2、高速电子设计的板级信号完整性处理
高速数字系统的振铃和串扰问题一直是一个令人头疼的问题，特别是在今天，越来越多的VLSI芯片工作在100MHz的频率以上，450MHz的CPU也将广泛应用，信号的边沿越来越陡（已达到ps级），这些高速器件性能的增加也给高速系统设计带来了困难。同时，高速系统的体积不断减小使得印制板的密度迅速提高。比较现在新的PC主板与几年前的主板，可以看到新的主板上加入了许多端接。信号完整性问题已经成为新一代高速产品设计中越来越值得注意的问题，这已是毋庸置疑的了。
信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指在信号线上的信号质量。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振铃、地弹、串扰等。
源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。
信号的振铃（ringing）和环绕振荡（rounding）由线上过度的电感和电容引起，振铃属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。信号完整性问题通常发生在周期信号中，如时钟等，振铃和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振铃可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。
新一代的EDA信号完整性工具主要包括布线前 /布线后SI分析工具和系统级SI工具等。使用布线前SI分析工具可以根据设计对信号完整性与时序的要求在布线前帮助设计者选择元器件、调整元器件布局、规划系统时钟网络和确定关键线网的端接策略。SI分析与仿真工具不仅可以对一块PCB板的信号流进行分析，而且可以对同一系统内其它组成部分如背板、连接器、电缆及其接口进行分析，这就是系统级的SI分析工具。针对系统级评价的SI分析工具可以对多板、连接器、电缆等系统组成元件进行分析，并可通过设计建议来帮助设计者消除潜在的SI问题,它们一般都包括IBIS模型接口、2维传输线与串扰仿真、电路仿真、SI分析结果的图形显示等功能。这类工具可以在设计包含的多种领域如电气、EMC、热性能及机械性能等方面综合考虑这些因素对SI的影响及这些因素之间的相互影响，从而进行真正的系统级分析与验证。Mentor Graphics 公司的ICX设计工具可以在时序与电气规则的驱动下进行TopDown式的布局及无网格布线，并提供多板分析功能，是典型的系统级SI工具。
在电路中有大的电流涌动时会引起地弹，如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面（0V）上产生电压的波动和变化，这个噪声会影响其它元器件的动作。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。
振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
表1列出了高速电路中常见的信号完整性问题与可能引起该信号完整性的原因，并给出了相应的解决方案。
表 1 常见信号完整性（SI）问题及解决方法
问题可能原因解决方法变更的解决方法
过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源
直流电压电平不
好线上负载过大以交流负载替换直流负载
使用能提供更大驱动电流的驱动
源
过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓
慢的主动驱动源
在被动接收端端接,
重新布线或检查地平面
传播时间过长传输线距离太长,
没有开关动作
替换或重新布线,
检查串行端接
使用阻抗匹配的驱动源,
变更布线策略
4、信号发射与端接技术
4.1、信号反射的形成
传输线上的阻抗不连续会导致信号反射，我们以图2所示的理想传输线模型来分析与信号反射有关的重要
参数。图中，理想传输线L被内阻为R0的数字信号驱动源VS驱动，传输线的特性阻抗为Z0，负载阻抗
为RL。
理想的情况是当R0＝Z0＝RL时，传输线的阻抗是连续的，不会发生任何反射，能量一半消耗在源内阻R0上，另一半消耗在负载电阻RL上（传输线无直流损耗）。如果负载阻抗大于传输线的特性阻抗，那么负载端多余的能量就会反射回源端，由于负载端没有吸收全部能量，故称这种情况为欠阻尼。如果负载阻抗小于传输线的特性阻抗，负载试图消耗比当前源端提供的能量更多的能量，故通过反射来通知源端输送更多的能量，这种情况称为过阻尼。欠阻尼和过阻尼都会引起反向传播的波形，某些情况下在传输线上会形成驻波。当Z0＝RL时，负载完全吸收到达的能量，没有任何信号反射回源端，这种情况称为临界阻尼。从系统设计的角度来看，由于临界阻尼情况很难满足，所以最可靠适用的方式轻微的过阻尼，因为这种情况没有能量反射回源端。
负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端（B点）反射一部分信号回源端（A点），反射电压信号的幅值由负载反射系数ρL决定，见下式：
式中，ρL称为负载电压反射系数，它实际上是反射电压与入射电压之比。由式（1）可见，-1≤ρL≤+1，且当RL＝Z0时，ρL＝0，这时就不会发生反射。即，只要根据传输线的特性阻抗进行终端匹配，就能消除反射。从原理上说，反射波的幅度可以大到入射电压的幅度，极性可正可负。当RL
当从负载端反射回的电压到达源端时，又将再次反射回负载端，形成二次反射波，此时反射电压的幅值由源反射系数ρS决定，见下式：
4.2、阻抗匹配与端接方案
4.2.1、典型的传输线端接策略
由以上分析可知，在高速数字系统中，传输线上阻抗不匹配会引起信号反射，减小和消除反射的方法是根据传输线的特性阻抗在其发送端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使源反射系数或负载反射系数为零。
传输线的长度符合下式的条件应使用端接技术。
式中，L为传输线线长，tr为源端信号的上升时间，tpdL为传输线上每单位长度的带载传输延迟。即当tr小于2TD时，源端完整的电平转移将发生在从传输线的接收端反射回源端的反射波到达源端之前，这时需要使用端接匹配技术，否则会在传输线上引起振铃。
传输线的端接通常采用两种策略：（1）使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即并行端接（2）使源阻抗与传输线阻抗匹配，即串行端接。即如果负载反射系数或源反射系数二者任一为零，反射将被消除。从系统设计的角度，应首选策略1，因其是在信号能量反射回源
