求助：关于采集卡输入阻抗匹配的问题（急）

只看该作者 · 2009-4-7 22:21

现在有一款高速A/D采集卡（CompuScope-11G8），最高采样率达1G/s，想用来记录高速脉冲信号。采集卡的输入阻抗为50欧姆，现在的问题是：放大电路如何和这个输入阻抗进行匹配?

方法：
1、放大电路输出电压，输出端串联一个50欧姆近似电阻，传输线采用50欧姆电缆。
2、电路采用电流输出的方式，用50欧姆的输入阻抗作为采样电阻。

请问上面两个方法哪个更可行？需要注意点什么？

熟悉的大虾帮忙看看，谢谢！

1万 · 2009-4-7 22:28

只看该作者 · 2009-4-7 22:47

再看关于阻抗匹配的**，有点乱了，有几个问题想问一下：

1、在一些**中发现有三个概念：源端阻抗、传输线的特征阻抗、终端阻抗，
介绍匹配时有些是源端阻抗和传输线的特征阻抗匹配，也有些是终端阻抗和传输线的特征阻抗匹配。如果像我说的这1个方法里面，这三者的匹配方式是怎么样的吗？

2、关于匹配以后，终端收到的信号幅度是多少？
在下面的一片**中看到：“C 反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同；”。
从这篇**看出，负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同。这一点我特别想不明白？如果按照功率最大传输的定律，就直流来考虑，这个时候负载得到的信号幅度应该是V/2，为什么是V呢？高频的时候为什么会这样？

谢谢，以下是第二个问题的原文

一.阻抗匹配的研究
在高速的设计中，阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。阻抗匹配的技术可以说是丰富多样，但是在具体的系统中怎样才能比较合理的应用，需要衡量多个方面的因素。例如我们在系统中设计中，很多采用的都是源段的串连匹配。对于什么情况下需要匹配，采用什么方式的匹配，为什么采用这种方式。
例如：差分的匹配多数采用终端的匹配；时钟采用源段匹配；

1、串联终端匹配
串联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射.
串联终端匹配后的信号传输具有以下特点：
A 由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50％向负载端传播；
B 信号在负载端的反射系数接近＋1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50％。
C 反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同；
D 负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收；？
E 反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。

相对并联匹配来说，串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动能力。

选择串联终端匹配电阻值的原则很简单，就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。理想的信号驱动器的输出阻抗为零，实际的驱动器总是有比较小的输出阻抗，而且在信号的电平发生变化时，输出阻抗可能不同。比如电源电压为＋4.5V的CMOS驱动器，在低电平时典型的输出阻抗为 37Ω，在高电平时典型的输出阻抗为45Ω[4]；TTL驱动器和CMOS驱动一样，其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。因此，对TTL或CMOS 电路来说，不可能有十分正确的匹配电阻，只能折中考虑。
链状拓扑结构的信号网路不适合使用串联终端匹配，所有的负载必须接到传输线的末端。否则，接到传输线中间的负载接受到的波形就会象图3.2.5中C点的电压波形一样。可以看出，有一段时间负载端信号幅度为原始信号幅度的一半。显然这时候信号处在不定逻辑状态，信号的噪声容限很低。
串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗小，不会给驱动器带来额外的直流负载，也不会在信号和地之间引入额外的阻抗；而且只需要一个电阻元件。

2、并联终端匹配

并联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的。实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。
并联终端匹配后的信号传输具有以下特点：
A 驱动信号近似以满幅度沿传输线传播；
B 所有的反射都被匹配电阻吸收；
C 负载端接受到的信号幅度与源端发送的信号幅度近似相同。
在实际的电路系统中，芯片的输入阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载端的并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。假定传输线的特征阻抗为50Ω，则R值为50Ω。如果信号的高电平为5V，则信号的静态电流将达到100mA。由于典型的TTL或CMOS电路的驱动能力很小，这种单电阻的并联匹配方式很少出现在这些电路中。
双电阻形式的并联匹配，也被称作戴维南终端匹配，要求的电流驱动能力比单电阻形式小。这是因为两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相匹配，每个电阻都比传输线的特征阻抗大。考虑到芯片的驱动能力，两个电阻值的选择必须遵循三个原则：
⑴．两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相等；
⑵．与电源连接的电阻值不能太小，以免信号为低电平时驱动电流过大；
⑶．与地连接的电阻值不能太小，以免信号为高电平时驱动电流过大。

