阻抗匹配---[請(qǐng)教]

駱駝草

何謂阻抗匹配,？為何一些傳感器或電子儀表上都標(biāo)明輸入電阻,，這是為什末,？

能源員

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)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(duì)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)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，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(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí),，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(hào)相反,。這種匹配條件稱為共扼匹配,。



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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(lái)達(dá)至所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的,，不會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)源點(diǎn)，從而提升能源效益,。
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* m0 E* X9 Q& K- @7 p. Q) W大體上,，阻抗匹配有兩種，一種是透過(guò)改變阻抗力（lumped-circuit matching）,，另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(zhǎng)（transmission line matching）,。

; a- T, \/ {4 `6 X$ q# C要匹配一組線路，首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值,，除以傳輸線的特性阻抗值來(lái)歸一化,，然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。

改變阻抗力
. U% D4 }8 Y; j* W3 b把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來(lái),，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值,，在圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地,，首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180度,，然后才沿電阻圈走動(dòng)，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?font class="jammer">3 z0 t1 r8 @' ^9 E2 G


# \8 P, F: r- B& |- Q調(diào)整傳輸線
8 \8 b* b5 R; ^9 P5 A% l由負(fù)載點(diǎn)至來(lái)源點(diǎn)加長(zhǎng)傳輸線，在圖表上的圓點(diǎn)會(huì)沿著圖中心以逆時(shí)針?lè)较蜃邉?dòng),，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(duì)于一個(gè)電源來(lái)講,，單它的內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí)，輸出功率最大,，此時(shí)阻抗匹配,。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話,，就是無(wú)反射波,。對(duì)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,，可是如果信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長(zhǎng)度，即纜長(zhǎng)可以忽略的話，就無(wú)須考慮阻抗匹配了,。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí),要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等,此時(shí)的傳輸不會(huì)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(shí)，為了防止信號(hào)的反射,，要求是線路的阻抗為50歐姆,。這是個(gè)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,對(duì)絞線則為 100歐姆,只是取個(gè)整而已,為了匹配方便.
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/ ]. j! ~' E7 m) O1 d. K9 b0 Z阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個(gè)阻字是相同的,，而另一個(gè)抗字呢,？簡(jiǎn)單地說(shuō)，阻抗就是電阻加電抗,，所以才叫阻抗,；周延一點(diǎn)地說(shuō)，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(duì)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(huì)阻礙電流以外，電容及電感也會(huì)阻礙電流的流動(dòng),，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(jiǎn)稱容抗及感抗,。它們的計(jì)量單位與電阻一樣是奧姆，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問(wèn)題,，具有向量上的關(guān)系式,，因此才會(huì)說(shuō)：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。
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阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)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(duì)于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。
' c; e* ^% s- B( t# f& ^- \7 h1 n在純電阻電路中,，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí),，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(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)，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(hào)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(jì)中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣,。阻抗匹配的技術(shù)可以說(shuō)是豐富多樣,，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用，需要衡量多個(gè)方面的因素,。例如我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)計(jì)中,，很多采用的都是源段的串連匹配。對(duì)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)采用終端的匹配,；時(shí)鐘采用源段匹配,；
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" V- n! H+ \+ B, ^4 w/ o1、 串聯(lián)終端匹配
% a# m& }9 R8 H0 E6 }串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下,，在信號(hào)的源端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻R,，使源端的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(lái)的信號(hào)發(fā)生再次反射.
, c( C6 V  i) ?& a/ G# H6 B串聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：
A 由于串聯(lián)匹配電阻的作用,，驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳播時(shí)以其幅度的50％向負(fù)載端傳播,；
B 信號(hào)在負(fù)載端的反射系數(shù)接近＋1，因此反射信號(hào)的幅度接近原始信號(hào)幅度的50％,。
1 y( Q3 ]3 e+ {' \C 反射信號(hào)與源端傳播的信號(hào)疊加,，使負(fù)載端接受到的信號(hào)與原始信號(hào)的幅度近似相同；
D 負(fù)載端反射信號(hào)向源端傳播,，到達(dá)源端后被匹配電阻吸收,；？
E 反射信號(hào)到達(dá)源端后,，源端驅(qū)動(dòng)電流降為0,，直到下一次信號(hào)傳輸。
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相對(duì)并聯(lián)匹配來(lái)說(shuō)，串聯(lián)匹配不要求信號(hào)驅(qū)動(dòng)器具有很大的電流驅(qū)動(dòng)能力,。