端之前在负载端消除反射，即使ρL＝0，因而消除一次反射，这样可以减小噪声、电磁干扰（EMI）及射频干扰（RFI），而策略2则是在源端消除由负载端反射回来的信号，即使ρS＝0和ρL＝1（负载端不加任何匹配），只是消除二次反射，在发生电平转移时，源端会出现持续时间为2TD的半波波形，不过由于策略2实现简单方便，在许多应用中也被广泛采用。两种端接策略各有其优缺点，以下就简要介绍这两类主要的端接方案。（1）并行端接
并行端接主要是在尽量靠近负载端的位置加上拉和/或下拉阻抗以实现终端的阻抗匹配，根据不同的应用环境，并行端接又可分为以下几种类型：
（I）简单的并行端接
这种端接方式是简单地在负载端加入一下拉到GROUND的电阻RT（RT＝Z0）来实现匹配，如图3所示。采用此端接的条件是驱动端必须能够提供输出高电平时的驱动电流以保证通过端接电阻的高电平电压满足门限电压要求。在输出为高电平状态时，这种并行端接电路消耗的电流过大，对于50Ω的端接负载，维持TTL高电平消耗电流高达
48mA，因此一般器件很难可靠地支持这种端接电路。
（II）戴维宁（Thevenin）并行端接
戴维宁（Thevenin）端接即分压器型端接，如图4示。它采用上拉电阻R1和下拉电阻R2构成端接电阻，通过R1和R2吸收反射。R1和R2阻值的选取由下面的条件决定。R1的最大值由可接受的信号的最大上升时间（是RC充放电时间常数的函数）决定，
R1的最小值由驱动源的吸电流数值决定。R2的选择应满足当传输线断开时电路逻辑高电平的要求。
戴维宁等效阻抗可表示为：
这里要求RT等于传输线阻抗Z0以达到最佳匹配。此端接方案虽然降低了对源端器件驱动能力的要求，但却由于在VCC和GROUND之间连接的电阻R1和R2从而一直在从系统电源吸收电流，因此直流功耗较大。
（III）主动并行端接
在此端接策略中，端接电阻RT（RT＝Z0）将负载端信号拉至一偏移电压VBIAS，如图5所示。VBIAS的选择依据是使输出驱动源能够对高低电平信号有汲取电流能力。这种端接方式需要一个具有吸、灌电流能力的独立的电压源来满足输出电压的跳变速度的要求。在此端接方案中，如偏移电压VBIAS为正电压，输入为逻辑低电平时有DC直流功率损耗，如偏移电压VBIAS为副电压，则输入为逻辑高电平时有直流功率损耗。
（IV）并行AC端接
如图6所示，并行AC端接使用电阻和电容网络（串联RC）作为端接阻抗。端接电阻R
要小于等于传输线阻抗Z0，电容C必须大于100pF，推荐使用0.1uF的多层陶瓷电容。电容有阻低频通高频的作用，因此电阻R不是驱动源的直流负载，故这种端接方式无任何直流功耗。
（V）二极管并行端接
某些情况可以使用肖特基二极管或快速开关硅管进行传输线端接，条件是二极管的开关速度必须至少比信号上升时间快4倍以上。在面包板和底板等线阻抗不好确定的情况下，使用二极管端接即方便又省时。如果在系统调试时发现振铃问题，可以很容易地加入二极管来消除。
典型的二极管端接如图7所示。肖特基二极管的低正向电压降Vf（典型0.3到0.45V）将输入信号钳位到GROUND－Vf和VCC＋Vf之间。这样就显著减小了信号的过冲（正尖峰）和下冲（负尖峰）。在某些应用中也可只用一个二极管。二极管端接的优点在于：二极管替换了需要电阻和电容元件的戴维宁端接或RC端接，通过二极管钳位减小过冲与下冲，不需要进行线的阻抗匹配。尽管二极管的价格要高于电阻，但系统整体的布局布线开销也许会减少，因为不再需要考虑精确控制传输线的阻抗匹配。二极管端接的缺点在于：二极管的开关速度一般很难做到很快，因此对于较高速的系统不适用。
（2）串行端接
串行端接是通过在尽量靠近源端的位置串行插入一个电阻RS（典型10Ω到75Ω）到传输线中来实现的，如图8所示。串行端接是匹配信号源的阻抗，所插入的串行电阻阻值加上驱动源的输出阻抗应大于等于传输线阻抗（轻微过阻尼）。即
这种策略通过使源端反射系数为零从而抑制从负载反射回来的信号（负载端输入高阻，不吸收能量）再从源端反射回负载端。串行端接的优点在于：每条线只需要一个端接电阻，无需与电源相连接，消耗功率小。当驱动高容性负载时可提供限流作用，这种限流作用可以帮助减小地弹噪声。串行端接的缺点在于：当信号逻辑转换时，由于RS 的分压作用，在源端会出现半波幅度的信号，这种半波幅度的信号沿传输线传播至负载端，又从负载端反射回源端，持续时间为2TD（TD为信号源端到终端的传输延迟），这意味着沿传输线不能加入其它的信号输入端，因为在上述2TD时间内会出现不正确的逻辑态。并且由于在信号通路上加接了元件，增加了RC时间常数从而减缓了负载端信号的上升时间，因而不适合用于高频信号通路（如高速时钟等）。
4.2.2、多负载的端接
在实际电路中常常会遇到单一驱动源驱动多个负载的情况，这时需要根据负载情况及电路的布线拓扑结构来确定端接方式和使用端接的数量。一般情况下可以考虑以下两种方案。
如果多个负载之间的距离较近，可通过一条传输线与驱动端连接，负载都位于这条传输线的终端，这时只需要一个端接电路。如采用串行端接，则在传输线源端加入一串行电阻即可，如图9a所示。如采用并行端接（以简单并行端接为例），则端接应置于离源端距离最远的负载处，同时，线网的拓扑结构应优先采用菊花链的连接方式，如图9b所示。
如果多个负载之间的距离较远，需要通过多条传输线与驱动端连接，这时每个负载都需要
一个端接电路。如采用串行端接，则在传输线源端每条传输线上均加入一串行电阻，如图10a所示。如采用并行端接（以简单并行端接为例），则应在每一负载处都进行端接，如图10b所示。
4.2.3、不同工艺器件的端接策略
阻抗匹配与端接技术方案随着互联长度和电路中逻辑器件的家族在不同也会有所不同，只有针对具体情况，使用正确适当的端接方法才能有效地减小信号反射。
一般来说，对于一个CMOS工艺的驱动源，其输出阻抗值较稳定且接近传输线的阻抗值，因此对于CMOS器件使用串行端接技术就会获得较好的效果。而TTL工艺的驱动源在输出逻辑高电平和低电平时其输出阻抗有所不同，这时，使用并行戴维宁端接方案则是一种较好的策略。ECL器件一般都具有很低的输出阻抗，因此，在ECL电路的接收端使用一下拉端接电阻（下拉电平需要根据实际情况选取）来吸收能量则是ECL电路的通用端接技术。
当然，上述方法也不是绝对的，具体电路上的差别、网络拓扑结构的选取、接收端的负载数等都是可以影响端接策略的因素，因此在高速电路中实施电路的端接方案时，需要根据具体情况通过分析仿真来选取合适的端接方案以获得最佳的端接效果。
4.3、端接技术的仿真分析
下面针对典型的振铃现象，给出了不同端接方案下的信号仿真结果。以下对端接问题的仿真，仿真软件采用MentorGraphics公司的信号完整性分析工具InterconnectSynthesis （IS），仿真基本条件为：顶层微带传输线，线宽=6mils，线长=5inches，PCB板为4层板（中间两层为电源层），电介质介电常数为4.0，微带线阻抗控制50Ω，信号驱动器和接收器均使用TTL_S工艺器件的IBIS模型。
