如何设计和模拟阻抗匹配网络

当你第一次学习电路设计的时候，你只是想让它看起来更专业，你可能不会考虑像串音、电源完整性或阻抗匹配这样的事情。当我对天线和其他射频设备的匹配网络有了更多的了解后，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?答案是“视情况而定”。如果你正在设计两个组件之间的互连，其中源和负载的阻抗不匹配，那么就有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线的传播延迟。如果传播延迟超过信号上升时间的大约50%(对于数字信号)，或超过振荡周期的1 / 4(对于模拟信号)，则需要考虑阻抗匹配。

与放大器如果需要输出一系列模拟信号，则在确定阻抗匹配需求时需要考虑所需的最大输出频率。这通常是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)来实现的。这个等效上升时间等于最大输出频率振荡周期的35%。一旦传播延迟超过这个上升时间的50%，那么阻抗匹配就变得必要。

与放大器阻抗匹配的条件

几种阻抗匹配网络

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

正常情况下，每条单端传输线与源阻抗匹配，并与负载连接匹配网络。目的是改变负载+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电阻与负载串联或并联(与地面相连)。例如，如果源端和传输线具有相同的阻抗，但负载的输入阻抗非常小，可以在负载的输入端口上连接一个电阻，使负载的阻抗增加，以匹配传输线的阻抗。

如果是并联电阻，则会产生相反的效果。并联电阻有效地降低了负载+终止电阻并联电路的等效阻抗，使其与传输线阻抗匹配。6个有用的阻抗匹配网络如下图所示:

具有源阻抗和负载阻抗的一些常用阻抗匹配网络

请注意,电路模型对于上面所示的源和负载，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相关元件的数据表中找到。元件模型中的输出/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下的精确阻抗值。

阻抗匹配网络的设计与仿真

阻抗匹配网络通常以特定频率或特定波形进行模拟。当你在处理模拟信号时，一些设计者发现在频域工作更容易。然而，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，最好在时域中工作，因为频域模拟需要近似这些信号的功率谱。

你的模拟从一个串联的源和一个等效电阻开始。然后，这将串联到一个具有定义阻抗的电阻，这是为了建立传输线的模型。最后，这将串联连接到负载，这是用一个具有定义阻抗的电阻表示的。

为了确定您的网络是否正确地匹配负载阻抗到传输线，您将需要测量流经网络的电流和整个网络的压降。电压电流比的大小会告诉你阻抗。您还可以计算在匹配网络中积累的相位差。

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

一旦建立了用于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，以确定匹配负载何时具有所需的阻抗值。你需要迭代连续的电路元件值。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，以确保您的电路板中的大多数互连是阻抗匹配因为这将确保你的跟踪阻抗值匹配阻抗的各种源和负载在你的电路板。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，即使在这种情况下按照一定的信号标准工作，并非所有组件都可能是阻抗匹配的，受控路由不会消除特定互连的阻抗不匹配。您应该经常分别检查负载/源的输入/输出阻抗，以确定哪些互连需要阻抗匹配网络。

使用正确的电路模拟和分析包工作起来要容易得多OrCAD PSpice软件模拟器从节奏．当处理数字信号时，您将能够分析特定阻抗匹配网络的频域行为及其暂态行为。这一独特的包装是专门适应复杂PCB设计．

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