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阻抗匹配的基本原理及設(shè)計(jì)方法

發(fā)布時(shí)間:2019-06-12 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學(xué)里的一部分,主要用于傳輸線上,來(lái)達(dá)至所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的,幾乎不會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)源點(diǎn),從而提升能源效益。
 
阻抗匹配有兩種,一種是透過(guò)改變阻抗力(lumped-circuit matching),另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(zhǎng)(transmission line matching)。
 
要匹配一組線路,首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值,除以傳輸線的特性阻抗值來(lái)歸一化,然后把數(shù)值劃在史密斯圖上。
 
阻抗匹配的基本原理及設(shè)計(jì)方法
PCB上傳輸線的電子模型示意圖
 
改變阻抗力
 
把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來(lái),即可增加或減少負(fù)載的阻抗值,在圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地,首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180度,然后才沿電阻圈走動(dòng),再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重復(fù)以上方法直至電阻值變成1,即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/div>
 
阻抗匹配:簡(jiǎn)單的說(shuō)就是“特性阻抗”等于“負(fù)載阻抗”。
 
調(diào)整傳輸線
 
由負(fù)載點(diǎn)至來(lái)源點(diǎn)加長(zhǎng)傳輸線,在圖表上的圓點(diǎn)會(huì)沿著圖中心以逆時(shí)針?lè)较蜃邉?dòng),直至走到電阻值為1的圓圈上,即可加電容或電感把阻抗力調(diào)整為零,完成匹配。
 
阻抗匹配則傳輸功率大,對(duì)于一個(gè)電源來(lái)講,單它的內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí),輸出功率最大,此時(shí)阻抗匹配。最大功率傳輸定理,如果是高頻的話,就是無(wú)反射波。對(duì)于普通的寬頻放大器,輸出阻抗50Ω,功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配,可是如果信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長(zhǎng)度,即纜長(zhǎng)可以忽略的話,就無(wú)須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí),要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時(shí)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射,這表明所有能量都被負(fù)載吸收了.反之則在傳輸中有能量損失。高速PCB布線時(shí),為了防止信號(hào)的反射,要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個(gè)大約的數(shù)字,一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆,頻帶75歐姆,對(duì)絞線則為100歐姆,只是取個(gè)整而已,為了匹配方便。
 
阻抗從字面上看就與電阻不一樣,其中只有一個(gè)阻字是相同的,而另一個(gè)抗字呢?簡(jiǎn)單地說(shuō),阻抗就是電阻加電抗,所以才叫阻抗;周延一點(diǎn)地說(shuō),阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中,物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質(zhì)都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱(chēng)作良導(dǎo)體,電阻很大的物質(zhì)稱(chēng)作非導(dǎo)體,而最近在高科技領(lǐng)域中稱(chēng)的超導(dǎo)體,則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會(huì)阻礙電流以外,電容及電感也會(huì)阻礙電流的流動(dòng),這種作用就稱(chēng)之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱(chēng)作電容抗及電感抗,簡(jiǎn)稱(chēng)容抗及感抗。它們的計(jì)量單位與電阻一樣是歐姆,而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系,頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問(wèn)題,具有向量上的關(guān)系式,因此才會(huì)說(shuō):阻抗是電阻與電抗在向量上的和。
 
阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對(duì)于不同特性的電路,匹配條件是不一樣的。
 
在純電阻電路中,當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí),則輸出功率為最大,這種工作狀態(tài)稱(chēng)為匹配,否則稱(chēng)為失配。
 
當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí),為使負(fù)載得到最大功率,負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系,即電阻成份相等,電抗成份只數(shù)值相等而符號(hào)相反。這種匹配條件稱(chēng)為共扼匹配。
 
史密斯圖(Smith chart)是一款用于電機(jī)與電子工程學(xué)的圖表,主要用于傳輸線的阻抗匹配上。一條傳輸線(transmission line)的阻抗(impedance)會(huì)隨其物理長(zhǎng)度而改變,要設(shè)計(jì)一套阻抗匹配(Impedance matching)的電路,需要通過(guò)不少繁復(fù)的計(jì)算程序,史密斯圖的特點(diǎn)便是省卻一些計(jì)算程序。
 
該圖表是由菲利普•史密斯(Phillip Smith)于1939年發(fā)明的,當(dāng)時(shí)他在美國(guó)的RCA公司工作。史密斯曾說(shuō)過(guò),“在我能夠使用計(jì)算尺的時(shí)候,我對(duì)以圖表方式來(lái)表達(dá)數(shù)學(xué)上的關(guān)聯(lián)很有興趣。”
 