图11所示为未使用端接技术的电路中常见的振铃现象，图中标记“1”箭头所指的波形为信号源端的波形，标记“2”箭头所指的波形为信号负载端的波形，由图可见，信号的
负载端有明显的振铃现象。
图12仿真了对同一电路使用不同的端接方式后，信号源端与负载端的波形，图中左边图（a）为信号驱动端的波形，右边图（b）为信号负载端的波形。在这两幅图中，标记“1”箭头所指的波形为未加端接前信号驱动端与负载端的波形，标记“2”箭头所指的波形为使用串行端接（端接电阻50Ω）后的信号波形，标记“3”箭头所指的波形为使用戴维宁端接（上拉电阻100Ω，下拉电阻100Ω）后的信号波形，标记“4”箭头所指的波形为使用简单的并行端接（下拉电阻50Ω）后的信号波形，标记“5”箭头所指的波形为使用并行AC端接（下拉电阻50Ω，电容0.1uF）后的信号波形。由图可见，使用这几种阻抗匹配端接技术后都不同程度地抑制了信号反射，从而减小了振铃，这说明在存在较大反射的电路中使用端接技术能够收到很好的效果。但是同时也应注意到，不同的端接技术对信号的影响也是有差别的，如图中标记“2”箭头所指的波形是使用了串行端接后的波形，可以看出信号的上升沿变缓了，而图中标记“3”箭头所指的波形是使用了戴维宁端接后的波形，此时信号的低电平已经接近低电平门限，这样的信号在实际电路中是不可靠的。可见，对于同一电路，使用不同的端接技术均可以达到减小信号反射的效果，但同时也应注意到这种端接技术本身对信号的影响，只有根据信号质量的要求并综合考虑端接技术对信号的影响，才能得到最佳的端接匹配效果。
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阻抗匹配基本認識 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。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（请参看输出阻抗一问），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。 对于纯电阻电路，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，这叫做共厄匹配。 Z=R+jX ﹐Z=R-jX 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
辽宁大学学报 自然科学版 第28卷 第3期 2001年 JOURNAL OF LIAONING UNIV ERSITY Natural Sciences Edition V ol.28 N o.3 2001 关于阻抗匹配问题的分析 郭继红Ξ (辽宁大学信息科学与技术学院,辽宁沈阳110036) 摘 要:就输入电路与输出电路之间的功率传输关系而言,当电路实现阻抗匹配时,电路 将获得最大的输出功率,实现理想的效果. 关键词:阻抗;纯电阻;阻抗匹配. 中图分类号:T N911 文献标识码:A 文章编号:100025846(2001)0320257203 阻抗匹配是无线电技术中常用的一种工作状态,它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系.当电路实现阻抗匹配时,将获得最大的功率传输.反之,当电路阻抗失配时,不但得不到最大的功率传输,还可能对电路产生损害. 阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测量电路之间、天线与接收机或发射机与天线之间,等等.例如,扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阻抗匹配,不匹配时,扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器.如果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗,扩音机就处于过载状态,其末级功率放大管很容易损坏.反之,如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多,会引起输出电压升高,同样不利于扩音机的工作,声音还会产生失真.因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好.又如,无线电发射机的输出阻抗与馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致.如果阻抗值不一致,发射机输出的高频能量将不能全部由天线发射出去.这部分没有发射出去的能量会反射回来,产生驻波,严重时会引起馈线的绝缘层及发射机末级功放管的损坏.为了使信号和能量有效地传输,必须使电路工作在阻抗匹配状态,即信号源或功率源的内阻等于电路的输入阻抗,电路的输出阻抗等于负载的阻抗.在一般的输入、输出电路中常含有电阻、电容和电感元件,由它们所组成的电路称为电抗电路,其中只含有电阻的电路称为纯电阻电路.下面对纯电阻电路和电抗电路的阻抗匹配问题分别进行简要的分析. 1 纯电阻电路 把一个电阻为R的用电器,接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上(如图1所示),在什么条件下电源输出的功率最大呢?这个问题运用全电路欧姆定律I=EΠ(R+ Ξ收稿日期:2001203205 作者简介:郭继红(19572),男,沈阳市人,实验师,从事高频电子线路实验和电视图像处理研究
怎样理解阻抗匹配 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（请参看输出阻抗一问），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。对于纯电阻电路，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
