如何判定PCB走线需要 阻抗匹配

何时应使用阻抗匹配网络？哪种网络适合系统？

答案是：“视情况而定”。如果设计两个部件之间的互连线时，源和负载的阻抗不匹配，那么则很有可能需要一个匹配网络。

是否需要阻抗匹配网络？

答案取决于信号的上升时间和沿互连线的传播延迟。如果传播延迟超过信号上升时间约50%（对于数字信号），或者超过振荡周期的四分之一（对于模拟信号），则需要考虑阻抗匹配。

对于需要输出一系列模拟信号的放大器，在确定阻抗匹配需求时，需要考虑所需的最大输出频率。这通常通过取最大输出频率（fmax），并转换为振荡周期，再将其转换为等效上升时间（teq）来实现。对于最大输出频率，该等效上升时间等于振荡周期的35%。一旦传播延迟超过该上升时间的50%，就需要阻抗匹配。

图1：放大器阻抗匹配的条件

阻抗匹配网络

首先，需要注意的是，通常只需要为负载或源组件，而不是同时为两者设计阻抗匹配网络。这是因为传输线的阻抗可以通过调整其几何形状来调整。如此一来，可以立即将走线阻抗与源或负载匹配，同时一个匹配网络将连接到另一个部件。

通常，每条单端传输线与源的阻抗都匹配，而且有一个匹配网络与负载连接。目标是改变由负载+匹配网络形成的等效电路的阻抗，使其匹配传输线的阻抗。

可供选择的有几种阻抗匹配网络：最简单的匹配网络将电阻与负载串联或并联（接地）。例如，如果源和传输线具有相同的阻抗，但负载的输入阻抗非常小，则可以将一个电阻连接到负载的输入端口，使其阻抗增加，以匹配传输线的阻抗。

电阻并联的话，会得到相反的效果。并联电阻有效地降低了负载+端接电阻并联电路的等效阻抗，使其与传输线的阻抗相匹配。下图展示了六种有效的阻抗匹配网络：

图2：源阻抗和负载阻抗的一些常见阻抗匹配网络

请注意，以上所示的源和负载的电路模型包括输出和输入电抗值，这些值通常仅由电容决定。输出/输入电容通常可以在相关部件的数据手册中找到。组件模型中的输出/输入电容需要与输出/输入电阻并联，电阻值的选择需要与目标频率下的准确阻抗值相匹配。

设计和模拟阻抗匹配网络

通常在特定频率或特定波形下模拟阻抗匹配网络。涉及模拟信号时，一些设计师发现在频域中设计更为容易。但是，如果不熟悉频域SPICE模拟，也可以使用正弦电压源在时域中进行。涉及数字信号或任意波形时，在时域中设计和模拟会好很多，因为频域模拟需要估计这些信号的功率频谱。

首先将一个源与一个具有规定阻抗的等效电阻串联，进行模拟；然后，将其串联到一个具有规定阻抗的电阻上，从而模拟传输线；最后，将其串联到负载，负载用一个具有规定阻抗的电阻表示。

为了确定网络是否与传输线的负载阻抗匹配，需要测量流经网络的电流和网络上的电压降。通过计算电压电流比可以得到阻抗；还可以计算匹配网络中累积的相位差。

图3：并联电阻阻抗匹配网络中电压和电流的大小和相位差的方程式

一旦建立了确定负载阻抗的模型，就可以调整阻抗匹配网络中电路元件值，从而确定匹配的负载何时具有所需的阻抗值。这需要循环访问连续的电路元件值。然后，可以使用Optimizer（优化器）来确定匹配阻抗所需的确切元件值。

关于阻抗受控布线的说明

阻抗受控布线是一种很好的方法，可确保走线的阻抗值与电路板中各种源和负载的阻抗匹配，进而确保电路板中大多数互连线的阻抗匹配。许多根据特定信号标准专门设计的元件可实现特定的阻抗值，因此只需考虑设计出与特定阻抗匹配的走线几何形状。

然而，即使使用特定的信号标准，也并非所有元件都能实现阻抗匹配，而且受控布线也不能消除特定互连线中的阻抗不匹配。因此，应始终分别检查负载/源的输入/输出阻抗，确定哪些互连线需要阻抗匹配网络。

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