傳輸線

就像講歷史，不得不插一段軍事理論課一樣，想把我們的50Ω講明白，那也不得不講一下這個(gè)傳輸線了。眾所周知，電信號(hào)實(shí)際上是以電磁波的形式在傳輸線中傳播的。當(dāng)傳輸線的尺寸不再遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)時(shí)，就不得不考慮這個(gè)“波”的特性了。

光在傳輸介質(zhì)發(fā)生改變時(shí)會(huì)發(fā)生反射，電信號(hào)也一樣。反射會(huì)帶來(lái)什么呢，您的信號(hào)可能就會(huì)成這樣。

是不是整個(gè)人都不怎么好了。為了不讓反射發(fā)生，就出現(xiàn)了均勻傳輸線，如PCB微帶線，同軸線等，他們介質(zhì)均勻，任何一點(diǎn)橫截面幾何結(jié)構(gòu)相同，這樣就可以保證電信號(hào)不會(huì)在傳輸線內(nèi)發(fā)生反射了。但是問(wèn)題又來(lái)了，送君千里，終須一別，傳輸線早晚還是要把信號(hào)交給信號(hào)的負(fù)載的。信號(hào)一旦來(lái)到傳輸線終點(diǎn)，豈不是還是要發(fā)生反射么。還好我們的電信號(hào)不像光那么矯情。只要保證她的瞬時(shí)阻抗不變，她也能將就一下不反射回去。

瞬時(shí)阻抗就是電信號(hào)在傳輸線上某一點(diǎn)所受的阻抗，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，均勻傳輸線的瞬時(shí)阻抗是個(gè)純阻性的，與頻率無(wú)關(guān)，就像個(gè)電阻，而且瞬時(shí)阻抗只與傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)和填充材料有關(guān)，所以又叫做特性阻抗。既然瞬時(shí)阻抗像電阻，那我們就給負(fù)載并聯(lián)一個(gè)電阻，讓總阻值和特性阻抗相等，這樣信號(hào)就不會(huì)有太大的反感，會(huì)屈尊降貴的傳到負(fù)載中去而不會(huì)反射回來(lái)，您的電路也就清凈了。這種方法叫做終端匹配。

還有一種方法就是源端匹配，即在源端串入一個(gè)電阻，使其與信號(hào)源的輸出電阻相加等于傳輸線的特性阻抗，這樣就可以讓反射波的負(fù)載與傳輸線阻抗相等，從而吸收反射波，不讓其在傳輸線上撞來(lái)撞去。很多時(shí)候這兩種匹配是同時(shí)用的。

著名的50Ω

特性阻抗大小會(huì)影響信號(hào)傳輸功率、傳輸損耗、串?dāng)_等電氣性能，而其板材和幾何結(jié)構(gòu)又影響制造成本，這種情況只能找一個(gè)折中值。而50Ω正是同軸線的傳輸功率、傳輸損耗以及制造成本的一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。所以大多數(shù)高速信號(hào)都會(huì)采用50Ω特性阻抗系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)并沿用至今，成為使用最廣泛的一種阻抗標(biāo)準(zhǔn)。比如常見(jiàn)的PCIE，其單端阻抗就是要求是50Ω。

這就是這個(gè)50Ω的由來(lái)，但是還沒(méi)有解釋示波器上為什么會(huì)有個(gè)50Ω，是為了防止信號(hào)反射么，是的，這確實(shí)是一個(gè)原因，但是除了這點(diǎn)，他還有著其他的意義。

示波器的負(fù)載效應(yīng)

相信大家都有這種經(jīng)歷，調(diào)試一個(gè)有問(wèn)題的電路，想看看波形，結(jié)果接上探頭電路就正常了，拿開(kāi)探頭電路就又出問(wèn)題。這就是負(fù)載效應(yīng)引起的。示波器在1MΩ阻抗模式下的等效模型比較復(fù)雜，大致可以等效成是1MΩ和一個(gè)十幾pF的電容并聯(lián)在一起的形式。


這個(gè)1MΩ是示波器的規(guī)范。而電容是我們并不想要但是又不可避免的寄生參數(shù)。在DC和較低頻時(shí)，1MΩ起到主導(dǎo)地位。而當(dāng)頻率超過(guò)10M以后，電容會(huì)成為主要的負(fù)載。由于這兩個(gè)參數(shù)的引入，就會(huì)使得測(cè)量時(shí)的信號(hào)與原信號(hào)有差異，從而使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。那么差異有多大呢，這也要取決于您的被測(cè)電路的輸出電阻和負(fù)載。就按上圖的例子來(lái)說(shuō)。根據(jù)戴維寧定理，可變?yōu)椋?br />
可知原信號(hào)為； ；低頻信號(hào)的差異主要是戴維寧輸出電阻Re與1MΩ的分壓決定，而高頻時(shí)，則需要再加上Re與16pF容抗的分壓。