選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單,，就是要求匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗為零,，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器總是有比較小的輸出阻抗,，而且在信號(hào)的電平發(fā)生變化時(shí)，輸出阻抗可能不同,。比如電源電壓為＋4.5V的CMOS驅(qū)動(dòng)器,，在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為37Ω，在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為45Ω[4],；TTL驅(qū)動(dòng)器和CMOS驅(qū)動(dòng)一樣,，其輸出阻抗會(huì)隨信號(hào)的電平大小變化而變化。因此,，對(duì)TTL或CMOS電路來(lái)說(shuō),，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮,。
# \, P9 r! j  U7 c7 T% b鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號(hào)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(huì)象圖3.2.5中C點(diǎn)的電壓波形一樣,。可以看出,，有一段時(shí)間負(fù)載端信號(hào)幅度為原始信號(hào)幅度的一半,。顯然這時(shí)候信號(hào)處在不定邏輯狀態(tài)，信號(hào)的噪聲容限很低,。
) ~0 M  G* I; @串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法,。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小，不會(huì)給驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)額外的直流負(fù)載,，也不會(huì)在信號(hào)和地之間引入額外的阻抗；而且只需要一個(gè)電阻元件,。
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, s- I  K( v7 c& u% e6 {2,、 并聯(lián)終端匹配

并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下，通過(guò)增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的,。實(shí)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(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：
A 驅(qū)動(dòng)信號(hào)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,；
9 w4 j: ]! j" mC 負(fù)載端接受到的信號(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度近似相同。
在實(shí)際的電路系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗很高,，因此對(duì)單電阻形式來(lái)說(shuō),，負(fù)載端的并聯(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,。如果信號(hào)的高電平為5V，則信號(hào)的靜態(tài)電流將達(dá)到100mA,。由于典型的TTL或CMOS電路的驅(qū)動(dòng)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(dòng)能力比單電阻形式小。這是因?yàn)閮呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配,，每個(gè)電阻都比傳輸線的特征阻抗大,。考慮到芯片的驅(qū)動(dòng)能力,，兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)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(hào)為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大,；
⑶． 與地連接的電阻值不能太小,，以免信號(hào)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大。

& K2 h& u. R; T- l- }并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行,；顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)直流功耗：?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴�耗與信號(hào)的占空比緊密相關(guān),？；雙電阻方式則無(wú)論信號(hào)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(duì)功耗要求高的系統(tǒng),。另外，單電阻方式由于驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題在一般的TTL,、CMOS系統(tǒng)中沒(méi)有應(yīng)用,，而雙電阻方式需要兩個(gè)元件，這就對(duì)PCB的板面積提出了要求,，因此不適合用于高密度印刷電路板,。
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2 ^  w3 \; r/ g, Q& v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 .將訊號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花
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  H; [5 q$ K7 J5 L7 H- j2.1 數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號(hào)線（Signal Line）中,，當(dāng)出現(xiàn)方波訊號(hào)的傳輸時(shí)，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(shí),，則施與受兩者皆歡而順利完成使命,，豈非一種得心應(yīng)手的小小成就？
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9 Y" T3 s0 |- U" `0 |2.2 然而一旦用力過(guò)度水注射程太遠(yuǎn),，不但騰空越過(guò)目標(biāo)浪費(fèi)水資源,，甚至還可能因強(qiáng)力水壓無(wú)處宣泄，以致往來(lái)源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折,，而且還大捅紕漏滿臉豆花呢,！
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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(guò)猶不及皆非所欲，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜,。
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2.4 上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié),，正可用以說(shuō)明方波（Square Wave）訊號(hào)（Signal）在多層板傳輸線（Transmission Line，系由訊號(hào)線,、介質(zhì)層,、及接地層三者所共同組成）中所進(jìn)行的快速傳送。此時(shí)可將傳輸線（常見(jiàn)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，就好比板面上“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(diǎn)的特性阻抗（Characteristic Impedance）,，使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。
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2 U! I8 q5 A6 H6 Q4 d4 O, R3 U三. 傳輸線之終端控管技術(shù)（Termination）