差分的匹配多数采用终端的匹配；时钟采用源端匹配； 1、串联终端匹配 串联终端匹配的理论出发点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，使源端的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 信号在负载端的反射系数接近＋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器具有很大的电流驱动能力。 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37Ω，在高电平时典型的输出阻抗为45Ω[4]；TTL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TTL 或CMOS 电路来说，不可能有十分正确的匹配电阻，只能折中考虑。 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波形就会象图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入额外的阻抗；而且只需要一个电阻元件。 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入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，芯片的输入阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载端的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50Ω，则R值为50Ω。如果信号的高电平为5V，则信号的静态电流将达到100mA。由于典型的TTL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。这是因为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：
电化学阻抗谱的应用及其解析方法 交流阻抗法是电化学测试技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。特别是近年来，由于频率响应分析仪的快速发展,交流阻抗的测试精度越来越高，超低频信号阻抗谱也具有良好的重现性，再加上计算机技术的进步，对阻抗谱解析的自动化程度越来越高，这就使我们能更好的理解电极表面双电层结构，活化钝化膜转换，孔蚀的诱发、发展、终止以及活性物质的吸脱附过程。 阻抗谱中的基本元件 交流阻抗谱的解析一般是通过等效电路来进行的，其中基本的元件包括：纯电阻R ，纯电容C ，阻抗值为1/j ωC ，纯电感L ，其阻抗值为j ωL 。实际测量中，将某一频率为ω的微扰正弦波信号施加到电解池，这是可把双电层看成一个电容，把电极本身、溶液及电极反应所引起的阻力均视为电阻，则等效电路如图1所示。 图1. 用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的等效电路 图中A 、B 分别表示电解池的研究电极和辅助电极两端，Ra 、Rb 分别表示电极材料本身的电阻，Cab 表示研究电极与辅助电极之间的电容，Cd 与Cd ’表示研究电极和辅助电极的双电层电容，Zf 与Zf ’表示研究电极与辅助电极的交流阻抗。通常称为电解阻抗或法拉第阻抗，其数值决定于电极动力学参数及测量信号的频率，Rl 表示辅助电极与工作电极之间的溶液 电阻。一般将双电层电容Cd 与法拉第阻抗的并联称为界面阻抗Z 。 实际测量中，电极本身的内阻很小，且辅助电极与工作电极之间的距离较大，故电容Cab 一般远远小于双电层电容Cd 。如果辅助电极上不发生电化学反映，即Zf ’特别大，又使辅助 电极的面积远大于研究电极的面积（例如用大的铂黑电极），则Cd ’很大，其容抗Xcd ’比串 联电路中的其他元件小得多，因此辅助电极的界面阻抗可忽略，于是图1可简化成图2，这也是比较常见的等效电路。 图2. 用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的简化电路 Element Freedom Value Error Error %Rs Free(+)2000N/A N/A Cab Free(+)1E-7N/A N/A Cd Fixed(X)0N/A N/A Zf Fixed(X)0N/A N/A Rt Fixed(X)0N/A N/A Cd'Fixed(X)0N/A N/A Zf'Fixed(X)0N/A N/A Rb Free(+)10000N/A N/A Data File: Circuit Model File:C:\Sai_Demo\ZModels\12861 Dummy Cell.mdl Mode: Run Fitting / All Data Points (1 - 1) Element Freedom Value Error Error %Rs Fixed(X )1500N/A N/A Zf Fixed(X )5000N/A N/A Cd Fixed(X ) 1E-6 N/A N/A Data File: Circuit Model File:C:\Sai_Demo\ZModels\Tutor3 R-C.mdl Mode: Run Simulation / Freq. Range (0.01 - 10000Maximum Iterations: 100 B
说明：信号源输出阻抗一般都为50ohm ，信号源面板显示的输出信号幅度，频率是图2处信号的幅度，频率。 （1）若负载输入阻抗为50ohm ，则信号源输出与负载输入匹配，则负载获得的信号幅度，频率与2处的电压幅度理论上一致。 （2）若负载输入阻抗为1Mohm ，则信号源输出与负载输入不匹配，则负载获得的信号幅度，频率与1处的电压幅度理论上一致。 ◆ 纯电阻电路：低频和高频都存在；（匹配） 1、 负载电阻R 电压：1 1l i i R U U U r R r R = =++；负载电阻越大，则负载获得的电压越高。 2、 负载R 电流：i l U i R r = +；负载越小，则负载获得的电流越小。 3、 负载获得的功率：2 22222//24l i l i i U U R r P i R U R U R r R R r R r ????====++≤ ? ?+???? ；当且 仅当R=r 时；负载功率最大。 ◆ 存在容性和感性阻抗时，（共轭匹配） 共轭匹配：当交流电路中含有容性或感性阻抗时，若信号源与负载阻抗的实部相等，虚 部互为相反数，此时负载获得最大功率。 源电抗：r r Z r jX =+