2万 · 2009-4-7 23:05

即：
源端阻抗、传输线的特征阻抗、终端阻抗都要匹配

为什么呢？
   因为射频信号在传输时，也会和光线一样，只要阻抗发生变化，就会在变化的地方产生反射和折射
   功率小时，最多也就是重影、传输错误；而功率很大时，输出信号被反射回发射管，还可能会烧毁发射管哦（当然，小信号不会啦）

   而要想消除反射的影响，当然是保证传输过程中任何点的阻抗都一致啦，比如源端阻抗、传输线的特征阻抗、终端阻抗

而输出的以便阻抗视为0，所以要串电阻；而输入端，阻抗视为无穷大，当然就要并电阻了

只看该作者 · 2009-4-7 23:57

谢谢XWJ的解释！还有一个问题：

匹配一般是针对射频而言的，匹配电阻和信号频率有一定关系。而我的放大电路输出的是高速脉冲信号（APD接收的脉冲电流经过I/V转换），其实是一个宽带信号。如果经过50欧姆阻抗匹配，会不会引起整个频谱范围内的信号增益特性不一致？

比如放大电路输出阻抗（源端阻抗）调整为50欧姆电阻，传输线的特征阻抗为50欧姆容抗，终端负载为50欧姆电阻。

这样，对于不同频率分量而言，源端相同幅度的信号输出，在负载端接收的信号幅度是有差异的。（？）这样会不会对整个脉冲波形造成影响？

放大电路的一个设计要求是带宽300MHz，对300MHz范围内的信号进行平坦放大。经过如上匹配处理，A/D采集到的信号会不会受到影响？

一个人想问题想不透彻，多谢大家的帮忙！：）

2万 · 2009-4-8 08:47

你所提的两种方法都可行，问题是对于你的具体系统来说，信号源的原生态是“电压源”还是“电流源”。

另外给你一个特征阻抗的公式，内中关系可见一斑：

Z = [(R+jωL)/(G+jωC)]^0.5

当R=0，G=0（理想传输线）时，Z=（L/C）^0.5。

只看该作者 · 2009-4-8 09:24

谢谢HWM解释了特征阻抗的概念。（另：我的传感器输出是电流信号，放大电路的输出（信号源）还未决定是采用“电压源”还是“电流源”）

还有一点有疑问的是，在以下文中讲到串联终端匹配的特点：
串联终端匹配后的信号传输具有以下特点：
A 由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50％向负载端传播；
B 信号在负载端的反射系数接近＋1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50％。
C 反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同；
D 负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收；？
E 反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。

其中第C条的理解是：信号源输出信号幅度为V，负载端接收到的信号幅度也是V。这个是因为高频信号反射形成的吗？在低频或直流的时候是不是不存在这个问题，也就是负载端接收到的信号幅度是V/2？

我简单做了一个实验：用函数发生器输出2MHz的方波，50欧姆输口输出，用50欧姆特征阻抗传输线（BNC）直接连到示波器，示波器选择50欧姆。发现信号幅度约为原始信号的一半。（原始信号是通过示波器输入选择1M欧姆测量的）。
因为我的函数发生器不能输出再高的频率，如果频率可以再高，并假设匹配也很理想，示波器接收到的信号等于原始信号吗？