3.1 由上可知當(dāng)“訊號(hào)”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn),，欲進(jìn)入接受元件（如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作時(shí),，則該訊號(hào)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(chǎng),。用術(shù)語(yǔ)說(shuō)就是正確執(zhí)行指令，減少雜訊干擾,，避免錯(cuò)誤動(dòng)作”,。一旦彼此未能匹配時(shí)，則必將會(huì)有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈,，進(jìn)而形成反射雜訊（Noise）的煩惱。

9 q' b  A, s  K: y: V; k1 m/ f+ H3.2 當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗（Z0）被設(shè)計(jì)者訂定為28ohm時(shí),，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(duì)Z0的保持,，使整體得以穩(wěn)定在28 ohm的設(shè)計(jì)數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下,，訊號(hào)的傳輸才會(huì)最具效率,，其“訊號(hào)完整性”（Signal Integrity，為訊號(hào)品質(zhì)之專用術(shù)語(yǔ)）也才最好,。

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* Q, z$ H0 l8 k9 U四.特性阻抗（Characteristic Impedance）

5 d" `& o% x3 t+ l3 u9 B4.1 當(dāng)某訊號(hào)方波,，在傳輸線組合體的訊號(hào)線中，以高準(zhǔn)位（High Level）的正壓訊號(hào)向前推進(jìn)時(shí),，則距其最近的參考層（如接地層）中,，理論上必有被該電場(chǎng)所感應(yīng)出來(lái)的負(fù)壓訊號(hào)伴隨前行（等于正壓訊號(hào)反向的回歸路徑 Return Path），如此將可完成整體性的回路（Loop）系統(tǒng),。該“訊號(hào)”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以凍結(jié),，即可想象其所遭受到來(lái)自訊號(hào)線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值（Instantanious Impedance）,，此即所謂的“特性阻抗”,。　　是故該“特性阻抗”應(yīng)與訊號(hào)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　　由于高頻訊號(hào)的“特性阻抗”（Z0）原詞甚長(zhǎng),，故一般均簡(jiǎn)稱之為“阻抗”,。讀者千萬(wàn)要小心，此與低頻AC交流電（60Hz）其電線（并非傳輸線）中,，所出現(xiàn)的阻抗值（Z）并不完全相同,。數(shù)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都能管理妥善，而控制在某一范圍內(nèi)（±10﹪或 ±5﹪）者,，此品質(zhì)良好的傳輸線,，將可使得雜訊減少，而誤動(dòng)作也可避免,�,！　〉���(dāng)上述微帶線中Z0的四種變數(shù)（w、t,、h,、 r）有任一項(xiàng)發(fā)生異常，例如訊號(hào)線出現(xiàn)缺口時(shí),，將使得原來(lái)的Z0突然上升（見(jiàn)上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)）,，而無(wú)法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻（Continuous）時(shí)，則其訊號(hào)的能量必然會(huì)發(fā)生部分前進(jìn),，而部分卻反彈反射的缺失,。如此將無(wú)法避免雜訊及誤動(dòng)作了,。例如澆花的軟管突然被踩住，造成軟管兩端都出現(xiàn)異常,，正好可說(shuō)明上述特性阻抗匹配不良的問(wèn)題,。

* X5 M( D4 B* g5 A4.3 阻抗匹配不良造成雜訊　　上述部分訊號(hào)能量的反彈，將造成原來(lái)良好品質(zhì)的方波訊號(hào),，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）,。此等高頻雜訊嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作,，而且當(dāng)時(shí)脈速度愈快時(shí)雜訊愈多也愈容易出錯(cuò)。

駱駝草

非常感謝二樓朋友的詳細(xì)解答,，為何一些傳感器或電子儀表上都標(biāo)明輸入阻抗,，這對(duì)用戶來(lái)說(shuō)有何實(shí)際意義？