负载电抗：R R Z R jX =+ 负载功率： ()() ()()()()22 22 22222 142R r R r R r R r U R U U U P r R r X X R r X X r X X R r X X R R R R = ==≤??+++??+++++++++ ????? 当且仅当R r R r X X =??=-?时，负载获得最大功率。 结论： 1、需要大的电流输出，则选择小的负载R ； 2、需要大的电压输出，则选择大的负载R ； 3、需要输出最大功率，则选择与信号源内阻匹配的电阻R 。（功率传递！） 低频时，信号的波长相对与传输线来说很长，传输线可以看成短线，反射可以不考虑。 高频时，f c λ=；信号频率很高时，信号的波长就很短，当波长和传输线的长度可以比拟时，反射信号叠加在原来信号上将会改变原信号的形状。例：传输线的特性阻抗跟负载阻抗不匹配时，在负载端就产生反射，能量传输不过去，降低效率，功率发射不出去，甚至会顺坏发射设备。 当信号源和传输线、负载的阻抗相互匹配时候，有更多的能量从信号源中发射出来！！！ 问题：、25kHz~80kHz 用示波器50ohm 输入阻抗实测，为何信号源输出和示波器显示信号的幅度不一致？（据说这种射频源有些频段幅度不准,建议下次问问罗德斯瓦茨做源的代理）
阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图：基本原理 在处理RF系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO 输出与混频器输入之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。 在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。 有很多种阻抗匹配的方法，包括 ?计算机仿真：由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。 ?手工计算：这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。 ?经验：只有在RF领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之，它只适合于资深的专家。 ?史密斯圆图：本文要重点讨论的内容。 本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识，并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹配网络元件的数值。当然，史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。 图1. 阻抗和史密斯圆图基础 基础知识 在介绍史密斯圆图的使用之前，最好回顾一下RF环境下(大于100MHz) IC连线的电磁波传播现象。这对RS-485传输线、PA和天线之间的连接、LNA和下变频器/混频器之间的连接等应用都是有效的。
USB识别及阻抗匹配 2016/11/22 修改记录： 目录 https://www.doczj.com/doc/5618702007.html,B传送数率......................................................................................................................... https://www.doczj.com/doc/5618702007.html,B接口定义......................................................................................................................... https://www.doczj.com/doc/5618702007.html,B识别................................................................................................................................. 2.1.全速和低速识别...................................................................................................................... 2.2.高速识别.................................................................................................................................. https://www.doczj.com/doc/5618702007.html,B匹配.................................................................................................................................
我来大概概括一下ADC输入阻抗的问题： 1:SAR型ADC这种ADC内阻都很大，一般500K以上。即使阻抗小的ADC，阻抗也是固定的。所以即使只要被测源内阻稳定，只是相当于电阻分压，可以被校正。 2:开关电容型，如TLC2543之类。他要求很低的输入阻抗用于对内部采样电容快速充电。这时最好有低阻源，否则会引起误差。实在不行，可以外部并联一很大的电容，每次被取样后，大电容的电压下降不多。因此并联外部大电容后，开关电容输入可以等效为一个纯阻性阻抗，可以被校正。 3：FLASH.html">FLASH型（直接比较型）。大多高速ADC都是直接比较型，也称闪速型（FLASH），一般都是低阻抗的。要求低阻源。对外表现纯阻性，可以和运放直接连接 4：双积分型大多输入阻抗极高，几乎不用考虑阻抗问题 5：Sigma-Delta型。这是目前精度最高的ADC类型，也是最难伺候的一种ADC。重点讲一下要注意的问题： a.内部缓冲器的使用。SigmaDelta型ADC属于开关电容型输入，必须有低阻源。所以为了简化外部设计，内部大多集成有缓冲器。缓冲器打开，则对外呈现高阻，使用方便。但要注意了，缓冲器实际是个运放。那么必然有上下轨的限制。大多数缓冲器都是下轨50mV，上轨AVCC-1.5V。在这种应用中，共莫输入范围大大的缩小，而且不能到测0V。一定要特别小心！一般用在电桥测量中，因为共模范围都在1/2VCC附近。不必过分担心缓冲器的零票，通过内部校零寄存器
