電路設(shè)計(jì)中的阻抗匹配詳解-KIA MOS管

什么是阻抗匹配

相信大家在電路原理中都學(xué)到過(guò)，某個(gè)電路的負(fù)載電阻多大時(shí)，其輸出功率才是最大；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)稱為匹配，否則稱為失配。

阻抗控制在硬件設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)，IC廠商針對(duì)其應(yīng)用一般會(huì)向終端產(chǎn)商提供PCB板材質(zhì)、PCB疊層、PCB板厚等一些相關(guān)參考設(shè)計(jì)建議（這些都是跟PCB阻抗控制設(shè)計(jì)息息相關(guān)的），終端廠商在拿到這些資料后，會(huì)結(jié)合實(shí)際情況據(jù)此進(jìn)行本地化的設(shè)計(jì)調(diào)整，然后將相關(guān)設(shè)計(jì)資料及要求提供給PCB的生產(chǎn)廠家進(jìn)行PCB生產(chǎn)。

針對(duì)不同信號(hào)系統(tǒng)有不同的特征阻抗值，比如75ohm、100ohm、90ohm、50ohm等，而對(duì)頻率較高的RF信號(hào)來(lái)講，最常見(jiàn)的是50ohm的阻抗控制。

阻抗匹配的重要性

阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間達(dá)到一種適合的搭配。阻抗匹配主要有兩點(diǎn)作用，調(diào)整負(fù)載功率和抑制信號(hào)反射。

在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)中，RF傳輸線通常都會(huì)采用微帶線和帶狀線的走線方式， 且需要選取參考層來(lái)進(jìn)行阻抗控制。考慮到芯片的RF特性、實(shí)際PCB生產(chǎn)工藝、及元器件用料的因素，除了需進(jìn)行PCB RF傳輸線的阻抗控制外，在硬件設(shè)計(jì)上通常還需添加一些匹配網(wǎng)絡(luò)電路用作RF的調(diào)試。

阻抗匹配的作用主要有：

1、調(diào)整負(fù)載功率

如下圖所示：假定激勵(lì)源已定，那么負(fù)載的功率由兩者的阻抗匹配度決定。對(duì)于一個(gè)理想化的純電阻電路或者低頻電路，由電感、電容引起的電抗值基本可以忽略，此時(shí)電路的阻抗來(lái)源主要為電阻。

如圖2所示，電路中電流I=U/（r+R），負(fù)載功率P=I*I*R。由以上兩個(gè)方程可得當(dāng)R=r時(shí)P取得最大值，Pmax=U*U/（4*r）。

2、抑制信號(hào)反射

當(dāng)一束光從空氣射向水中時(shí)會(huì)發(fā)生反射，這是因?yàn)楣夂退墓鈱?dǎo)特性不同。同樣，當(dāng)信號(hào)傳輸中如果傳輸線上發(fā)生特性阻抗突變也會(huì)發(fā)生反射。

波長(zhǎng)與頻率成反比，低頻信號(hào)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳輸線的長(zhǎng)度，因此一般不用考慮反射問(wèn)題。

高頻領(lǐng)域，當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)與傳輸線長(zhǎng)出于相同量級(jí)時(shí)反射的信號(hào)易與原信號(hào)混疊，影響信號(hào)質(zhì)量。通過(guò)阻抗匹配可有效減少、消除高頻信號(hào)反射。

3、諧振頻率以及帶寬的調(diào)整

4、功率、EVM、ACLR、PA電流、傳導(dǎo)雜散和輻射雜散等指標(biāo)的調(diào)試等

阻抗匹配的理想模型

射頻工程師大都遇到過(guò)匹配阻抗的問(wèn)題，通俗的講，阻抗匹配的目的是確保能實(shí)現(xiàn)信號(hào)或能量從“信號(hào)源”到“負(fù)載”的有效傳送，其最最理想模型當(dāng)然是希望Source端的輸出阻抗為50歐姆，傳輸線的阻抗為50歐姆，Load端的輸入阻抗也是50歐姆，一路50歐姆下去，這是最理想的。

阻抗匹配到的理想模型

然而實(shí)際情況是：源端阻抗不會(huì)是50ohm，負(fù)載端阻抗也不會(huì)是50ohm，這個(gè)時(shí)候就需要若干個(gè)阻抗匹配電路，而匹配電路就是由電感和電容所構(gòu)成，這個(gè)時(shí)候我們就需要使用電容和電感來(lái)進(jìn)行阻抗匹配電路調(diào)試，以達(dá)到RF性能最優(yōu)。

在普通的寬頻帶放大器中，因?yàn)檩敵鲎杩篂?0Ω，所以需要考慮在功率傳輸電路中進(jìn)行阻抗匹配。但是，實(shí)際上當(dāng)電纜的長(zhǎng)度對(duì)于信號(hào)的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)時(shí)，就勿需阻抗匹配的。

考慮信號(hào)頻率為1MHz，其波長(zhǎng)在空氣中為300m，在同軸電纜中約為200m。在通常使用的長(zhǎng)度為1m左右的同軸電纜中，是在完全可忽略的范圍之內(nèi)。（圖H）

如果存在阻抗，那么在阻抗上就會(huì)產(chǎn)生功率消耗，所以不做阻抗匹配其結(jié)果就會(huì)使放大器的輸出功率發(fā)生無(wú)用的浪費(fèi)。

阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有兩個(gè)，一是改變組抗力，二是調(diào)整傳輸線。

改變阻抗力就是通過(guò)電容、電感與負(fù)載的串并聯(lián)調(diào)整負(fù)載阻抗值，以達(dá)到源和負(fù)載阻抗匹配。

調(diào)整傳輸線是加長(zhǎng)源和負(fù)載間的距離，配合電容和電感把阻抗力調(diào)整為零。此時(shí)信號(hào)不會(huì)發(fā)生發(fā)射，能量都能被負(fù)載吸收。高速PCB布線中，一般把數(shù)字信號(hào)的走線阻抗設(shè)計(jì)為50歐姆。一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對(duì)絞線（差分）為85-100歐姆。

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