一文詳細了解阻抗匹配

阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來達至所有高頻的微波信號皆能傳至負(fù)載點的目的，不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。

大體上，阻抗匹配有兩種，一種是透過改變阻抗力(lumped-circuit matching)，另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(transmission line matching)。

要匹配一組線路，首先把負(fù)載點的阻抗值除以傳輸線的特性阻抗值來標(biāo)準(zhǔn)化，然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。

改變阻抗力

把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數(shù)電阻的圓圈走動。假如把電容或電感接地，首先圖表上的點會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重覆以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/p>

調(diào)整傳輸線

由負(fù)載點至來源點加長傳輸線，在圖表上的圓點會沿著圖中心以逆時針方向走動，直至走到電阻值為1的圓圈上，即可加電容或電感把阻抗力調(diào)整為零，完成匹配。

阻抗匹配則傳輸功率大，對于一個電源來講，單它的內(nèi)阻即是負(fù)載時，輸出功率最大，此時阻抗匹配。最大功率傳輸定理，假如是高頻的話，就是無反射波。對于普通的寬頻放大器，輸出阻抗50Ω，功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配，可是假如信號波長遠遠大于電纜長度，即纜長可以忽略的話，就無須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時,要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時的傳輸不會產(chǎn)生反射,這表明所有能量都被負(fù)載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速PCB布線時，為了防止信號的反射，要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個大約的數(shù)字，一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，雙絞線則為100歐姆，只是取個整而已，為了匹配方便。

阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個阻字是相同的，而另一個抗字呢?簡單地說，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗;周延一點地說，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱作良導(dǎo)體，電阻很大的物質(zhì)稱作非導(dǎo)體，而最近在高科技領(lǐng)域中稱的超導(dǎo)體，則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會阻礙電流以外，電容及電感也會阻礙電流的活動，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外，電容抗和電感抗還有相位角度的題目，具有向量上的關(guān)系式，因此才會說：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。

在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻即是激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。

當(dāng)激勵源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份只數(shù)值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。

一. 阻抗匹配的研究

在高速的設(shè)計中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量優(yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說是豐富多樣，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較公道的應(yīng)用，需要衡量多個方面的因素。例如我們在系統(tǒng)中設(shè)計中，很多采用的都是源端的串連匹配。對于什么情況下需要匹配，采用什么方式的匹配，為什么采用這種方式。

例如：差分的匹配多數(shù)采用終端匹配;時鐘采用源端匹配。

1.1 串聯(lián)終端匹配

串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號的源端和傳輸線之間串接一個電阻R，使源真?zhèn)€輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，抑制從負(fù)載端反射回來的信號發(fā)生再次反射。

串聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：

A 由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅(qū)動信號傳播時以其幅度的50%向負(fù)載端傳播;

B 信號在負(fù)載真?zhèn)€反射系數(shù)接近+1，因此反射信號的幅度接近原始信號幅度的50%;

C 反射信號與源端傳播的信號疊加，使負(fù)載端接受到的信號與原始信號的幅度近似相同;

D 負(fù)載端反射信號向源端傳播，到達源端后被匹配電阻吸收;

E 反射信號到達源端后，源端驅(qū)動電流降為0，直到下一次信號傳輸。

相對并聯(lián)匹配來說，串聯(lián)匹配不要求信號驅(qū)動用具有很大的電流驅(qū)動能力。

選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡單，就是要求匹配電阻值與驅(qū)動器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號驅(qū)動器的輸出阻抗為零，實際的驅(qū)動器總是有比較小的輸出阻抗，而且在信號的電平發(fā)生變化時，輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為+4.5V的CMOS驅(qū)動器，在低電平時典型的輸出阻抗為37Ω，在高電平時典型的輸出阻抗為45Ω;TTL驅(qū)動器和CMOS驅(qū)動一樣，其輸出阻抗會隨信號的電平大小變化而變化。因此，對TTL或CMOS電路來說，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折衷考慮。

鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配，所有的負(fù)載必須接到傳輸線的末端。否則，接到傳輸線中間的負(fù)載接受到的波形就會像圖3.2.5中C點的電壓波形一樣?？梢钥闯觯幸欢螘r間負(fù)載端信號幅度為原始信號幅度的一半。顯然這時候信號處在不定邏輯狀態(tài)，信號的噪聲容限很低。

串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點是功耗小，不會給驅(qū)動器帶來額外的直流負(fù)載，也不會在信號和地之間引進額外的阻抗;而且只需要一個電阻元件。

1.2 并聯(lián)終端匹配

并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點是在信號源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸進阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達到消除負(fù)載端反射的目的。實現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。

并聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：

A 驅(qū)動信號近似以滿幅度沿傳輸線傳播;

B 所有的反射都被匹配電阻吸收;

C 負(fù)載端接受到的信號幅度與源端發(fā)送的信號幅度近似相同。

在實際的電路系統(tǒng)中，芯片的輸進阻抗很高，因此對單電阻形式來說，負(fù)載真?zhèn)€并聯(lián)電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等。假定傳輸線的特征阻抗為50Ω，則R值為50Ω。假如信號的高電平為5V，則信號的靜態(tài)電流將達到100mA。由于典型的TTL或CMOS電路的驅(qū)動能力很小，這種單電阻的并聯(lián)匹配方式很少出現(xiàn)在這些電路中。

雙電阻形式的并聯(lián)匹配，也被稱作戴維南終端匹配，要求的電流驅(qū)動能力比單電阻形式小。這是由于兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配，每個電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅(qū)動能力，兩個電阻值的選擇必須遵循三個原則：

⑴ 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等;