很容易校正的。 b.输入阻抗问题。SigmaDelta型ADC属于开关电容型输入，在低阻源上工作良好。但有时候为了抑制共模或抑制乃奎斯特频率外的信号，需要在输入端加RC滤波器，一般DATASHEET上会给一张最大允许输入阻抗和C和Gain的关系表。这时很奇怪的一个特性是，C越大，则最大输入阻抗必须随之减小！刚开始可能很多人不解，其实只要想一下电容充电特性久很容易明白的。还有一个折衷的办法是，把C取很大，远大于几百万倍的采样电容Cs(一般4~20PF),则输入等效纯电阻，分压误差可以用GainOffset寄存器校正。 c.运放千万不能和SigmaDelta型ADC直连！前面说过，开关电容输入电路电路周期用采样电容从输入端采样，每次和运放并联的时候，会呈现低阻，和运放输出阻抗分压，造成电压下降，负反馈立刻开始校正，但运放压摆率(SlewRate)有限，不能立刻响应。于是造成瞬间电压跌落，取样接近完毕时，相当于高阻，运放输出电压上升，但压摆率使运放来不及校正，结果是过冲。而这时正是最关键的采样结束时刻。 所以，运放和SD型ADC连接，必须通过一个电阻和电容连接（接成低通）。而RC的关系又必须服从5.c里面所述规则。 d.差分输入和双极性的问题。SD型ADC都可以差分输入，都支持双极性输入。但这里的双极性并不是指可以测负压，而是Vi+Vi-两脚之间的电压。假设Vi-接AGND，那么负压测量范围不会超过-0.3V。正确的接法是Vi+Vi-共模都在-0.3~VCC之间差分输入。一个典型的
差分线对在高速PCB设计中的应用 时间:2007-04-28 来源: 作者:王延辉谢锘点击：3269 字体大小:【大中小】 摘要:在高速数字电路设计过程中，工程师采取了各种措施来解决信号完整性问题，利用差分线传输高速数字信号的方法就是其中之一。在PCB中的差分线是耦合带状线或耦合微带线，信号在上面传输时是奇模传输方式，因此差分信号具有抗干扰性强，易匹配等优点。随着人们对数字电路的信息传输速率要求的提高，信号的差分传输方式必将得到越来越广泛的应用。 1 用差分线传输数字信号 如何在高速系统设计中考虑信号完整性的因素，并采取有效的控制措施，已成为当今国内外系统设计工程师和PCB设计业界的一个热门课题。利用差分线传输数字信号就是高速数字电路中控制破坏信号完整性因素的一项有效措施。 在印刷电路板上的差分线，等效于工作在准TEM模的差分的微波集成传输线对，其中，位于PCB顶层或底层的差分线等效于耦合微带线；位于多层PCB的内层的差分线，正负两路信号在同一层的，等效于侧边耦合带状线，正负两路在相邻层的，等效于宽边耦合带状线。数字信号在差分线上传输时是奇模传输方式，即正负两路信号的相位相差180°，而噪声以共模的方式在一对差分线上耦合出现，在接受器中正负两路的电压(或电流)相减，从而可以获得信号，消除共模噪声。而差分线对的低压幅或电流驱动输出实现了高速集成功耗的要求。 2 差分线的阻抗匹配 差分线是分布参数系统，因此在设计PCB时必须进行阻抗匹配，否则信号将会在阻抗不连续的地方发生反射，信号反射在数字波形上主要表现为上冲、下冲和振铃现象。式(1)是一个信号的上升沿(幅度为E G)从驱动端经过差分传输线到接收端的频率响应： 其中信号源的电动势为E G，内阻抗为：Z G，负载阻抗为Z L；Hl(ω)为传输线的系统函数；ΓL和ΓG分别是信号接收端和信号驱动端的反射系数，由以下两式表示： 由式(1)可以看出，传输线上的电压是由从信号源向负载传输的入射波和从负载向信号源传输的反射波的叠加。只要我们通过阻抗匹配使ΓL和ΓG等于0，就可以消除信号反射现象。在实际工程应用中，一般只要求ΓL=0，这是因为只要接收端不发生信号反射，就不会有信号反射回源端并发生源端反射。
谈谈嵌入式系统PCB设计中的阻抗匹配与0欧电阻 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。 （1）高频信号一般使用串行阻抗匹配。串行电阻的阻值为20~75Ω，阻值大小与信号频率成正比，与PCB走线宽度和长度成反比。在嵌入式系统中，一般频率大于20M的信号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。 （2）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，LVDS与RS422/485使用5类双绞线的输入端匹配电阻为100~120Ω；视频信号使用同轴电缆的匹配电阻为75Ω或50Ω、使用篇平电缆为300Ω。并行匹配电阻的阻值与传输电缆的介质有关，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。 2、0欧电阻的作用 （1）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）。 （2）在匹配电路参数不确定的时候，以0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。 （3）想测某部分电路的工作电流时，可以去掉0欧电阻，接上电流表，这样方便测量电流。 （4）在布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻起跨接作用。（5）在高频信号网络中，充当电感或电容（起阻抗匹配作用，0欧电阻也有阻抗！）。充当电感用时，主要是解决EMC问题。 （6）单点接地，例如模拟地与数字地的单点对接共地。 （7）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0欧电阻代替跳线等焊在板子上。 （8）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0欧电阻分开，调试阶段发现电源或地短路时，去掉0欧电阻可缩小查找范围。 上述功能也可使用“磁珠”替代。0欧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。
交流阻抗的原理及应用-测聚苯胺修饰电极的电化学 性能 一、实验目的 (1)掌握交流阻抗法(EIS)的实验原理及方法。 (2)了解Nyquist图和Bode图的意义。 (3)学会用Zsimpwin软件对实验数据进行拟合。 二、实验原理 交流阻抗法（alternating current impedance，AC impedance）阻抗测量原本是电学中研究线性电路网络频率响应特性的一种方法,引用到研究电极过程,成为电化学研究中的一种实验方法。控制通过电化学系统的电流或电势在小振幅的条件下随时间按正弦规律变化，同时测量相应的系统电势或电流随时间的变化，此时电极系统的频响函数就是电化学阻抗。通过阻抗可以分析电化学系统的反应机理、计算系统的相关参数。交流阻抗法是一种以小振幅的正弦波电位（或电流）为扰动信号，益加在外加直流电压上，并作用于电解池，通过测童系统在较宽频率范围的阻抗谱，获得研究体系相关动力学信息及电极界面结构信息的电化学测量方法。对于一个电解池系统，当在电极两端施加一定电压时，阴阳极会构成一个回路，在这个回路中，电子和离子的传递受到一定的阻力的作用，包括：溶液的阻力，电极的阻力。而这些阻力正好可以用电阻R进行表征。再者，在电极和溶液界面上，两相中的剩余电荷会引起静电相互作用，以及电极表面与溶液中的各种粒子（溶剂分子、溶剂化了的离子和分子等）的相互作用。 复数阻抗的测量是以复数形式给出电极在一系列频率下的阻抗，不仅能给出阻抗的绝对值，还可给出相位角，可为研究电极提供较丰富的信息。 对于一个纯粹电化学控制的电极体系，可等效成如图2一1所示的电路。
