Cách Sử Dụng Trở Kháng Đầu Vào trong Mạch và Đường Truyền

Trở kháng đầu vào là một trong những thuật ngữ được nhắc đến khá nhiều mà không có nhiều ngữ cảnh cụ thể. Những nhà thiết kế hiểu biết sâu sắc về lý thuyết đường truyền tín hiệu nên biết cách sử dụng điều này để xác định điều gì được coi là một kết nối “dài về điện” thay vì chỉ áp dụng giá trị bước sóng 10% như một quy tắc chung. Trở kháng đầu vào tuân theo một ý tưởng tương tự trong mạch điện, mặc dù chúng ta không thường xử lý một mạch như có các đường truyền tín hiệu nối các thành phần với nhau.

Trở kháng đầu vào là một khía cạnh quan trọng trong việc hiểu các kết nối đường truyền tín hiệu giữa các thành phần khác nhau trong điện tử. Trở kháng đầu vào chủ yếu được sử dụng trong thiết kế RF, nhưng nó cũng có thể được sử dụng để phát triển các hàm chuyển đổi trong thiết kế tốc độ cao, từ đó có thể được sử dụng để dự đoán phản ứng xung kích sử dụng các mô hình nhân quả. Một trong những điểm hầu như không bao giờ được đề cập khi xử lý trở kháng đầu vào là cách các kết nối giữa các thành phần thay đổi trở kháng nhìn thấy bởi tín hiệu lan truyền. Tôi sẽ chỉ ra một số ví dụ đơn giản về cách điều này xuất hiện và nó xác định trở kháng đầu vào thực sự nhìn thấy bởi tín hiệu của bạn.

Hiểu về Trở Kháng Đầu Vào

Trong một bài viết trước, tôi đã trình bày một bộ định nghĩa cho đường truyền bao gồm trở kháng đầu vào. Không lặp lại mọi thứ trong bài viết đó, tôi sẽ tóm tắt ngắn gọn các định nghĩa quan trọng liên quan đến trở kháng đầu vào, trở kháng đặc trưng, đường truyền và mạch điện.

Trở Kháng Đầu Vào Mạch

Nếu chúng ta xem xét một mạch điển hình, nó có thể có nhiều trở kháng, như được hiển thị trong sơ đồ dưới đây. Trong ví dụ khái niệm này, chúng ta có một bộ điều khiển với một trở kháng đầu ra được xác định (Z_out), và mạch có các trở kháng khác nhau kết hợp tạo thành trở kháng đầu vào. Trong ví dụ dưới đây, trở kháng đầu vào chỉ là trở kháng tương đương Z_in = Z₁ + (Z₂||(Z₃ + Z₄)).

Khi trình điều khiển kích thích mạch, có một hệ số phản xạ (S11) giữa trở kháng đầu ra Z_out của trình điều khiển và trở kháng đầu vào Z_in của mạch. Bằng cách khớp trở kháng, chúng ta có thể có sự phản xạ tối thiểu tại mỗi cổng đầu vào khi nhìn qua các mạch nối tiếp được hiển thị ở trên. Điều mà trở kháng đầu vào không cho bạn biết là điều gì xảy ra giữa từng phần tử bên trong mạch. Có thể có sự phản xạ giữa bất kỳ bốn trở kháng nào tạo nên mạch.

Các thành phần hiện đại yêu cầu kiểm soát trở kháng sẽ áp dụng kết thúc trên chíp, điều này sẽ cung cấp một giá trị trở kháng đáng tin cậy trên một băng thông rộng. Ở tần số rất cao, trở kháng đầu ra sẽ trở nên phản ứng lại do parasitics của gói (điện dung chíp và độ tự cảm của chân/nối dây), điều này sẽ hạn chế sự chuyển giao công suất từ trình điều khiển đến tải.

Điều đó đã bao gồm những kiến thức cơ bản của một thành phần trình điều khiển kết nối trực tiếp với mạch. Điều gì xảy ra khi bây giờ chúng ta có một đường truyền giữa trình điều khiển và mạch tải?

Đường Truyền + Mạch

Giờ đây, nếu có một đường truyền giữa bộ phát và bộ nhận, chúng ta có một "trở kháng đầu vào mới" nằm gần thành phần nguồn. Trở kháng đầu vào này giờ đây phụ thuộc vào trở kháng đặc trưng của đường truyền, chiều dài của đường dây, và hằng số truyền dẫn dọc theo đường dây.