⑵ 與電源連接的電阻值不能太小，以免信號為低電平時驅(qū)動電流過大;

⑶ 與地連接的電阻值不能太小，以免信號為高電平時驅(qū)動電流過大。

并聯(lián)終端匹配優(yōu)點是簡單易行;顯而易見的缺點是會帶來直流功耗：單電阻方式的直流功耗與信號的占空比緊密相關(guān)?;雙電阻方式則無論信號是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對功耗要求高的系統(tǒng)。另外，單電阻方式由于驅(qū)動能力題目在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒有應(yīng)用，而雙電阻方式需要兩個元件，這就對PCB的板面積提出了要求，因此不適適用于高密度印刷電路板。

當(dāng)然還有：AC終端匹配;基于二極管的電壓鉗位等匹配方式。

二. 將信號的傳輸看成軟管送水澆花

2.1 數(shù)字系統(tǒng)之多層板信號線(Signal Line)中，當(dāng)出現(xiàn)方波信號的傳輸時，可將之假想成為軟管(hose)送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱，另一端接在水龍頭。當(dāng)握管處所施壓的力道恰好，而讓水柱的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時，則施與受兩者皆歡而順利完成使命，難道一種得心應(yīng)手的小小成就?

2.2 然而一旦用力過度水注射程太遠，不但騰空越過目標(biāo)浪費水資源，甚至還可能因強力水壓無處宣泄，以致往來源反彈造成軟管自龍頭上的擺脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折，而且還大捅紕漏滿臉豆花呢!

2.3 反之，當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結(jié)果。過猶不及皆非所欲，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。

2.4 上述簡單的生活細節(jié)，正可用以說明方波(Square Wave)信號(Signal)在多層板傳輸線(Transmission Line，系由信號線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成)中所進行的快速傳送。此時可將傳輸線(常見者有同軸電纜Coaxial Cable，與微帶線Microstrip Line或帶線Strip Line等)看成軟管，而握管處所施加的壓力，就比如板面上“接受端”(Receiver)元件所并聯(lián)到GND的電阻器一般，可用以調(diào)節(jié)其終點的特性阻抗 (Characteristic Impedance)，使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。

三. 傳輸線之終端控管技術(shù)(Termination)

3.1由上可知當(dāng)“信號”在傳輸線中飛奔旅行而到達終點，欲進進接受元件(如CPU或Memory等大小不同的IC)中工作時，則該信號線本身所具備的“特性阻抗”，必須要與終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行，如此才不致任務(wù)失敗白忙一場。用術(shù)語說就是正確執(zhí)行指令，減少噪聲干擾，避免錯誤動作”。一旦彼此未能匹配時，則必將會有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈，進而形成反射噪聲的煩惱。

3.2 當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗(Z0)被設(shè)計者訂定為28ohm時，則終端控管的接地的電阻器(Zt)也必須是28ohm，如此才能協(xié)助傳輸線對Z0的保持，使整體得以穩(wěn)定在28ohm的設(shè)計數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下，信號的傳輸才會最具效率，其“信號完整性”(Signal Integrity，為信號品質(zhì)之專用術(shù)語)也才最好。

四. 特性阻抗(Characteristic Impedance)

4.1 當(dāng)某信號方波，在傳輸線組合體的信號線中，以高準(zhǔn)位(High Level)的正壓信號向前推進時，則距其最近的參考層(如接地層)中，理論上必有被該電場所感應(yīng)出來的負(fù)壓信號伴隨前行(即是正壓信號反向的回回路徑 Return Path)，如此將可完成整體性的回路(Loop)系統(tǒng)。該“信號”前行中若將其飛行時間暫短加以凍結(jié)，即可想象其所遭受到來自信號線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值(Instantaneous Impedance)，此即所謂的“特性阻抗”。是故該“特性阻抗”應(yīng)與信號線之線寬(w)、線厚(t)、介質(zhì)厚度(h)與介質(zhì)常數(shù)(Dk)都扯上了關(guān) 系。

4.2 阻抗匹配不良的后果

由于高頻信號的“特性阻抗”(Z0)原詞甚長，故一般均簡稱之 為“阻抗”。讀者千萬要小心，此與低頻AC交流電(50Hz)的電線(并非傳輸線)中，所出現(xiàn)的阻抗值(Z)并不完全相同。數(shù)字系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都 能治理妥善，而控制在某一范圍內(nèi)(±10﹪或±5﹪)者，此品質(zhì)良好的傳輸線，將可使得噪聲減少，而誤動作也可避免。但當(dāng)上述微帶線中Z0的四種變數(shù)(w、t、h、r)有任一項發(fā)生異常，例如信號線出現(xiàn)缺口時，將使得原來的Z0忽然上升(見上述公式中之Z0與W成反比的事實)，而無法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻(Continuous)時，則其信號的能量必然會發(fā)生部分前進，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法避免噪聲及誤動作了。例如澆花的軟管忽然被踩住，造成軟管兩端都出現(xiàn)異常，正好可說明上述特性阻抗匹配不良的題目。

4.3 阻抗匹配不良造成噪聲上述部分信號能量的反彈，將造成原來良好品質(zhì)的方波信號，立即出現(xiàn)異常的變形(即發(fā)生高準(zhǔn)位向上的Overshoot，與低準(zhǔn)位向下的Undershoot，以及二者后續(xù)的Ringing)。此等高頻噪聲嚴(yán)重時還會引發(fā)誤動作，而且當(dāng)時脈速度愈快時噪聲愈多也愈輕易出錯。

原文標(biāo)題：什么是阻抗匹配?

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審核編輯：湯梓紅