走线阻抗欧姆含义

电器工程 pcb设计 阻抗 微分 阻抗匹配 痕迹
2022-01-22 20:16:20

我一直试图了解走线阻抗(单端和差分)的原理,阅读了几篇文章(所有最好的谷歌都提供),但我仍然有一些严重的问题最终确定了我对它的理解。

首先,所有这些关于导体周围场的讨论对我来说非常有意义,在直观层面上完全可以理解场的来源和影响它的因素(走线宽度、到接地路径的距离等),理解物理学没有问题它背后的原理(跟踪为电感器,电阻器和电容器 - 完全合理)。

当我在谈论这个阻抗时听到“欧姆”这个词时,问题就开始了。

请原谅我的无知,但是当我听到“欧姆”这个词时,我将其理解为施加电压时两点之间的电阻(或阻抗)。所以如果我看到“走线有 50 欧姆的阻抗”,我就是不明白。对我来说,“50 ohm”意味着如果我施加 1 V(DC 或某个特定频率或其他东西),我将获得 20 mA 电流。

我理解所有关于场的讨论,但我无法将这种对场如何相互作用的理解与“欧姆”这个词联系起来。现在,对我来说,它看起来像是用公斤来测量长度。

在写这个问题的时候,ee stackexchange 建议我看看这个: 类似于我在 ee stackexchange 上回答的问题

它确实回答了一些问题(实际上,大多数问题,例如为什么走线阻抗特性与频率无关),所以如果我猜对了,这些“欧姆”只是走线几何特性,与实际无关电路中的电压和电流(当我施加 1 伏时没有 20 mA 电流?)。那么为什么它们甚至被称为欧姆......(修辞问题,我确实意识到它只是数学运算之后出现的最后一个单元,无论理解它多么违反直觉)。

因此,如果有人能证实或揭穿我将走线阻抗理解为与电压超过安培无关而只是几何特征(基本上,“不是真正的欧姆?”)的方式,我会很高兴.

如果有人有任何好的文章或一本书的章节完全涵盖了这一点,我将更加感激,最好是向你个人解释这一点的东西;也许它会帮助我总结我对它的理解。我觉得我有点明白了,但我需要一些最后的“啊哈,现在我明白了!”,最好是有知识的人回答它,如果没有任何人对此事的确认,我不相信我自己对事物的解释。

4个回答

欧姆有尺寸伏特/安培。

当应用于电阻器时,它是施加电压与通过电阻器的电流之比。

当应用于传输线的行为时,它是沿线路传播的​​电压波与随其传播的电流波的比率。

当应用于传输线的几何形状时,它是任何给定长度的线的电感/电容比的平方根。电感的单位是 Vs/A,电容的单位是 As/V,所以它们的比值 L/C 的单位是 ohms 2

线路的行为通过完全相同的因素与其几何形状相关联并非巧合,因为电感和电容控制线路上波的电压/电流比。

两条波可以同时在线路上传播,一个波在每个方向传播。在每一点,两个电压波加起来就可以为您提供在示波器上探测该点时所读到的内容。两个电流波是不同的(一个向前,一个向后),为您提供将在与线路串联的电流表上读取的电流。要单独读取每个波,需要一个更复杂的探头,称为定向耦合器。

请注意,阻抗比不适用于静态条件,仅适用于传播波。如果您将传输线连接到电源和负载并等待它达到稳定状态,则电压和电流将完全由电源和负载定义,而不是线路。

如果传输线的阻抗为 50 欧姆,则将其突然连接到 1 V 电源将导致 1 V 电压波和 20 mA 电流波开始沿线路传播。

当这些波到达线路的末端时,他们可能会找到一个 50 欧姆的电阻。在这种情况下,电压和电流的比例正好适合电阻器。电流将在电阻器中流动,将产生一伏特电压,事情将停止变化。

或者,当波浪到达线路的末端时,它们可能会发现一个开路。电流不能从线路末端流出,因此会产生一个 20 mA 的波流回线路,以抵消开路处的电流。这就是反射。这会以 1 V 反向行波向源头传播,从而将线路上的电压从 1 V 加倍至 2 V。

波可能会发现短路,或具有其他值的电阻器,或连接到其端点的另一阻抗的电缆。在每种情况下,都会产生一个反向波,使得电压总和与电流差的比率对于下一节的 V/I 比是正确的,无论它是一个真正的电阻器还是另一条传输线。

我喜欢将重复反射过程视为一种协商(不恰当地拟人化,但我喜欢它),远端的电源和负载逐渐就电源应向负载提供多少电流达成一致。假设您有一个 12 V 电池、一个 50 ohm 传输线和一个 10 ohm 负载,当线路达到稳定状态时,它将消耗 1.2 安培。关闭电池端的开关将沿线路发送 12 V 240 mA 波。负载与线路阻抗不匹配,因此将发送 -8 V -160 mA 波(仍然是线路中的 50 欧姆比率),加起来为 4 V 和 400 mA(电阻负载中的比率为 10 欧姆),将线路电压降至 4 V。这种反射会从源头反射出来,并且会在线路上继续上下,在每次过境时改变电流。

