阻抗控制之基本概念(1)

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作者:XCZ 来源:硬件助手

阻抗控制部分包括两部分内容:基本概念及阻抗匹配。本篇主要介绍阻抗控制相关的一些基本概念。

1、阻抗

在具有电阻、电感和电容的电路里,对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成,但不是三者简单相加。阻抗的单位是欧。在直流电中,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。

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流动,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。此外容抗和感抗还有相位角度的问题,具有向量上的关系式,因此阻抗是电阻与电抗在向量上的和。对于一个具体电路,阻抗不是不变的,而是随着频率变化而变化。在电阻、电感和电容串联电路中,电路的阻抗一般来说比电阻大,也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中,谐振的时候阻抗增加到最大值,这和串联电路相反。

阻抗即电阻与电抗的总和,用数学形式表示为:

Z=R+jX

Z即阻抗,单位为欧姆Ω

R为电阻,单位为欧姆Ω

X为电抗,单位为欧姆Ω

当X>0时,称为感性电抗

当X=0时,电抗为0

当X<0时,称为容性电抗

对电阻为0的理想纯感抗或容抗元件,阻抗强度就是电抗的大小。一般电路的总电抗等于:

X=XL−Xc

其中XL为电路的感抗,Xc为电路的容抗。

感抗(XL)一般是因为电路中存在电感电路(如线圈等),由此产生的变化的电磁场,会产生相应的阻碍电流流动的电动力。电流变化越大,即电路频率越大,感抗越大;当频率变为0,即成为直流电时,感抗也变为0。感抗会引起电流与电压之间的相位差。感抗可由下面公式计算而来:

XL=ωL=2×π×f×L

XL就是感抗,单位为欧姆Ω

ω是角频率,单位为弧度/每秒rad/s

f是频率,单位为赫兹Hz

容抗(Xc)的概念反映了交流电可以通过电容这一特性,交流电频率越高,容抗越小,即电容的阻碍作用越小。容抗同样会引起电流与电容两端电压的相位差。容抗可由下面公式计算而来:

Xc=1/(ω×C)=1/(2×π×f×C)

Xc是容抗,单位为欧姆Ω

ω是角频率,单位为弧度/秒rad/s

f是频率,单位为赫兹Hz

C是电容,单位为法拉F

2、输入阻抗

输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin=U/I。

输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样,它反映了对电流阻碍作用的大小。

对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,表明放大器从信号源取的电流越小,放大器输入端得到的信号电压也越大,即信号源电压衰减的少,对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响。理论基础:Us=(Rs+Ri)×I。Rs为信号源内阻,Ri为放大器输入电阻。因此作为测量信号电压的示波器、电压表等仪器的放大电路应当具有较大的输入电阻。对于一般的放大电路来说,输入电阻当然是越大越好。如果想从信号源取得较大的电流,则应该使放大器具有较小的输入电阻。

而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(只适合于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题)。另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑阻抗匹配问题。

3、输出阻抗

无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来,对于一个理想的电压源(包括电源),内阻应该为0,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。输出阻抗在电路设计时最需要特别注意。

但现实中的电压源,则不能做到这一点。我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r,就是(信号源/放大器输出/电源)的内阻了。当这个电压源给负载供电时,就会有电流I从这个负载上流过,并在这个电阻上产生I×r的电压降。这将导致电源输出电压的下降,从而限制了最大输出功率。同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际的电路是不可能的。

输出电阻用来衡量放大器在不同负载条件下维持输出信号电压(或电流)恒定能力的强弱,称为其带负载能力。当放大器将放大了的信号输出给负载电阻RL时,对负载RL来说,放大器可以等效为具有内阻Ro的信号源,由这个信号源向RL提供输出信号电压和输出信号电流。Ro称为放大器的输出电阻,它是从放大器输出端向放大器本身看入的交流等效电阻。如果输出电阻Ro很小,满足Ro<<RL条件,则当RL在较大范围内变化时,就可基本维持输出信号电压的恒定。反之,如果输出电阻Ro很大,满足Ro>>RL条件,则当RL在较大范围内变化时,就可维持输出信号电流的恒定。如手机电池,它的内阻可以等效看作输出电阻,用了几年后,内阻高了,也就要报废了,因为带不动外面的东西。

  • CMOS电路的输出阻抗一般为17欧姆or 10欧姆(输出高电平和输出低电平不一样!!!输出高电平时输出阻抗为RPMOS,输出低电平时输出阻抗为RNMOS,由于RPMOS大于RNMOS,这是由MOS管的工艺决定的)。
  • TTL电路输出电阻大概为13欧姆左右。

4、奇模/偶模、差分/共模、奇模阻抗/共模阻抗、差分阻抗/共模阻抗

针对上述几个基本概念解释定义如下:

  • 奇模和偶模是指差分对的特殊的固有模态。当差分线上有相反的驱动电压时的模态称为奇模;当差分线上有相同的驱动电压时的模态称为偶模。
  • 差分和共模是指加在差分对上的特殊信号。任意信号之间的差分分量是指两信号线之间的电压差,共模分量是指两信号线之间电压的平均值。对于差分对而言,差分信号以奇模方式传播,以奇模方式传播的电压分量Vodd就是信号的差分分量;共模信号以偶模方式传播,以偶模方式传播的电压分量Veven就是信号的共模分量。
  • 奇模(偶模)阻抗是指当差分对被驱动成奇模(偶模)模态时的阻抗。奇模电压分量和偶模电压分量在传输线中传播的过程是完全能独立的,没有相互作用,两个信号分量在每条信号走线及其返回路径之间会看到不同的阻抗,即奇模阻抗和偶模阻抗。
  • 差分阻抗是指差分信号沿差分对传播时受到的阻抗,共模阻抗是指共模信号沿差分对传播时受到的阻抗。

奇模和偶模是相对于地来说的,以地作为参考面。而差分线是相对于2根线之间的关系来说的。

对于差分信号来说,差分阻抗是奇模阻抗的2倍。 

差分阻抗是奇模阻抗的2倍

对于共模信号来说,共模阻抗是偶模阻抗的一半。

共模阻抗是偶模阻抗的一半共模信号

5、特征阻抗(Characteristic Impedance)
特征阻抗是指信号沿传输线传播时,信号看到的瞬时阻抗的值。特征阻抗与PCB导线所在的板层、PCB所用的材质(介电常数)、走线宽度、导线与平面的距离等因素有关,与走线长度无关。特征阻抗可以用Polar Si9000软件计算。高速PCB布线中,一般把数字信号的走线阻抗设计为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(差分)为100欧姆。

下表是一些常见的单端/差分信号特征阻抗值。

常见的单端、差分信号特征阻抗值

在高速信号中,我们经常把差分阻抗控制在100欧姆,单端控制在50欧姆,为何不是其他的阻值呢?有人说,是因为芯片匹配要求的。那么芯片为何要把匹配做成50欧姆(100欧姆)呢?

因为,特征阻抗为30欧姆的时候,频率响应特性很好,但是传输损耗比较大。而75欧姆的特性阻抗的情况下,传输损耗比较小,但是频率特性比较差。于是最终折中到50欧姆上。

这就可以理解2M同轴线、155M同轴线都是75欧姆,而不是50欧姆的原因,是为了减少损耗,提高传输距离。

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