史密斯圖的基本在于以下的算式
 
阻抗匹配的基本原理及設(shè)計(jì)方法
 
當(dāng)中的Γ代表其線路的反射系數(shù)(reflection coefficient),即S-parameter里的S11,zL是歸一負(fù)載值,即ZL / Z0。當(dāng)中,ZL是電路的負(fù)載值;Z0是傳輸線的特性阻抗值,通常會(huì)使用50Ω。
 
圖表中的圓形線代表電阻抗力的實(shí)數(shù)值,即電阻值,中間的橫線與向上和向下散出的線則代表電阻抗力的虛數(shù)值,即由電容或電感在高頻下所產(chǎn)生的阻力,當(dāng)中向上的是正數(shù),向下的是負(fù)數(shù)。圖表最中間的點(diǎn)(1+j0)代表一個(gè)已匹配(matched)的電阻數(shù)值(ZL),同時(shí)其反射系數(shù)的值會(huì)是零。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長(zhǎng)度是1,即100%反射。在圖邊的數(shù)字代表反射系數(shù)的角度(0-180度)和波長(zhǎng)(由零至半個(gè)波長(zhǎng))。
 
有一些圖表是以導(dǎo)納值(admittance)來(lái)表示,把上述的阻抗值版本旋轉(zhuǎn)180度即可。
 
自從有了計(jì)算機(jī)后,此種圖表的使用率隨之而下,但仍常用來(lái)表示特定的資料。對(duì)于就讀電磁學(xué)及微波電子學(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō),在解決課本問(wèn)題仍然很實(shí)用,因此史密斯圖至今仍是重要的教學(xué)用具。
 
在學(xué)術(shù)論文里,量度儀器的結(jié)果也常會(huì)以史密斯圖來(lái)表示。
 
一、阻抗匹配的研究
 
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。阻抗匹配的技可術(shù)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。
 
例如:差分的匹配多數(shù)采用終端匹配;時(shí)鐘采用源段匹配;
 
1.1、 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。
 
相對(duì)并聯(lián)匹配來(lái)說(shuō),串聯(lián)匹配不要求信號(hào)驅(qū)動(dòng)器具有很大的電流驅(qū)動(dòng)能力。
 
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。可以看出,有一段時(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。
 
1.2、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。實(shí)現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。
 
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(chēng)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;
⑶、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(jiàn)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(wèn)題在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒(méi)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。
 
二、將信號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花
 
2.1、數(shù)位系統(tǒng)之多層板信號(hào)線(Signal Line)中,當(dāng)出現(xiàn)方波信號(hào)的傳輸時(shí),可將之假想成為軟管(hose)送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱,另一端接在水龍頭。當(dāng)握管處所施壓的力道恰好,而讓水柱的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時(shí),則施與受兩者皆歡而順利完成使命,豈非一種得心應(yīng)手的小小成就?
 
2.2、然而一旦用力過(guò)度水注射程太遠(yuǎn),不但騰空越過(guò)目標(biāo)浪費(fèi)水資源,甚至還可能因強(qiáng)力水壓無(wú)處宣泄,以致往來(lái)源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折,而且還大捅紕漏滿臉豆花呢!
 
2.3、反之,當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者,則照樣得不到想要的結(jié)果。過(guò)猶不及皆非所欲,唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。
 
2.4、上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié),正可用以說(shuō)明方波(Square Wave)信號(hào)(Signal)在多層板傳輸線(Transmission Line,系由信號(hào)線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成)中所進(jìn)行的快速傳送。此時(shí)可將傳輸線(常見(jiàn)者有同軸電纜Coaxial Cable,與微帶線Microstrip Line或帶線Strip Line等)看成軟管,而握管處所施加的壓力,就好比板面上“接受端”(Receiver)元件所并聯(lián)到Gnd的電阻器一般,可用以調(diào)節(jié)其終點(diǎn)的特性阻抗(Characteristic Impedance),使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。
 
三、傳輸線之終端控管技術(shù)(Termination)
 
3.1、由上可知當(dāng)“信號(hào)”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn),欲進(jìn)入接受元件(如CPU或Meomery等大小不同的IC)中工作時(shí),則該信號(hào)線本身所具備的“特性阻抗”,必須要與終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行,如此才不致任務(wù)失敗白忙一場(chǎng)。用術(shù)語(yǔ)說(shuō)就是正確執(zhí)行指令,減少噪聲干擾,避免錯(cuò)誤動(dòng)作”。一旦彼此未能匹配時(shí),則必將會(huì)有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈,進(jìn)而形成反射噪聲(Noise)的煩惱。
 