传输线具有特性阻抗。在某些语言中,它也称为波阻抗,因为当它们沿着传输线传播时,高频信号会感受到阻抗,因为它们的传播速度比光速要慢一些。

传输线可以被认为是需要充电的导线之间的无限小电容,但这些无限小的电容又与无限小的具有电感的导线相连,因此电容器充电受到电感的限制。单位电感和电容的比值基本上定义了阻抗。

假设您取一根无限长的理想同轴电缆,其特性阻抗为 50 欧姆,并在其一端施加 1V 电压,电压波开始沿着电缆传播,它将从 1V 电源中汲取 20mA 电流。

它实际上意味着欧姆,伏特和安培。

顺便说一句,如果你有一条有限的传输线,当 1V 和 20mA 的波击中它时,它的另一端会发生什么。如果它有一个开路端,那么当电压达到 1V 时,电流就没有地方流动了。如果发生短路,电压将保持在 0V,但会流过 20mA。这些是不连续的,使信号从传输线正确输出的唯一方法是用允许 20mA 以 1V 流动的东西来终止它——这是一个匹配的 50 欧姆电阻,因此它是一条短的传输线看起来无限长,因此它可以防止由于阻抗不匹配而发生的反射。

假设你的朋友,有点爱恶作剧,不知何故设法挑选了一个你不知道值的电阻器,并将它送到了火星。你的朋友也不知怎么弄到了一根很长的零电阻喇叭线,一端接电阻,另一端在你手里,还在地上。

你的朋友递给你一个欧姆表,然后说:“我把你的车钥匙藏起来了。告诉我这根电缆另一端的电阻值,我会退还给你的。”

您将欧姆表连接到电缆。欧姆表读数是多少?它不可能读取电阻的值:以光速到火星和返回是 15 分钟。在不违反因果关系的情况下,您无法立即知道电阻的值。

那么欧姆表的读数是什么?它至少在前 15 分钟内读取电缆的特性阻抗。

这是有效的,因为欧姆表将已知电压施加到其端子上,测量电流,(或者它可能施加已知电流并测量电压,无论哪种方式都有效)并使用欧姆定律计算电阻。在您连接欧姆表后的几分钟内,唯一决定伏特/安培比率的是特性阻抗,它确实与实际伏特和安培有关。

当然,最终由欧姆表启动的波到达电阻器,此时每安培的伏特可能太高、太低或刚好合适,具体取决于电阻器的值。除非它是正确的,否则另一个波会从电阻器传播回带有此信息的欧姆表。当反射波到达欧姆表时,它将不得不向上或向下调整其电流以保持其固定电压,从而对电阻器的值进行另一个“猜测”。随着欧姆表的显示逐渐接近电阻的实际值,这些波来回传播多次。

在不那么荒谬的情况下,这一切通常发生得如此之快,甚至可能是即时的,因此没有理由考虑特性阻抗。但有时您正在设计非常大的东西(如电网)或非常高的频率(如高速数字和射频电路)。在这些应用中,这些波传播所需的时间很长,并且特性阻抗变得相关。

所以如果我做对了,这些“欧姆”只是一个迹线几何特征,与电路中的实际伏特和安培无关(当我施加 1 伏时没有 20ma 电流?)。

当您将 1 伏电压施加到 50 Ω 传输线时,将有 20 mA 的初始电流流动。它看起来也像纯粹的阻力。这是因为您实际上是沿着传输线传输电力。只有当负载(传输线)完全或部分看起来像一个电阻器时,才能从源中提取有用的功率。

当我说“传输线”时,我指的是同轴电缆、双绞线或 PCB 走线。如果线路的特性为 50 Ω,则最初将流过 20 mA 的电流。但它不会流动很​​长时间。

然而,为了更好地理解它,为什么不假设一个无限长的完美无损传输线。它是无损耗的,因此电缆/同轴电缆/双绞线/走线中没有功耗。

因此,您在电缆末端施加 1 伏电压,20 毫安将无限流动。无限长的电缆从源头获取功率,对于施加 1 伏电压的 50 Ω 电缆,消耗 20 mW。它没有转化为热量的事实是因为电力仍然以接近光速的速度沿着无限长的电缆永远\$^1\$流动。

因此,如果有人能够证实或揭穿我将走线阻抗理解为与电压超过安培无关而只是几何特征(基本上,“欧姆不是真正的欧姆?”)的方式,我会很高兴.

就源而言,电缆/走线看起来像一个纯 50 Ω 电阻器。当然,我们不能拥有无限长的电缆,因此当电源(伏特 x 安培)到达电缆末端并发现没有连接的负载与 50 Ω 匹配时,就会发生真正有趣的事情。


\$^1\$如果你在宇宙中心点上一盏灯,这盏灯仍然会向自由空间发射能量。这与电缆的机制相同,但电缆限制电压和电流,就像光纤电缆限制灯一样。