1万 · 2009-4-8 09:32

要负载端反射，必须要它不匹配，例如选择1M欧的输入阻抗。
这时候在信号的边沿应该能看到过充，这就是反射引起的。

另外，你的信号发生器也许本身的输出阻抗就是50欧，这要看你的信号发生器了。

2万 · 2009-4-8 09:47

“信号幅度约为原始信号的一半”是对的，不管高低频都是这样。因为那串的50欧电阻其实是信号源的内阻，要阻抗匹配就是得让信号源内阻为50欧！

至于你7楼的推论C，是错误的，理论上，阻抗匹配时源端信号完全传递给末端负载，不应该产生任何反射（驻波比为1）
当然，理论上的东西很难完美达到，这就有驻波比这个参数了

低频下电缆视为超导体，忽略电阻，估算时不考虑电阻；
高频下电缆视为理论传输线，也是和长度无关的。

所以，理论上，做好两端的阻抗匹配后，就和传输线的长度无关了，传输线再长都是匹配的。

至于高低频的衰减不同，那是频率补偿的问题，和阻抗匹配无关。

只看该作者 · 2009-4-8 09:49

示波器采用1M输入的时候，的确看到明显的过冲现象。但是对于上面文中提到B和C（如下），是不是我上面的理解有误？
B是负载不匹配的时候出现的情况，比如上面的实验，信号发生器输出阻抗50欧姆，示波器输入选择1M欧姆，这个时候是不匹配的，因此负载端的反射系数接近＋1，反射信号的幅度也接近原始信号幅度的50％。然后出现C中负载端接收到的信号与原始信号的幅度近似相同，也会发生过冲等不匹配造成的现象。
那么，也就是说B和C是不匹配时产生的影响？？

串联终端匹配后的信号传输具有以下特点：
A 由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50％向负载端传播；
B 信号在负载端的反射系数接近＋1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50％。
C 反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同；
D 负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收；？
E 反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。

2万 · 2009-4-8 09:52

首先看终端负载阻抗匹配（具体理论不多讲了）：

若终端负载阻抗不匹配（即不等于传输线的特征阻抗），信号（其实是电磁波）会发生“反射”和“透射”。特殊情况下，透射为零（如短接传输线的终端），则反射为全发射（反射系数为1）。反射波和原波叠加形成“驻波”。

再看发射端：

若是电压源作为激励源，一般要在其输出端串接一个阻抗匹配电阻，目的是吸收反射波。当然在正常传输“行波”（无反射）时，串接的那个发射端阻抗匹配电阻会损耗掉发射功率的一半，那也是不得已而为之。否则，对于大功率的发射源来说，反射能量不得到吸收的话，发射源那可危险啦。

1万 · 2009-4-8 10:30

本来就是在负载端不处理（即不匹配，开路的状况）的结论，“串联终端匹配”就仅仅在信号源端串联了一个电阻，据说PCI就是利用的这个反射，发送电压只发送一半的。

只看该作者 · 2009-4-8 10:49

呵呵，谢谢0XH，基本上理解了，有空再做个小结。

只看该作者 · 2009-4-8 11:14

只看该作者 · 2013-4-10 20:20

smileage 发表于 2009-4-8 10:49
呵呵，谢谢0XH，基本上理解了，有空再做个小结。

最后的结论是什么呢？
到底是只有输出的一半，还是等于输出呢？？

求助：关于采集卡输入阻抗匹配的问题（急）

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请再帮帮忙

阻抗匹配，实际上就是要保证每个地方的阻抗都一致

还有一个问题

LZ：原则上特征电阻和信号频率没有关系（传输线为理想情况

谢谢HWM

你示波器探头选择50欧姆时，已经是匹配好了

正确的设计，从DC到射频都是匹配的

谢谢OO

LZ：看来你的问题还挺多的，下面文字不知是否能解你之惑。

你所说的那个“串联终端匹配后的信号传输具有以下特点：

恩

看了一遍，理解了20%，支持置顶加梏

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