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估计大多数硬件工程师在工作的头几年,都读过Eric版的《信号完整性分析》这本书。我的第一份工作也是做SI。当时从学校毕业出来也没接触过SI,能在学校里面接触SI的机会应该也非常少。后来也是开始啃这本《信号完整性分析》,然后知道了始端匹配,末端端接,传输线的特性阻抗等等。学了有一段时间之后,也总有这样那样的一些困惑。这也是学习新事物的必然规律,开始从第一个阶段,提不出什么问题,因为都是问题,然后有问题,有困惑,去找答案,再到想明白问题,最后到实践验证自己的想法,然后又发现很多新问题,呵呵。对于学习过一段时间SI的同学,不知道会不会有下面这样一个疑惑,如下图:
我们知道当RL等于特性阻抗Zo的时候,在负载点B的位置,反射系数是0。没有反射。就如大家都知道的反射公式计算的那样。
好,接下来,让我们考虑两个问题。
Q1: 我们想在A点,从上图箭头方向看过去,没有反射,条件是R=Zo嘛?
可能大部分人应该都能立刻说出答案,确实是R=Zo=50 ohm,不过这里肯定是有个“但是”滴。之前初学反射的时候,书本上很多时候都是告诉我们始端电阻(具体可能是信号源内阻+外接始端串联电阻)=传输线特性阻抗的时候,阻抗匹配,没有反射,very nice。但是那时候我就一直觉得很奇怪,感觉怎么把一个集总式的电阻去和一个有点像分布式的特性阻抗的东西去比较呢?这两个难道不是属于不同类型的东西嘛?刚开始看Eric的那本书的时候也是没有找到答案。直到后来才搞明白,这里的答案R=Zo=50 ohm是有一个前提条件的,那就是:RL=50 ohm。
Q2:当RL = x 不等于50 ohm的时候,我们的R又该怎么选才能在A点看过去没有反射呢?
这次可能很多人都要回答不上来了,看上面这个图里面,如果把传输线和RL等效成了ZL,(我们的反射计算公式中,其实用的也都是阻抗,而不一定是电阻)是不是我们的R如果等于ZL,反射系数就等于0了。
之前当RL=50 ohm,Zo=50 ohm的时候,其实实质就是因为等效的ZL就等于50 ohm,所以才有了那个答案:R=50 ohm的时候反射系数是0。所以这个是有前提条件的。那么怎么计算ZL呢?RL变到ZL是一个传输线阻抗变换的过程。这个过程如果从史密斯圆图上去理解,就非常直观简单了。
这里引出了一些诸如阻抗变换,史密斯圆图的概念。其实是从射频电路理论里面弄出来的概念。当时学习信号完整性的时候,太注重从时域角度去理解,对一些东西理解起来其实比较难。但是从频域角度去理解就有种豁然开朗的感觉,因为数字信号的方波,可以理解为一系列的单一频点的正弦波的叠加(傅里叶级数),是一个宽带信号,而这些正弦波里面的基频正弦波尤为重要,一般是高速数字信号研究的重点对象。对于研究单一频点的正弦波(窄带信号)在频域角度是最佳的,分析思路完全按照射频理论那一套来就可以。所以其实高速SI理论其实还是以射频理论为基础的,特别是里面的传输线理论尤为重要。上面的问题就是一个最好的引子,让我们在从时域角度看SI一段时间之后,转到频域角度去审视一下它。对于上面提出的一些名词,都会在频域中使用到。后面我们就从最重要的传输线理论开始聊吧。