阻抗匹配涉及信号源、传输介质与接收端负载之间合理匹配的技术方法。这种匹配可以按照连接的配置分为串联和并联两大类;
依据信号源播放的频率范围,阻抗匹配可以区分为低频率与高频率两个不同的类型。
1.高频信号一般使用串行阻抗匹配。串行电阻的阻值为20~75Ω,阻值大小与信号频率成正比,与PCB线路板走线宽度成反比。在嵌入式系统中,一般频率大于20M的信号且PCB走线长度大于5cm时都要加串行匹配电阻,例如系统中的时钟信号、数据和地址总线信号等。串行匹配电阻的作用有两个:
A.减少高频噪声以及边沿过冲。如果一个信号的边沿非常陡峭,则含有大量的高频成分,将会辐射干扰,另外,也容易产生过冲。串联电阻与信号线的分布电容以及负载输入电容等形成一个RC电路,这样就会降低信号边沿的陡峭程度。
B.减少高频反射以及自激振荡。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即不匹配)时,在负载端就会产生反射,造成自激振荡。PCB板内走线的低频信号直接连通即可,一般不需要加串行匹配电阻。
2.并行阻抗匹配又叫“终端阻抗匹配”,一般用在输入/输出接口端,主要指与传输电缆的阻抗匹配。例如,LVDS与RS422/485使用5类双绞线的输入端匹配电阻为100~120Ω;视频信号使用同轴电缆的匹配电阻为75Ω或50Ω、使用偏平电缆为300Ω。并行匹配电阻的阻值与传输电缆的介质有关,与长度无关,其主要作用也是防止信号反射、减少自激振荡。
值得一提的是,阻抗匹配可以提高系统的EMI性能。此外,解决阻抗匹配除了使用串/并联电阻外,还可使用变压器来做阻抗变换,典型的例子如以太网接口、CAN总线等。
通常我们在PCB设计时会针对相应的高速PCB信号线做阻抗匹配,下面,列举一些常见信号的阻抗值。
USB:90Ω、HUB:90Ω、HDMI:100Ω、EDP:100Ω、LVDS:100Ω等等。
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