3.2、當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗(Z0)被設(shè)計(jì)者訂定為28ohm時(shí),則終端控管的接地的電阻器(Zt)也必須是28ohm,如此才能協(xié)助傳輸線對(duì)Z0的保持,使整體得以穩(wěn)定在28 ohm的設(shè)計(jì)數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下,信號(hào)的傳輸才會(huì)最具效率,其“信號(hào)完整性”(Signal Integrity,為信號(hào)品質(zhì)之專(zhuān)用術(shù)語(yǔ))也才最好。
 
四、特性阻抗(Characteristic Impedance)
 
4.1、當(dāng)某信號(hào)方波,在傳輸線組合體的信號(hào)線中,以高準(zhǔn)位(High Level)的正壓信號(hào)向前推進(jìn)時(shí),則距其最近的參考層(如接地層)中,理論上必有被該電場(chǎng)所感應(yīng)出來(lái)的負(fù)壓信號(hào)伴隨前行(等于正壓信號(hào)反向的回歸路徑Return Path),如此將可完成整體性的回路(Loop)系統(tǒng)。該“信號(hào)”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以凍結(jié),即可想象其所遭受到來(lái)自信號(hào)線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值(Instantanious Impedance),此即所謂的“特性阻抗”。是故該“特性阻抗”應(yīng)與信號(hào)線之線寬(w)、線厚(t)、介質(zhì)厚度(h)與介質(zhì)常數(shù)(Dk)都扯上了關(guān)系。
 
4.2、阻抗匹配不良的后果由于高頻信號(hào)的“特性阻抗”(Z0)原詞甚長(zhǎng),故一般均簡(jiǎn)稱(chēng)之為“阻抗”。讀者千萬(wàn)要小心,此與低頻AC交流電(60Hz)其電線(并非傳輸線)中,所出現(xiàn)的阻抗值(Z)并不完全相同。數(shù)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都能管理妥善,而控制在某一范圍內(nèi)(±10﹪或 ±5﹪)者,此品質(zhì)良好的傳輸線,將可使得噪聲減少,而誤動(dòng)作也可避免。但當(dāng)上述微帶線中Z0的四種變數(shù)(w、t、h、r)有任一項(xiàng)發(fā)生異常,例如信號(hào)線出現(xiàn)缺口時(shí),將使得原來(lái)的Z0突然上升(見(jiàn)上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)),而無(wú)法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻(Continuous)時(shí),則其信號(hào)的能量必然會(huì)發(fā)生部分前進(jìn),而部分卻反彈反射的缺失。如此將無(wú)法避免噪聲及誤動(dòng)作了。例如澆花的軟管突然被踩住,造成軟管兩端都出現(xiàn)異常,正好可說(shuō)明上述特性阻抗匹配不良的問(wèn)題。
 
4.3、阻抗匹配不良造成噪聲上述部分信號(hào)能量的反彈,將造成原來(lái)良好品質(zhì)的方波信號(hào),立即出現(xiàn)異常的變形(即發(fā)生高準(zhǔn)位向上的Overshoot,與低準(zhǔn)位向下的Undershoot,以及二者后續(xù)的Ringing)。此等高頻噪聲嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作,而且當(dāng)時(shí)脈速度愈快時(shí)噪聲愈多也愈容易出錯(cuò)。
 
五、長(zhǎng)線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ湓O(shè)計(jì)
 
對(duì)于高頻信號(hào)來(lái)說(shuō),如果時(shí)鐘脈沖信號(hào)的脈寬足夠長(zhǎng),那么出現(xiàn)在該時(shí)鐘脈沖信號(hào)上的反射能量和振鈴能量,將由原來(lái)的一個(gè)變成兩個(gè)或者更多,因而導(dǎo)致系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)出現(xiàn)異常。此外,反射還會(huì)使邏輯器件的噪聲容限變差。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,由于雷達(dá)輸出信號(hào)為1 kΩ阻抗,因而不利于長(zhǎng)線傳輸,并產(chǎn)生信號(hào)反射現(xiàn)象。反射結(jié)果對(duì)模擬的正弦波信號(hào)形成駐波,數(shù)字信號(hào)則表現(xiàn)為上升沿和下降沿的振鈴和過(guò)沖。該過(guò)沖不僅會(huì)形成強(qiáng)烈的電磁干擾,也會(huì)損壞用于后級(jí)輸入電路的保護(hù)二極管,甚至失效。圖1示出信號(hào)過(guò)沖波形。一般而言,過(guò)沖超過(guò)O.7 V就應(yīng)采取相應(yīng)措施,在圖2中,信號(hào)源阻抗、負(fù)載阻抗是造成信號(hào)反射的主要原因。因此要將阻抗變換為50Ω。以利于長(zhǎng)線傳輸。根據(jù)史密夫圖表可知,電容或電感與負(fù)載串聯(lián),可增加或減少負(fù)載阻抗,且其圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果電容或電感接地,則圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180°。然后才沿電阻圈走動(dòng),再沿中心旋轉(zhuǎn)180°。重復(fù)上述方法直至電阻值變?yōu)?,即可直接把阻抗力變?yōu)榱?,這樣就完成匹配。
 
