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时钟线中串联电阻的作用--阻抗匹配

时钟线上接电阻,对整个电路的影响,和输出时钟的影响

如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢?如果不匹配,则会形成反射,能量传递不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。

信号线电阻串联应用

高速信号线中才考虑使用这样的电阻,在低频信号线,一般是直接连接;

作用:

第一:阻抗匹配。因为信号源的阻抗很低,跟信号线之间阻抗不匹配,串上一个电阻后,可改善匹配情况,以减少反射,避免振荡等;

第二:可以减少信号边沿的陡峭程度,从而减少高频噪声以及过冲等,因为串联的电阻,跟信号线的分布电容以及负载的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,如果一个信号的边沿非常陡峭,含有大量的高频成分,将会辐射干扰,另外,也容易产生过冲;

阻抗匹配

阻抗匹配是指信号源或者传输线负载之间的一种合适的搭配方式阻抗匹配分为低频高频两种情况

先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源,总是有内阻的(请参看输出阻抗一问),我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。

直流电路

假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么我们可以计算:

  • 负载R的电流为:
    1
    I=U/(R+r)

负载电阻R越小,则输出电流越大。

  • 负载R的电压为:
    1
    Uo=IR=U/[1+(r/R)]

负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。

  • 负载R消耗的功率为:
    1
    2
    3
    P=I^2×R=[U/(R+r)]^2×R=U^2×R/(R^2+2xR×r+r^2)
    =U^2×R/[(R-r)^2+4×R×r]
    =U^2/{[(R-r)2/R]+4×r}

对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的注意式中[(R-r)2/R]:
R=r时,[(R-r)2/R]可取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U^2/(4×r)即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。

对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频电路及高频电路,当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共扼匹配;

在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是“短线”,反射可以不考虑(可以这么理解:因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的)

在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题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。

总结

  • 如果是高速信号线上串小电阻,那就应该是终端阻抗匹配
  • 如果是GPIO口上串了小电阻,很可能是抗小能量电压脉冲

参考

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  • 本文作者: Winddoing
  • 本文链接: https://winddoing.github.io/post/20813.html
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