傳輸線
就像講歷史,不得不插一段軍事理論課一樣,想把我們的50Ω講明白,那也不得不講一下這個(gè)傳輸線了。眾所周知,電信號(hào)實(shí)際上是以電磁波的形式在傳輸線中傳播的。當(dāng)傳輸線的尺寸不再遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)時(shí),就不得不考慮這個(gè)“波”的特性了。
光在傳輸介質(zhì)發(fā)生改變時(shí)會(huì)發(fā)生反射,電信號(hào)也一樣。反射會(huì)帶來(lái)什么呢,您的信號(hào)可能就會(huì)成這樣。
瞬時(shí)阻抗就是電信號(hào)在傳輸線上某一點(diǎn)所受的阻抗,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),均勻傳輸線的瞬時(shí)阻抗是個(gè)純阻性的,與頻率無(wú)關(guān),就像個(gè)電阻,而且瞬時(shí)阻抗只與傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)和填充材料有關(guān),所以又叫做特性阻抗。既然瞬時(shí)阻抗像電阻,那我們就給負(fù)載并聯(lián)一個(gè)電阻,讓總阻值和特性阻抗相等,這樣信號(hào)就不會(huì)有太大的反感,會(huì)屈尊降貴的傳到負(fù)載中去而不會(huì)反射回來(lái),您的電路也就清凈了。這種方法叫做終端匹配。
還有一種方法就是源端匹配,即在源端串入一個(gè)電阻,使其與信號(hào)源的輸出電阻相加等于傳輸線的特性阻抗,這樣就可以讓反射波的負(fù)載與傳輸線阻抗相等,從而吸收反射波,不讓其在傳輸線上撞來(lái)撞去。很多時(shí)候這兩種匹配是同時(shí)用的。
著名的50Ω
特性阻抗大小會(huì)影響信號(hào)傳輸功率、傳輸損耗、串?dāng)_等電氣性能,而其板材和幾何結(jié)構(gòu)又影響制造成本,這種情況只能找一個(gè)折中值。而50Ω正是同軸線的傳輸功率、傳輸損耗以及制造成本的一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。所以大多數(shù)高速信號(hào)都會(huì)采用50Ω特性阻抗系統(tǒng),形成標(biāo)準(zhǔn)并沿用至今,成為使用最廣泛的一種阻抗標(biāo)準(zhǔn)。比如常見的PCIE,其單端阻抗就是要求是50Ω。
這就是這個(gè)50Ω的由來(lái),但是還沒有解釋示波器上為什么會(huì)有個(gè)50Ω,是為了防止信號(hào)反射么,是的,這確實(shí)是一個(gè)原因,但是除了這點(diǎn),他還有著其他的意義。
示波器的負(fù)載效應(yīng)
相信大家都有這種經(jīng)歷,調(diào)試一個(gè)有問題的電路,想看看波形,結(jié)果接上探頭電路就正常了,拿開探頭電路就又出問題。這就是負(fù)載效應(yīng)引起的。示波器在1MΩ阻抗模式下的等效模型比較復(fù)雜,大致可以等效成是1MΩ和一個(gè)十幾pF的電容并聯(lián)在一起的形式。
這個(gè)1MΩ是示波器的規(guī)范。而電容是我們并不想要但是又不可避免的寄生參數(shù)。在DC和較低頻時(shí),1MΩ起到主導(dǎo)地位。而當(dāng)頻率超過10M以后,電容會(huì)成為主要的負(fù)載。由于這兩個(gè)參數(shù)的引入,就會(huì)使得測(cè)量時(shí)的信號(hào)與原信號(hào)有差異,從而使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。那么差異有多大呢,這也要取決于您的被測(cè)電路的輸出電阻和負(fù)載。就按上圖的例子來(lái)說。根據(jù)戴維寧定理,可變?yōu)椋?br />
圖 3
