諧振頻率時(shí),電抗成分(±jX)就出現(xiàn)了。當(dāng)高于諧振頻率時(shí),天線帶感性電抗,阻抗為Z=R+jX。類似地,當(dāng)?shù)陀谥C振頻率時(shí),天線帶容性電抗,阻抗為z=R-jX。此外,在靠近地表的空間中,其阻性部分可能不是73Ω,而可能為30~130Ω的某一值。顯然,無(wú)論選用特性阻抗為多少的同軸電纜,都很有可能是不合適的。 實(shí)際無(wú)線電應(yīng)用中,為了將一個(gè)復(fù)雜負(fù)載(如天線)連到一個(gè)純阻性源上,最常見的情形是在負(fù)載與源之間構(gòu)造一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗必須等于負(fù)載的復(fù)阻抗的共軛。如,如果負(fù)載阻抗為R+jX,匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗就必須為R一jX;類似地,如果負(fù)載阻抗為R一jX,匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗就必須為R+jX

原理研究

  在高速的設(shè)計(jì)中,阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說(shuō)是豐富多樣,但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用,需要衡量多個(gè)方面的因素。例如我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)計(jì)中,很多采用的都是源段的串連匹配。對(duì)于什么情況下需要匹配,采用什么方式的匹配,為什么采用這種方式。

  1、 串聯(lián)終端匹配

  串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下,在信號(hào)的源端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻R,使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,抑制從負(fù)載端反射回來(lái)的信號(hào)發(fā)生再次反射.串聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn):

  A 由于串聯(lián)匹配電阻的作用,驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳播時(shí)以其幅度的50%向負(fù)載端傳播;

  B 信號(hào)在負(fù)載端的反射系數(shù)接近+1,因此反射信號(hào)的幅度接近原始信號(hào)幅度的50%。

  C 反射信號(hào)與源端傳播的信號(hào)疊加,使負(fù)載端接受到的信號(hào)與原始信號(hào)的幅度近似相同;

  D 負(fù)載端反射信號(hào)向源端傳播,到達(dá)源端后被匹配電阻吸收;

  E 反射信號(hào)到達(dá)源端后,源端驅(qū)動(dòng)電流降為0,直到下一次信號(hào)傳輸。

  選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單,就是要求匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗為零,實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器總是有比較小的輸出阻抗,而且在信號(hào)的電平發(fā)生變化時(shí),輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為+4.5V的CMOS驅(qū)動(dòng)器,在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為37Ω,在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為45Ω[4];TTL驅(qū)動(dòng)器和CMOS驅(qū)動(dòng)一樣,其輸出阻抗會(huì)隨信號(hào)的電平大小變化而變化。因此,對(duì)TTL或CMOS電路來(lái)說(shuō),不可能有十分正確的匹配電阻,只能折中考慮。

  鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號(hào)網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配,所有的負(fù)載必須接到傳輸線的末端。否則,接到傳輸線中間的負(fù)載接受到的波形就會(huì)象圖3.2.5中C點(diǎn)的電壓波形一樣�?梢钥闯觯幸欢螘r(shí)間負(fù)載端信號(hào)幅度為原始信號(hào)幅度的一半。顯然這時(shí)候信號(hào)處在不定邏輯狀態(tài),信號(hào)的噪聲容限很低。

  串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小,不會(huì)給驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)額外的直流負(fù)載,也不會(huì)在信號(hào)和地之間引入額外的阻抗;而且只需要一個(gè)電阻元件。

  2、 并聯(lián)終端匹配

  并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下,通過(guò)增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。

  并聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn):

  A 驅(qū)動(dòng)信號(hào)近似以滿幅度沿傳輸線傳播;

  B 所有的反射都被匹配電阻吸收;

  C 負(fù)載端接受到的信號(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度近似相同。

  在實(shí)際的電路系統(tǒng)中,芯片的輸入阻抗很高,因此對(duì)單電阻形式來(lái)說(shuō),負(fù)載端的并聯(lián)電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等。假定傳輸線的特征阻抗為50Ω,則R值為50Ω。如果信號(hào)的高電平為5V,則信號(hào)的靜態(tài)電流將達(dá)到100mA。由于典型的TTL或CMOS電路的驅(qū)動(dòng)能力很小,這種單電阻的并聯(lián)匹配方式很少出現(xiàn)在這些電路中。

  雙電阻形式的并聯(lián)匹配,也被稱作戴維南終端匹配,要求的電流驅(qū)動(dòng)能力比單電阻形式小。這是因?yàn)閮呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配,每個(gè)電阻都比傳輸線的特征阻抗大�?紤]到芯片的驅(qū)動(dòng)能力,兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則:

  ⑴. 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等;

  ⑵. 與電源連接的電阻值不能太小,以免信號(hào)為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大;

 �、牵� 與地連接的電阻值不能太小,以免信號(hào)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大。

  并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行;顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)直流功耗:?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴呐c信號(hào)的占空比緊密相關(guān)?;雙電阻方式則無(wú)論信號(hào)是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對(duì)功耗要求高的系統(tǒng)。另外,單電阻方式由于驅(qū)動(dòng)能力問題在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒有應(yīng)用,而雙電阻方式需要兩個(gè)元件,這就對(duì)PCB的板面積提出了要求,因此不適合用于高密度印刷電路板。

  當(dāng)然還有:AC終端匹配; 基于二極管的電壓鉗位等匹配方式。

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