經(jīng)計(jì)算可知，如果Re的值是10Ω，而信號(hào)的頻率是200M，則示波器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)造成-0.2db左右的偏差。而如果您系統(tǒng)的Re是25Ω，那么這個(gè)偏差會(huì)達(dá)到-1db。如果是50Ω呢，100Ω呢，無(wú)疑誤差會(huì)越來(lái)越大。

示波器為了使得測(cè)量更加準(zhǔn)確，是必須在內(nèi)部加一些補(bǔ)償措施將這些偏差補(bǔ)償回來(lái)的（當(dāng)然這種補(bǔ)償只是相對(duì)于測(cè)量結(jié)果與原信號(hào)而言的，內(nèi)部補(bǔ)償是無(wú)法減小測(cè)量時(shí)信號(hào)與原信號(hào)之間的差異）。那具體應(yīng)該按那種情況來(lái)補(bǔ)償呢。前面我們已經(jīng)知道，高速信號(hào)中，50Ω系統(tǒng)是使用最廣泛的，所以我們選擇50Ω系統(tǒng)即Re=25Ω的情況下進(jìn)行補(bǔ)償。示波器廠家都會(huì)在這種情況下將信號(hào)補(bǔ)償?shù)淖詈?。所以如果您?0Ω系統(tǒng)，示波器測(cè)量出的結(jié)果影響與原信號(hào)最為接近。

如果您的等效輸出電阻與25Ω相差很多且需要測(cè)量的頻率較高，則需要評(píng)估測(cè)量誤差是否在您允許的范圍內(nèi)。建議使用10:1探頭進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)槠浼纳娙菀仁静ㄆ鞯停?:1探頭的負(fù)載電容基本上是50pF左右的，其負(fù)載效應(yīng)比示波器本身要嚴(yán)重的多。如果10:1探頭仍然不能滿足您的需求，就要選擇寄生電容更小的有源探頭進(jìn)行測(cè)量了。

試想一下，如果用示波器直接與高頻信號(hào)發(fā)生器相連，測(cè)量信號(hào)發(fā)生器輸出的高頻信號(hào)，而高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出電阻都是50Ω，那會(huì)發(fā)生什么情況呢。由上文可知，負(fù)載相應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。再結(jié)合傳輸線理論，可知會(huì)有一個(gè)反射波反射回信號(hào)源，這對(duì)于一些精密的儀器這可能是致命的。所以這時(shí)候需要加入一個(gè)50Ω端接適配器或者使用內(nèi)部50Ω檔位。這樣既大大減小信號(hào)的反射，又可以使得測(cè)量出的信號(hào)受負(fù)載效應(yīng)影響最小。這就是示波器50Ω阻抗的作用了。

示波器測(cè)量與50Ω相關(guān)的注意事項(xiàng)

結(jié)合傳輸線理論和示波器負(fù)載效應(yīng)，說(shuō)幾點(diǎn)在示波器測(cè)量中與50Ω有關(guān)的注意事項(xiàng)。當(dāng)然，測(cè)量較低頻率信號(hào)時(shí)不需要考慮這些。

1、當(dāng)示波器使用50Ω端接或者內(nèi)部50Ω檔位時(shí)，只能夠使用50Ω同軸電纜或者一些要求做50Ω匹配的有源探頭。直接測(cè)量板載信號(hào)時(shí)則只能夠使用有源探頭，同軸電纜僅適用于測(cè)量無(wú)負(fù)載信號(hào)（如信號(hào)發(fā)生器）。

2、測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，要注意示波器的負(fù)載效應(yīng)。測(cè)量系統(tǒng)最好是50Ω系統(tǒng)，再考慮到傳輸線理論，最好用探頭直接測(cè)量負(fù)載端而不是中間的PCB。

3、在測(cè)量信號(hào)發(fā)生器輸出波形時(shí)，需要進(jìn)行50Ω端接。否者測(cè)量結(jié)果將會(huì)受示波器負(fù)載效應(yīng)影響嚴(yán)重。

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