Đây là nơi chúng ta có định nghĩa về chiều dài quan trọng của đường truyền; nó dựa trên mối quan hệ giữa hằng số truyền dẫn, chiều dài dây, và tần số, bất kỳ quy tắc nào liên quan đến thời gian tăng chỉ là một ước lượng và không nên được sử dụng trong thiết kế tốc độ cao hoặc thiết kế RF. Đây cũng là một trong những trường hợp mà hầu hết các hướng dẫn kết thúc và họ không tiếp tục khám phá các tình huống thực tế trong thiết kế RF hoặc thiết kế tốc độ cao.

Trở Kháng Đầu Vào của Các Phần Tử Nối Tiếp

Giờ đây, chúng ta cần xem xét một tình huống thực tế khi bạn có nhiều phần tử trên một đường truyền, hoặc thậm chí nhiều đường dây, tất cả được nối tiếp để tạo thành một mạng lưới phức tạp hơn. Trở kháng đầu vào trong trường hợp này là gì?

Hãy xem xét một tình huống phổ biến bạn có thể gặp phải trong thiết kế RF, hoặc khi định tuyến PCIe, nơi bạn có một tụ điện ghép AC được đặt trên đường dây. Trong một tình huống RF ở tần số radar, hoặc với các tín hiệu băng thông rất cao được tìm thấy trong các thế hệ PCIe mới hơn hoặc có thể là Ethernet cực cao, kết nối sẽ hoạt động như thể có hai phần đường truyền giữa mỗi phần của đường dây. Vậy đầu vào trở kháng với ba yếu tố nối tiếp là gì?

Câu trả lời là: trở kháng đầu vào nhìn thấy ở nguồn liên quan đến trở kháng đầu vào trong tất cả các phần hạ lưu. Đây là một vấn đề cảm ứng như được định nghĩa trong sơ đồ dưới đây. Tụ điện sẽ có giá trị trở kháng đầu vào của riêng mình (Z_inC), phụ thuộc vào trở kháng đầu vào của đường truyền số 2 và trở kháng tải. Cả hai trở kháng đầu vào sẽ xác định trở kháng đầu vào của đường truyền số 1.

Hy vọng bạn có thể thấy cách suy luận quy nạp này tiếp tục mãi mãi. Tình huống trên là tình huống phức tạp nhất mà bạn có thể gặp trong một hệ thống số tốc độ cao, trừ khi bạn phải đi qua một kết nối, trong trường hợp đó bạn sẽ phải đối mặt với các tham số S xếp chồng. Trong hệ thống RF, nó có thể trở nên rất phức tạp nếu bạn bây giờ phải thiết kế các mạng lưới khớp trở kháng và kích thước của hệ thống có thể trở nên lớn khi bạn làm việc để khớp trở kháng giữa từng phần của hệ thống. Có một bài báo tuyệt vời về việc áp dụng phương pháp này cho các hệ thống nhánh và xếp chồng trong JPIER:

• Khongdeach, T., và cộng sự. "Xác định Hàm Chuyển Điện Năng qua Dây dẫn bằng Phương pháp Chuyển Trở Kháng và Phân tán Điện Áp." Tiến Bộ trong Nghiên Cứu Điện Từ M 71 (2018): 63-74.

Một câu hỏi nổi bật nên được đặt ra từ hệ thống trên: các tham số S nhìn từ đầu vào là gì? Bởi vì chúng ta có một hệ thống nối tiếp, bạn sẽ cần xác định ma trận tham số S nối tiếp cho mạng lưới này. Sử dụng trở kháng đầu vào lặp lại được hiển thị ở trên cho bạn thấy S11 tại cổng đầu vào, nhưng đó chỉ là một phần. Để có được toàn bộ các tham số S, bạn sẽ cần sử dụng một phép tính ma trận liên quan đến một bộ tham số có thể nối tiếp; các tham số ABCD là lý tưởng. Thực tế, nếu bạn tính toán điều này sử dụng MATLAB, tài liệu của họ cho biết rằng họ sử dụng chuyển đổi từ ABCD sang tham số S để có được các tham số S nối tiếp cho mạng lưới trên. Đây là một ý tưởng tốt để thực hiện những phép tính này vì chúng có thể tạo nên cơ sở cho việc đo lường nhằm đánh giá thiết kế kết nối của bạn.

Sau khi bạn đã xác định trở kháng đầu vào mà bạn cần và phát triển các quy tắc thiết kế, bạn có thể định tuyến các đường mạch của mình và đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu với các công cụ định tuyến trong Altium Designer^®. Khi bạn cần đánh giá tính toàn vẹn tín hiệu và trích xuất các tham số mạng trong bố cục PCB của mình, người dùng Altium Designer có thể sử dụng tiện ích mở rộng EDB Exporter để nhập thiết kế của họ vào các trình giải Ansys và thực hiện một loạt các mô phỏng SI/PI. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ các dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.