阻抗匹配的基本原理及設(shè)計(jì)方法
阻抗匹配的基本原理及設(shè)計(jì)方法
 
5.1、系統(tǒng)工作原理
 
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,首先用變壓器隔離雷達(dá)輸出信號(hào),然后通過(guò)分壓跟隨放大,使電容隔離,最后輸出6路頻率碼。圖3和圖4分別給出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖和具體電路設(shè)計(jì)。
 
阻抗匹配的基本原理及設(shè)計(jì)方法
阻抗匹配的基本原理及設(shè)計(jì)方法
 
5.2、器件選擇依據(jù)與匹配計(jì)算
 
A、變壓器的選擇
 
隔離變壓器選用1:1的變壓器。由于次級(jí)不與地相連,因此次級(jí)上任一根線與地之間都沒(méi)有電位差。隔離變壓器的特點(diǎn)就是初級(jí)與次級(jí)隔開(kāi),使他們之間不產(chǎn)生回路,但1:1的隔離變壓器嚴(yán)禁次級(jí)接地。其原理如圖5所示。
 
阻抗匹配的基本原理及設(shè)計(jì)方法
 
若次級(jí)繞組與初級(jí)繞組的匝數(shù)不同,則感應(yīng)電勢(shì)E1與E2的大小也不相同。當(dāng)略去內(nèi)阻抗壓降后,電壓U1和U2的大小也不同。當(dāng)變壓器次級(jí)空載時(shí),初級(jí)僅流過(guò)主磁通的電流In,該電流稱(chēng)之為激磁電流。當(dāng)次級(jí)加負(fù)載,即流過(guò)負(fù)載電流I2時(shí),鐵心中將產(chǎn)生磁通,以力圖改變主磁通,但當(dāng)初級(jí)電壓不變時(shí),主磁通也不變。此時(shí),初級(jí)就要流過(guò)兩部分電流,一部分為激磁電流I0,一部分為平衡電流I2,所以這部分電流將隨I2的變化而變化。電流乘以匝數(shù)就是磁勢(shì)。其平衡作用實(shí)質(zhì)上是磁勢(shì)平衡作用,變壓器就是通過(guò)磁勢(shì)平衡作用實(shí)現(xiàn)了初次級(jí)的能量傳遞。由于變壓器不消耗功率,且產(chǎn)生的噪聲可以忽略不計(jì),所以信號(hào)頻率很高,而且A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端不允許有很大的附加噪聲。因此,選擇T1—6T型變壓器來(lái)隔離并驅(qū)動(dòng)后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換器。
 
B、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇
 
在選用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí),主要考慮其驅(qū)動(dòng)電路性能以及跟隨放大功能。為此,根據(jù)所需供電電壓、帶寬速率及電路簡(jiǎn)化原則,初步選用AD8051型A/D轉(zhuǎn)換器。采用電壓反饋電路,要使輸出幅值與輸入幅值不變,可根據(jù)電壓負(fù)反饋:Auf=U0/UI=1+9RF/R,因此通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將其放大2倍,但A138051速率較AD818的速率低,波形也有一定的延遲。圖6示出采用AD8051器件的輸出電壓u1和采用AD818器件的輸出電壓u2的比較。當(dāng)頻率在高頻段不斷升高時(shí),特性阻抗會(huì)漸近于固定值。根據(jù)戴維南終端匹配輸入阻抗中兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線特性阻抗相匹配的原則,應(yīng)在傳輸線的另一端連接與之匹配的電阻,其阻值為傳輸線的特性阻抗值。設(shè)計(jì)中,傳輸線的阻抗為50Ω,這樣在傳輸終端匹配電阻與源端電阻50Ω匹配后形成分壓,最后輸出值與原輸入相同,但有約20ns的延遲。
 
C、結(jié)語(yǔ)
 
研究長(zhǎng)線傳輸阻抗匹配的關(guān)鍵在于建立匹配模型和計(jì)算阻抗。由于阻抗的計(jì)算誤差會(huì)大大影響信號(hào)的傳輸,所以在阻抗不匹配的情況下,將導(dǎo)致信號(hào)數(shù)據(jù)誤碼或重傳。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,即使1%的重傳率,也會(huì)增大雷達(dá)信號(hào)脈沖的誤差,造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提供的長(zhǎng)線傳輸匹配方法是行之有效的,它對(duì)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)在阻抗匹配中的應(yīng)用,以及控制和分析特征阻抗具有一定的參考價(jià)值。
 
 
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