如何设计和模拟阻抗匹配网络

当你第一次学习电路设计时，你只是想让它看起来更专业，你可能不会考虑串扰、电源完整性或阻抗匹配等问题。当我进一步了解天线和其他射频设备的匹配网络时，我意识到阻抗匹配在高速和高频电路中的重要性。

这就引出了一个问题:什么时候应该使用阻抗匹配网络，哪种网络适合您的设备?答案肯定是“视情况而定”。如果您正在设计两个组件之间的互连，其中源和负载有不匹配的阻抗，那么您可能需要一个匹配的网络。

我需要阻抗匹配网络吗?

答案取决于信号的上升时间和沿互连的传播延迟。如果传播延迟长于信号上升时间的大约50%(对于数字信号)，或长于振荡周期的四分之一(对于模拟信号)，那么您将需要考虑阻抗匹配。

与放大器即需要输出一定范围的模拟信号，在确定需要阻抗匹配时，就需要考虑所需输出频率的最大值。这通常通过取最大输出频率(fmax)，将其转换为振荡周期，并将其转换为等效上升时间(teq)来实现。这个等效上升时间等于最大输出频率振荡周期的35%。一旦传播延迟超过该上升时间的50%，那么阻抗匹配就变得必要了。

与放大器阻抗匹配的条件

一些阻抗匹配网络

首先，重要的是要注意，您通常只需要为负载或源组件设计阻抗匹配网络，而不是同时为两者设计。这是因为传输线的阻抗可以通过调整其几何形状来调整。这允许您立即将跟踪阻抗匹配到源或负载，并且匹配的网络将连接到另一个组件。

正常情况下，每条单端传输线都与源阻抗匹配，并与负载连接一个匹配网络。目标是改变负载+匹配网络形成的等效电路的阻抗，使其与传输线的阻抗相匹配。

有几种可能的阻抗匹配网络可供选择。最简单的匹配网络将一个电阻与负载中的任何一个串联或并联(连接到地)。例如，如果源和传输线具有相同的阻抗，但负载的输入阻抗很小，则可以在负载的输入端口上连接一个电阻，使其阻抗增加以匹配传输线的阻抗。

如果是并联电阻，效果则相反。并联电阻有效地降低了负载+终端电阻并联电路的等效阻抗，使其与传输线阻抗相匹配。六种有用的阻抗匹配网络如下图所示:

有源阻抗和负载阻抗的一些常见阻抗匹配网络

注意电路模型对于源和负载，上面显示的包括输出和输入电抗值，这通常只是由于电容。输出/输入电容通常可以在感兴趣的元件的数据表中找到。组件模型中的输出/输入电容需要与输出/输入电阻平行放置，并且需要选择电阻值以匹配感兴趣频率上的准确阻抗值。

阻抗匹配网络的设计与仿真

阻抗匹配网络一般在特定频率或特定波形下进行模拟。当处理模拟信号时，一些设计人员发现在频域工作更容易。但是，如果您不熟悉频域SPICE模拟，您可以使用正弦电压源在时域工作。在处理数字信号或任意波形时，最好在时域工作，因为频域模拟需要近似这些信号的功率谱。

您的模拟开始于一个具有定义阻抗的等效电阻的串联源。然后将其串联到具有定义阻抗的电阻上，用于模拟传输线。最后，这将串联到负载，这是用一个电阻与定义阻抗表示。

为了确定您的网络是否与传输线的负载阻抗正确匹配，您将需要测量流经网络的电流和网络上的压降。电压与电流之比的大小会告诉你阻抗。您还可以计算匹配网络中累积的相位差。

并联电阻阻抗匹配网络中电压和电流的幅值和相位差方程

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的值，以确定匹配的负载何时具有所需的阻抗值。您需要遍历连续的电路元素值。然后，您可以使用Optimizer确定匹配阻抗所需的确切组件值。

关于阻抗控制路由的说明

阻抗控制路由是一种很好的方法，以确保在您的板的大多数互连阻抗匹配因为这将确保您的迹线的阻抗值与板中各种源和负载的阻抗匹配。许多为特定信号标准设计的组件将适应特定的阻抗值，您只需要考虑设计跟踪几何以匹配特定的阻抗。

然而，即使在你的情况下使用一定的信号标准，并不是所有的组件都可能是阻抗匹配的，控制路由并不能消除特定互连中的阻抗不匹配。您应该始终分别检查负载/源的输入/输出阻抗，以确定哪些互连需要阻抗匹配网络。

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