如何在電路和傳輸線中使用輸入阻抗
熟悉傳輸線理論的設(shè)計師應(yīng)該能夠理解如何利用它來確定什么是“電氣長度”的互連，而不是僅僅根據(jù)經(jīng)驗法則使用10%的波長值。輸入阻抗在電路中也遵循類似的概念，盡管我們通常不會將電路視為由連接不同元件的傳輸線構(gòu)成。
輸入阻抗是理解電子器件中不同元件之間傳輸線連接的一個重要方面。輸入阻抗主要用于射頻設(shè)計，但它也可用于開發(fā)高速設(shè)計中的傳遞函數(shù)，然后利用因果模型預(yù)測脈沖響應(yīng)。在處理輸入阻抗時，幾乎從未涉及的一個問題是元件之間的互連如何改變傳播信號所見的阻抗。我將通過一些簡單的例子來說明這種情況是如何產(chǎn)生的，以及它如何決定信號所見的實際輸入阻抗。
了解輸入阻抗
簡要總結(jié)與輸入阻抗、特性阻抗、傳輸線和電路相關(guān)的重要定義。
電路輸入阻抗
如果我們觀察一個典型的電路，它會有多個阻抗，如下圖所示。在這個概念示例中，我們有一個具有特定輸出阻抗 (Zout) 的驅(qū)動器，并且該電路具有多個阻抗，這些阻抗組合起來形成一個輸入阻抗。在下面的示例中，輸入阻抗就是等效阻抗 Zin= Z1 + (Z2 || (Z3 + Z4 ) )。
當(dāng)驅(qū)動器激勵電路時，驅(qū)動器的輸出阻抗Zout和電路的輸入阻抗 Z in之間存在一個反射系數(shù) (S11) 。通過匹配阻抗，我們可以在每個輸入端口實現(xiàn)最小反射（如上圖所示的級聯(lián)電路所示）。輸入阻抗無法反映電路內(nèi)部各個元件之間發(fā)生了什么。構(gòu)成電路的四個阻抗中的任何一個之間都可能發(fā)生反射。
需要阻抗控制的現(xiàn)代元件通常采用片上端接技術(shù)，以便在較寬的帶寬范圍內(nèi)提供可靠的阻抗值。在非常高的頻率下，由于封裝寄生效應(yīng)（芯片電容和引腳/鍵合線電感），輸出阻抗將再次變?yōu)殡娍剐裕瑥亩拗茝尿?qū)動器到負(fù)載的功率傳輸。
以上介紹了直接連接到電路的驅(qū)動器組件的基礎(chǔ)知識。如果驅(qū)動器和負(fù)載電路之間有一條傳輸線，會發(fā)生什么情況呢？
特性阻抗
如果您在谷歌搜索“傳輸線阻抗”，最有可能在搜索結(jié)果的第一頁看到的就是特性阻抗的定義。大多數(shù)設(shè)計人員可能都熟悉特性阻抗，因為它是在集總電路模型中定義的。該模型返回以下常用的特性阻抗公式：
傳輸線的等效電路模型和特性阻抗。
在足夠高的頻率或足夠低的損耗下，特性阻抗變?yōu)榧冸娮璨⑹諗坑谝韵轮担?/span>
傳輸線在高頻極限下的特性阻抗。
請注意，這里忽略了趨膚效應(yīng)，該效應(yīng)適用于高達約1 GHz 帶寬的數(shù)字信號。您可以使用不同走線幾何形狀的標(biāo)準(zhǔn)公式，根據(jù)傳播延遲和特性阻抗推導(dǎo)出 L 和 C 的值。然后，您可以使用這些電路值來優(yōu)化走線寬度和電感，并最大限度地減少瞬態(tài)振鈴。
特性阻抗有時也稱為“浪涌阻抗”，與術(shù)語“浪涌阻抗負(fù)載”相關(guān)。電力系統(tǒng)工程師經(jīng)常使用該術(shù)語來量化通過輸電線路傳輸并在負(fù)載處看到的功率。
傳輸線+電路
現(xiàn)在，如果驅(qū)動器和接收器之間有一條傳輸線，我們會在源組件附近有一個“新的”輸入阻抗。該輸入阻抗現(xiàn)在取決于傳輸線的特性阻抗、傳輸線的長度以及沿傳輸線的傳播常數(shù)。
由此我們得到了傳輸線臨界長度的定義；它基于傳播常數(shù)、線路長度和頻率之間的關(guān)系，任何關(guān)于上升時間的規(guī)則都只是近似值，不應(yīng)用于高速設(shè)計或射頻設(shè)計。這也是大多數(shù)設(shè)計指南止步于此，不再繼續(xù)探討射頻設(shè)計或高速設(shè)計中實際情況的原因之一。
級聯(lián)元件的輸入阻抗
現(xiàn)在我們需要考慮一個實際的情況：一條傳輸線上有多個元件，甚至有多條線路，它們?nèi)考壜?lián)起來形成一個更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，輸入阻抗是多少？
讓我們考慮一下在射頻設(shè)計或PCIe 布線中可能遇到的一種常見情況，即線路上放置了一個交流耦合電容。在雷達頻率的射頻情況下，或者在較新的 PCIe 或高千兆以太網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)的超高帶寬信號下，互連就像線路各部分之間有兩段傳輸線一樣。那么，當(dāng)三個元件級聯(lián)時，輸入阻抗是多少呢？
答案是：源端的輸入阻抗與所有下游部分的輸入阻抗相關(guān)。這是一個電感問題，如下圖所示。電容器將具有其自身的輸入阻抗值(ZinC )，該值取決于傳輸線 #2 的輸入阻抗和負(fù)載阻抗。這兩個輸入阻抗將決定傳輸線 #1 的輸入阻抗。
希望您能明白這種歸納推理是如何無限延伸的。上述情況與高速數(shù)字系統(tǒng)中的復(fù)雜程度大致相同，除非您必須遍歷連接器，在這種情況下，您將處理級聯(lián)的S 參數(shù)。在射頻系統(tǒng)中，如果您現(xiàn)在必須設(shè)計阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，情況會變得非常復(fù)雜，而且由于您需要匹配系統(tǒng)各部分之間的阻抗，系統(tǒng)規(guī)模可能會變得很大。
上述系統(tǒng)應(yīng)該會引發(fā)一個懸而未決的問題：輸入端的 S 參數(shù)是什么？由于我們有一個級聯(lián)系統(tǒng)，因此您需要確定該網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián) S 參數(shù)矩陣。使用上圖所示的迭代輸入阻抗，您可以在輸入端口得到 S11，但僅此而已。要獲得完整的 S 參數(shù)，您需要使用涉及可級聯(lián)參數(shù)集的矩陣計算；ABCD 參數(shù)是理想的選擇。事實上，如果您使用 MATLAB 計算，其文檔指出他們使用 ABCD 到 S 參數(shù)的轉(zhuǎn)換來獲取上述網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián) S 參數(shù)。進行這些計算是一個好主意，因為它們可以作為評估互連設(shè)計的測量基礎(chǔ)。
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