¿Análisis de por qué es necesaria la adaptación de impedancias?

1. ¿Qué es la impedancia?

En electricidad, la obstrucción a la corriente en un circuito suele denominarse impedancia. La unidad de impedancia son los ohmios, a menudo representados por Z, que es un número complejo Z = R+i(ωL–1/(ωC)). Específicamente, la impedancia se puede dividir en dos partes, resistencia (parte real) y reactancia (parte imaginaria). Entre ellos, la reactancia incluye la reactancia capacitiva y la inductiva. La obstrucción de corriente causada por la capacitancia se llama reactancia capacitiva y la obstrucción de corriente causada por la inductancia se llama reactancia inductiva.

2. La importancia de la adaptación de impedancias

La adaptación de impedancia se refiere a lograr una adaptación adecuada entre la fuente de señal o línea de transmisión y la carga. La adaptación de impedancia tiene dos funciones principales: ajustar la potencia de carga y suprimir la reflexión de la señal.

1. Ajuste la potencia de carga

Suponiendo que se determina la fuente de excitación, la potencia de la carga está determinada por la coincidencia de impedancia entre las dos. Para un circuito puramente resistivo ideal o un circuito de baja frecuencia, el valor de reactancia causado por el inductor y el condensador se puede ignorar básicamente. En este momento, la fuente de impedancia del circuito es principalmente la resistencia. Como se muestra en la Figura 2, la corriente en el circuito es I=U/(r+R) y la potencia de carga P=I*I*R. De las dos ecuaciones anteriores, podemos obtener que P alcanza el valor máximo cuando R=r, Pmax=U*U/(4*r).

2. Suprimir la reflexión de la señal

Cuando se emite un haz de luz desde el aire al agua, se producirá una reflexión. Esto se debe a que las características de conductividad de la luz y el agua son diferentes. De manera similar, se producirá una reflexión si se produce la mutación de impedancia característica en la línea de transmisión durante la transmisión de la señal. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia. La longitud de onda de las señales de baja frecuencia es mucho mayor que la longitud de la línea de transmisión, por lo que generalmente no es necesario considerar los problemas de reflexión. En el campo de alta frecuencia, cuando la longitud de onda de la señal y la longitud de la línea de transmisión son de la misma magnitud, la señal reflejada es fácil de aliasr con la señal original, lo que afecta la calidad de la señal. La adaptación de impedancia puede reducir y eliminar eficazmente los reflejos de la señal de alta frecuencia.

3. Métodos de adaptación de impedancia

Hay dos métodos principales de adaptación de impedancia. Uno es cambiar la resistencia del grupo y el otro es ajustar la línea de transmisión.

Cambiar la impedancia es ajustar el valor de impedancia de carga a través de la conexión en serie y en paralelo de capacitancia, inductancia y carga para lograr la coincidencia de impedancia de fuente y carga.

Ajustar la línea de transmisión consiste en alargar la distancia entre la fuente y la carga, y ajustar la impedancia a cero con la capacitancia y la inductancia. En este momento, la señal no se emitirá y la carga absorberá la energía. En el cableado de PCB de alta velocidad, la impedancia de traza de las señales digitales generalmente está diseñada para ser de 50 ohmios. Generalmente, la banda base del cable coaxial es de 50 ohmios, la banda de frecuencia es de 75 ohmios y el par trenzado (diferencial) es de 85-100 ohmios.

4. Aplicación de adaptación de impedancia

1. Amplificador de potencia y altavoz

Ya sea un amplificador de potencia de salida de impedancia constante o voltaje constante, solo se calcula la potencia total del altavoz Las mejores condiciones de funcionamiento se pueden obtener cuando es igual a la potencia total del amplificador de potencia. Es muy difícil para un sistema de altavoces lograr una adaptación completa. Sus componentes de audio cambian constantemente. Afortunadamente, el sistema de altavoces no tiene requisitos elevados de adaptación de impedancia. El valor marcado más común de impedancia del altavoz es de 8 ohmios, lo que significa que cuando se ingresa una señal de onda sinusoidal de 1KHz, el valor de impedancia que presenta es de 8 ohmios o dentro del rango de respuesta de frecuencia de operación del altavoz, la impedancia promedio es de 8 ohmios; .

2. Trazas de PCB

En el campo de alta frecuencia, la frecuencia de la señal tiene una gran influencia en el valor de impedancia de las trazas de PCB. En términos generales, cuando el tiempo de borde de la señal digital es inferior a 1 ns o la frecuencia de la señal analógica supera los 300 M, se debe considerar el problema de la impedancia. La impedancia de traza de PCB proviene principalmente de capacitancia, resistencia e inductancia parásitas. Los factores principales incluyen la constante dieléctrica del material, el ancho de la línea, el grosor de la línea e incluso el grosor de la almohadilla. El rango de impedancia de la PCB es de 25 a 120 ohmios, y USB, LVDS, HDMI, SATA, etc. generalmente requieren un control de impedancia de 85-100 ohmios.

3. Diseño de la antena

El objetivo principal del estudio de la impedancia de la antena es lograr la coincidencia entre la antena y el alimentador. Al transmitir señales, las impedancias características de la antena transmisora ​​​​y del alimentador deben ser iguales para obtener la mejor ganancia de señal. Al recibir señales, la antena y la carga deben coincidir. Generalmente se considera que la impedancia del receptor (carga) tiene solo una parte real, por lo que se requiere una red coincidente para eliminar la parte de reactancia de la antena y hacer que sus partes de resistencia sean iguales. . La Figura 7 muestra la red de tipo π comúnmente utilizada en la adaptación de impedancia de antena. Utilice un analizador de red para medir la impedancia y determinar los valores de C1, C2 y C3 para completar la adaptación de impedancia.

4. Resistencia de coincidencia de terminales

Al diseñar el bus CAN y el bus 485, Namisoft a menudo necesita agregar resistencias de terminal (resistencias de coincidencia) en ambos extremos de la línea diferencial para reducir el riesgo de cambios repentinos en la impedancia característica de la reflexión de la señal. Como se muestra en la siguiente figura de la red de bus CAN, la impedancia característica del par trenzado es de 120 ohmios. Si ambos extremos están suspendidos directamente sin una resistencia terminal, la impedancia característica del aire es infinita. En este momento, es muy fácil que se produzca la reflexión de la señal que se muestra en la Figura 4.

Figura 8 Red de bus CAN

Para el bus CAN, dado que el punto de muestreo para que el transceptor juzgue el nivel de la señal generalmente se encuentra muy atrás, la reflexión de la señal generalmente no afecta los errores de comunicación. . Tasa. La reflexión afectará las características EMI del producto. La manifestación más directa es que los resultados del experimento del diagrama ocular son deficientes y hay dos protuberancias anormales.

Figura 10 Placa central de grado industrial M6G2C-256LI