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傳輸線了。眾所周知，電信號實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)小于電磁波波長時，就不得不考慮這個“波”的特性了。

光在傳輸介質(zhì)發(fā)生改變時會發(fā)生反射，電信號也一樣。反射會帶來什么呢，您的信號可能就會成這樣。

是不是整個人都不怎么好了。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，任何一點橫截面幾何結(jié)構(gòu)相同，這樣就可以保證電信號不會在傳輸線內(nèi)發(fā)生反射了。但是問題又來了，送君千里，終須一別，傳輸線早晚還是要把信號交給信號的負(fù)載的。信號一旦來到傳輸線終點，豈不是還是要發(fā)生反射么。還好我們的電信號不像光那么矯情。只要保證她的瞬時阻抗不變，她也能將就一下不反射回去。

瞬時阻抗就是電信號在傳輸線上某一點所受的阻抗，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，均勻傳輸線的瞬時阻抗是個純阻性的，與頻率無關(guān)，就像個電阻，而且瞬時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。既然瞬時阻抗像電阻，那我們就給負(fù)載并聯(lián)一個電阻，讓總阻值和特性阻抗相等，這樣信號就不會有太大的反感，會屈尊降貴的傳到負(fù)載中去而不會反射回來，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，即在源端串入一個電阻，使其與信號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撞去。很多時候這兩種匹配是同時用的。

著名的50Ω

特性阻抗大小會影響信號傳輸功率、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最佳平衡點。所以大多數(shù)高速信號都會采用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)。比如常見的PCIE，其單端阻抗就是要求是50Ω。

這就是這個50Ω的由來，但是還沒有解釋示波器上為什么會有個50Ω，是為了防止信號反射么，是的，這確實是一個原因，但是除了這點，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)試一個有問題的電路，想看看波形，結(jié)果接上探頭電路就正常了，拿開探頭電路就又出問題。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和一個十幾pF的電容并聯(lián)在一起的形式。


這個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，1MΩ起到主導(dǎo)地位。而當(dāng)頻率超過10M以后，電容會成為主要的負(fù)載。由于這兩個參數(shù)的引入，就會使得測量時的信號與原信號有差異，從而使測量結(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電路的輸出電阻和負(fù)載。就按上圖的例子來說。根據(jù)戴維寧定理，可變?yōu)椋?br />
可知原信號為； ；低頻信號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，則需要再加上Re與16pF容抗的分壓。

經(jīng)計算可知，如果Re的值是10Ω，而信號的頻率是200M，則示波器的負(fù)載效應(yīng)會造成-0.2db左右的偏差。而如果您系統(tǒng)的Re是25Ω，那么這個偏差會達(dá)到-1db。如果是50Ω呢，100Ω呢，無疑誤差會越來越大。

示波器為了使得測量更加準(zhǔn)確，是必須在內(nèi)部加一些補償措施將這些偏差補償回來的（當(dāng)然這種補償只是相對于測量結(jié)果與原信號而言的，內(nèi)部補償是無法減小測量時信號與原信號之間的差異）。那具體應(yīng)該按那種情況來補償呢。前面我們已經(jīng)知道，高速信號中，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)行補償。示波器廠家都會在這種情況下將信號補償?shù)淖詈谩Ｋ匀绻?0Ω系統(tǒng)，示波器測量出的結(jié)果影響與原信號最為接近。

如果您的等效輸出電阻與25Ω相差很多且需要測量的頻率較高，則需要評估測量誤差是否在您允許的范圍內(nèi)。建議使用10:1探頭進(jìn)行測量，因為其寄生電容要比示波器低，而1:1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)行測量了。

試想一下，如果用示波器直接與高頻信號發(fā)生器相連，測量信號發(fā)生器輸出的高頻信號，而高頻信號發(fā)生器的輸出電阻都是50Ω，那會發(fā)生什么情況呢。由上文可知，負(fù)載相應(yīng)會嚴(yán)重影響測量結(jié)果。再結(jié)合傳輸線理論，可知會有一個反射波反射回信號源，這對于一些精密的儀器這可能是致命的。所以這時候需要加入一個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的反射，又可以使得測量出的信號受負(fù)載效應(yīng)影響最小。這就是示波器50Ω阻抗的作用了。

示波器測量與50Ω相關(guān)的注意事項

結(jié)合傳輸線理論和示波器負(fù)載效應(yīng)，說幾點在示波器測量中與50Ω有關(guān)的注意事項。當(dāng)然，測量較低頻率信號時不需要考慮這些。

1、當(dāng)示波器使用50Ω端接或者內(nèi)部50Ω檔位時，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。直接測量板載信號時則只能夠使用有源探頭，同軸電纜僅適用于測量無負(fù)載信號（如信號發(fā)生器）。

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

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

相關(guān)閱讀：

示波器帶寬是如何影響上升時間測量的？
示波器探頭的5項“基本原則”，需要牢牢把握
技術(shù)詳解：示波器的差分探頭，你了解多少？