图2一1测试电池的等效电路 图2一1中，R e 为溶液电阻，C P 为电极/溶液的双电层电容,R P 为电极电阻。此等效电 路的总阻抗为: 2 p 2p 22 22p 2p 2e 1jw -1R C R C R C RP R Z P P ωω+++= 其中，实部是 2 p 2p 2p e 1R C R R Z ω++ =， 虚部是 2p 2 p 2p 2p , ,R C 2ω1R j ωωZ -+= 对于每一个w 值，都有相应的Z ’与Z ’’，在复数阻抗平面内表示为一个点连接各w 的阻抗点，得到一条曲线，成为复数阻抗曲线，如图2一2所示。 当w→∞时，半圆与Z ’轴的交点即为电解质溶液的电阻Re ；当W→0时，半圆与Z ， 轴的交点即为Re 十Rp 。一般情况下，电解质溶液的电阻Re ，可忽略，因此，根据半圆与Z ’轴的交点即可求得电极体系的电阻Rp ；当w=w xax 为半圆最高点的角频率)时，据公式q 可求得电极/溶液的双电层电容Cp 。
RFID天线阻抗自动匹配技术 射频设别( Radio Frequency Identification，RFID)技术是从20世纪90年代兴起并逐步走向成熟的一项自动识别技术，通过射频耦合方式进行非接触双向通信，达到目标识别和数据交换的目的。 RFID读写器在移动过程中，天线感应系数和阻抗的易变性造成读写器传输功率不必要的损耗和识别能力的下降。对于读写器天线阻抗的匹配，国外一些大公司的研究已经转向自动匹配方面，并有了比较成功的案例，而国内应用研究主要还集中于手动匹配方面。随着集成技术的发展，天线与读写器模块将向集成化发展，对于天线阻抗的匹配也将提出新的要求，而手动匹配是个耗时长且复杂的过程。 因此，天线阻抗的自动匹配技术也将成为一种发展趋势。本文论证了天线阻抗的手动匹配方法，并在最大化应用集成元件的情况下，提出了一种新的适用于13. 56 MHz RFID读写器的天线阻抗自动匹配方法。 1 阻抗手动匹配技术 RFID系统使用外接天线与电子标签进行无线通信。天线夹具形状和尺寸的易变性使天线的输入阻抗易随外部环境的变化还发生微弱变化，导致传输功率的无用损耗。国际上RFID 读写器天线标准阻抗一般都为50Ω，本文设定阻抗匹配目标为(50 + j0)Ω。天线电路，一般包含3个部分: (1)电磁兼容( EMC)滤波(L0 ， C0 )电路；(2)包含可调谐电容C1、C2 的匹配电路；(3)天线。 EMC滤波电路滤去了载波频率为 13. 56 MHz阻抗变换时的谐波干扰。它有一个固定的谐振频率，这个频率是实际数据传输率和最高副载波频率的结合。如用曼切斯特编码时，传输的最高数据率为424 kbit/ s，频率为848 kHz，则谐振频率为14. 408MHz。 图1 天线电路框图 在载波频率为13. 56 MHz时，通过在TX1 和TX2 两点测量天线线路的反射系数(即参数S11 )来手动调谐，直到天线电路的输入阻抗达到目标，计算方程如下： ，又有ZL = 50W，可以看出，要使(S11 ) = 50Ω， S11必须为0。 手动调谐即是交替不断调整电容C1、C2 的值，同时观察曲线变化，直到在所要求的频率点S11等于0。图2为某一天线电路在频率在10～20MHz之间变化时，其反射系数的变化曲线，其中，标记13. 56MHz的点， S11值近似为0，达到了匹配要求。 图2 经过手动匹配的天线smit图 2 阻抗自动匹配技术 本文提出了一种自动匹配技术，其电路，主要包含测量电路，匹配电路和控制电路。因为手工匹配方法耗时长，且需要良好的意识和丰富的经验来选择合适的电容，另外必须配备一些昂贵的设备，如网络分析仪或阻抗分析仪等。对于一些小公司来说，是不现实的。同时，一些手持式RF设备的发展使得手动匹配越来越不适应。对于这些移动设备，最理想的天线电路应该仅仅包含集成模块，且随着阻抗变化可以自动匹配。 图3 自动调谐匹配电路图 2. 1 测试电路 手工匹配采用的是阻抗分析仪或者网络分析仪，网络分析仪是用定向耦合器来测量天线
以太网信号质量问题之收发器驱动偏 置电阻的处理 一前言 关于系统设计人员来讲，模数混合电路中最困难的地点在于模拟部分的设计，其中最具代表性的确实是我们经常要面对的物理层收发器(PHY)及其收发回路和匹配网络的设计。即使关于应用比较成熟的以太网物理层设计而言，DAC驱动电流的基准偏置，差分信号线对的走线，乃至于匹配电阻的位置，都有可能阻碍到其物理层的信号质量并通过接口技术指标测试暴露出来。 二以太网口信号质量测试分析 1 100Base-TX接口测试环境及其设置 100Base-TX接口测试原理 100Base-TX接口的测试采纳业内比较通用的诱导发包的方法来引导DUT发出扰码后的IDLE进行测试，更多细节请参考美国力科公司《Ethernet solution-QualiPHY》专项技术文档， 测试设备： 测试拓扑如图1：
图1 Ethernet接口指标测试连接框图 2 测试中显现的咨询题 此次测试将要紧验证产品上4个以太网100Base-TX接口的技术指标。关于其中比较直观的100Base-TX物理层的眼图模板，《ANSI+X3_263-1995》标准中有着明确的眼图模板定义见图2。 图2 100Base-TX 眼图模板 关于100Base-TX接口技术指标的测试方法，《IEEE Std 802.3-2000》标准中也有详细的讲明，工程师按照诱导发包的测试方法进行了网口眼图的测试，测试过程中发觉测试网口显现了信号波形碰触模板的咨询题，波形见图3： 图3 以太网口测试眼图_FAIL 3 咨询题分析解决 从眼图初步分析来看，发送信号的幅度应该是满足要求的。然而能够明显的发觉信号边沿依旧比较缓，而且从单个波形来看边沿有不单调的咨询题。方案的原厂是一家通讯业内用心于I P宽带解决方案的国际型大公司，其以太网模块部分应该通过详细验证过。最大的可能是二次开发过程中板级系统设计时的一些关键技术参数的配合咨询题。工程师在进行了信号幅度以及上升下降时刻等细节指标的测试之后证明了之前的判定，信号的幅度是满足要求的，但信号的上升下降时刻与其他的方案
阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图: 基本原理 本文利用史密斯圆图作为RF 阻抗匹配的设计指南。文中给出了反射系数、阻抗和导 纳的作图范例，并用作图法设计了一个频率为60MHz 的匹配网络。 实践证明：史密斯圆图仍然是计算传输线阻抗的基本工具。 在处理RF 系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大 器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO 输出与混频器输入之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。 在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预 知的影响。频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF 测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。 有很多种阻抗匹配的方法，包括: ? 计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。 ? 手工计算: 这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。 ? 经验: 只有在RF 领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之，它只适合于资深的专家。 ? 史密斯圆图: 本文要重点讨论的内容。 本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识，并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹配网络元件的数值。当然，史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。 w w w . p c b t e c h .n e t
一、50ohm特征阻抗 终端电阻的应用场合：时钟，数据，地址线的终端串联，差分数据线终端并联等。 终端电阻示图 B.终端电阻的作用： 1、阻抗匹配，匹配信号源和传输线之间的阻抗，极少反射，避免振荡。 2、减少噪声，降低辐射，防止过冲。在串联应用情况下，串联的终端电阻和信号线的分布电容以及后级电路的输入电容组成RC滤波器，消弱信号边沿的陡峭程度，防止过冲。 C.终端电阻取决于电缆的特性阻抗。 D.如果使用0805封装、1/10W的贴片电阻,但要防止尖峰脉冲的大电流对电阻的影响，加30PF的电容. E.有高频电路经验的人都知道阻抗匹配的重要性。在数字电路中时钟、信号的数据传送速度快时，更需注意配线、电缆上的阻抗匹配。 高频电路、图像电路一般都用同轴电缆进行信号的传送，使用特性阻抗为Zo＝150Ω、75Ω的同轴电缆。 同轴电缆的特性阻抗Zo，由电缆的内部导体和外部屏蔽内径D及绝缘体的导电率er 决定：
另外，处理分布常数电路时，用相当于单位长的电感L和静电容量C的比率也能计算，如忽略损耗电阻，则 图1是用于测定同轴电缆RG58A/U、长度5m的输入阻抗ZIN时的电路构成。这里研究随着终端电阻RT的值，传送线路的阻抗如何变化。 图1 同轴传送线路的终端电阻构成 只有当同轴电缆的特性阻抗Zo和终端阻抗RT的值相等时，即ZIN＝Zo＝RT称为阻抗匹配。 Zo≠RT时随着频率f，ZIN变化。作为一个极端的例子，当RT＝0、RT＝∞时可理解其性质(阻抗以，λ/4为周期起伏波动)。 图2是RT＝50Ω(稍微波动的曲线)、75Ω、dOΩ时的输人阻抗特性。当Zo≠RT时由于随着频率，特性阻抗会变化，所以传送的电缆的频率特上产生弯曲.
关于阻抗匹配原则 阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间，等等。例如，扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阻抗匹配，不匹配时，扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器。如果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗，扩音机就处于过载状态，其末级功率放大管很容易损坏。反之，如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多，会引起输出电压升高，同样不利于扩，音机的工作，声音还会产生失真。因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好。又例如，无线电发信机的输出阻抗与馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致。如果阻抗值不一致，发信机输出的高频能量将不能全部由天线发射出去。这部分没有发射出去的能量会反射回来，产生驻波，严重时会引起馈线的绝缘层及发信机末级功放管的损坏。为了使信号和能量有效地传输，必须使电路工作在阻抗匹配状态，即信号源或功率源的内阻等于电路的输人阻抗，电路的输出阻抗等于负载的阻抗。在一般的输人、输出电路中常含有电阻、电容和电感元件，由它们所组成的电路称为电抗电路，其中只含有电阻的电路称为纯电阻电路。下面对纯电阻电路和电抗电路的阻抗匹配问题分别进行简要的分析。
阻抗匹配的基本原理： 1．纯电阻电路 在中学物理电学中曾讲述这样一个问题：把一个电阻为R的用电器，接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上，在什么条件下电源输出的功率最大呢？当外电阻等于内电阻时，电源对外电路输出的功率最大，这就是纯电阻电路的功率匹配。假如换成交流电路，同样也必须满足R=r这个条件电路才能匹配。 2．电抗电路 电抗电路要比纯电阻电路复杂，电路中除了电阻外还有电容和电感。元件，并工作于低频或高频交流电路。在交流电路中，电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻抗，用字母Z表示。其中，电容和电感对交流电的阻碍作用，分别称为容抗及和感抗而。容抗和感抗的值除了与电容和电感本身大小有关之外，还与所工作的交流电的频率有关。值得注意的是，在电抗电路中，电阻R，感抗而与容抗双的值不能用简单的算术相加，而常用阻抗三角形法来计算（见图2）。因而电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些，除了输人和输出电路中的电阻成分要求相等外，还要求电抗成分大小相等符号相反