經(jīng)計(jì)算可知,如果Re的值是10Ω,而信號(hào)的頻率是200M,則示波器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)造成-0.2db左右的偏差。而如果您系統(tǒng)的Re是25Ω,那么這個(gè)偏差會(huì)達(dá)到-1db。如果是50Ω呢,100Ω呢,無(wú)疑誤差會(huì)越來(lái)越大。
示波器為了使得測(cè)量更加準(zhǔn)確,是必須在內(nèi)部加一些補(bǔ)償措施將這些偏差補(bǔ)償回來(lái)的(當(dāng)然這種補(bǔ)償只是相對(duì)于測(cè)量結(jié)果與原信號(hào)而言的,內(nèi)部補(bǔ)償是無(wú)法減小測(cè)量時(shí)信號(hào)與原信號(hào)之間的差異)。那具體應(yīng)該按那種情況來(lái)補(bǔ)償呢。前面我們已經(jīng)知道,高速信號(hào)中,50Ω系統(tǒng)是使用最廣泛的,所以我們選擇50Ω系統(tǒng)即Re=25Ω的情況下進(jìn)行補(bǔ)償。示波器廠家都會(huì)在這種情況下將信號(hào)補(bǔ)償?shù)淖詈?。所以如果您?0Ω系統(tǒng),示波器測(cè)量出的結(jié)果影響與原信號(hào)最為接近。
如果您的等效輸出電阻與25Ω相差很多且需要測(cè)量的頻率較高,則需要評(píng)估測(cè)量誤差是否在您允許的范圍內(nèi)。建議使用10:1探頭進(jìn)行測(cè)量,因?yàn)槠浼纳娙菀仁静ㄆ鞯?,?:1探頭的負(fù)載電容基本上是50pF左右的,其負(fù)載效應(yīng)比示波器本身要嚴(yán)重的多。如果10:1探頭仍然不能滿足您的需求,就要選擇寄生電容更小的有源探頭進(jìn)行測(cè)量了。
試想一下,如果用示波器直接與高頻信號(hào)發(fā)生器相連,測(cè)量信號(hào)發(fā)生器輸出的高頻信號(hào),而高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出電阻都是50Ω,那會(huì)發(fā)生什么情況呢。由上文可知,負(fù)載相應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。再結(jié)合傳輸線理論,可知會(huì)有一個(gè)反射波反射回信號(hào)源,這對(duì)于一些精密的儀器這可能是致命的。所以這時(shí)候需要加入一個(gè)50Ω端接適配器或者使用內(nèi)部50Ω檔位。這樣既大大減小信號(hào)的反射,又可以使得測(cè)量出的信號(hào)受負(fù)載效應(yīng)影響最小。這就是示波器50Ω阻抗的作用了。
示波器測(cè)量與50Ω相關(guān)的注意事項(xiàng)
結(jié)合傳輸線理論和示波器負(fù)載效應(yīng),說幾點(diǎn)在示波器測(cè)量中與50Ω有關(guān)的注意事項(xiàng)。當(dāng)然,測(cè)量較低頻率信號(hào)時(shí)不需要考慮這些。
1、當(dāng)示波器使用50Ω端接或者內(nèi)部50Ω檔位時(shí),只能夠使用50Ω同軸電纜或者一些要求做50Ω匹配的有源探頭。直接測(cè)量板載信號(hào)時(shí)則只能夠使用有源探頭,同軸電纜僅適用于測(cè)量無(wú)負(fù)載信號(hào)(如信號(hào)發(fā)生器)。
2、測(cè)量高頻信號(hào)時(shí),要注意示波器的負(fù)載效應(yīng)。測(cè)量系統(tǒng)最好是50Ω系統(tǒng),再考慮到傳輸線理論,最好用探頭直接測(cè)量負(fù)載端而不是中間的PCB。
3、在測(cè)量信號(hào)發(fā)生器輸出波形時(shí),需要進(jìn)行50Ω端接。否者測(cè)量結(jié)果將會(huì)受示波器負(fù)載效應(yīng)影響嚴(yán)重。
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