阻抗匹配---[請教]

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,。
, Z- a/ H) I2 V+ S  I2 ]; \; \0 @8 q在純電阻電路中,，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源內(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。
5 _8 v" r  q1 s" c' V/ A1 g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。
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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,，來達(dá)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,。

% D' r; H3 I4 k# s5 o3 |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）,。

9 i. O8 U! f. g2 j( {* ~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歸一化,，然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。

5 z0 N% c1 ^6 U& T+ t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。如果把電容或電感接地,，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?font class="jammer">5 v9 {7 M0 n  j4 ~" g0 B8 h1 H

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0 \; h+ g! ]8 F4 w+ v% k4 L9 y調(diào)整傳輸線
& d2 U' e7 V6 k4 H* |1 I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

" Q6 B- `8 d) G9 z$ k- t1 ^阻抗匹配則傳輸功率大,，對于一個電源來講,，單它的內(nèi)阻等于負(fù)載時，輸出功率最大,，此時阻抗匹配,。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話,，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,，可是如果信號波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)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,對絞線則為 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流動，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題,，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,。
* U: a, q  O3 M% z& a& j; [2 U, t在純電阻電路中,，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源內(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,。
5 v) a  R3 q7 P4 m" V. B一.阻抗匹配的研究
2 y/ [5 E4 S% C9 ]8 P& N$ B1 A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)中怎樣才能比較合理的應(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,，很多采用的都是源段的串連匹配。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。
; H# E; j9 }0 J; C1 v例如：差分的匹配多數(shù)采用終端的匹配,；時鐘采用源段匹配,；

1、 串聯(lián)終端匹配
1 o# [; f5 U  p! G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)載端的反射系數(shù)接近＋1，因此反射信號的幅度接近原始信號幅度的50％,。
) G0 r8 y% r! q( @0 `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(dá)源端后被匹配電阻吸收,；？
E 反射信號到達(dá)源端后,，源端驅(qū)動電流降為0,，直到下一次信號傳輸。
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9 }( R: G8 P' H相對并聯(lián)匹配來說,，串聯(lián)匹配不要求信號驅(qū)動器具有很大的電流驅(qū)動能力,。

. i* ]7 {3 a, s4 z  f3 H1 j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[4],；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，只能折中考慮,。
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象圖3.2.5中C點的電壓波形一樣,。可以看出,，有一段時間負(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入額外的阻抗,；而且只需要一個電阻元件。

2,、 并聯(lián)終端匹配
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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,。實現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式,。
; G6 t! {, ~6 c并聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：
4 O" P, D! t7 SA 驅(qū)動信號近似以滿幅度沿傳輸線傳播；
" u+ a7 J# [" g2 J# @B 所有的反射都被匹配電阻吸收,；
! f$ P! D' v) DC 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,，芯片的輸入阻抗很高,，因此對單電阻形式來說，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,。如果信號的高電平為5V，則信號的靜態(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。這是因為兩電阻的并聯(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,。考慮到芯片的驅(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,；
9 E- ]  I: T- f" V* D- }  s⑶． 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。

6 z! ?) [3 W4 ]0 @( P3 c) f& t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)動能力問題在一般的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,，因此不適合用于高密度印刷電路板,。
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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,。
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二 .將訊號的傳輸看成軟管送水澆花

; a7 ^& \% ]9 v* O- Y2.1 數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號線（Signal Line）中,，當(dāng)出現(xiàn)方波訊號的傳輸時，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，豈非一種得心應(yīng)手的小小成就？

3 Q1 K. I- {' {+ _4 }5 a$ B2.2 然而一旦用力過度水注射程太遠(yuǎn),，不但騰空越過目標(biāo)浪費水資源,，甚至還可能因強(qiáng)力水壓無處宣泄，以致往來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 上述簡單的生活細(xì)節(jié),，正可用以說明方波（Square Wave）訊號（Signal）在多層板傳輸線（Transmission Line，系由訊號線,、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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三. 傳輸線之終端控管技術(shù)（Termination）

3.1 由上可知當(dāng)“訊號”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點,，欲進(jìn)入接受元件（如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作時,，則該訊號線本身所具備的“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，減少雜訊干擾,，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(jìn)而形成反射雜訊（Noise）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28 ohm的設(shè)計數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下,，訊號的傳輸才會最具效率,，其“訊號完整性”（Signal Integrity，為訊號品質(zhì)之專用術(shù)語）也才最好。


四.特性阻抗（Characteristic Impedance）

3 U! N. z" p  H; g4.1 當(dāng)某訊號方波,，在傳輸線組合體的訊號線中，以高準(zhǔn)位（High Level）的正壓訊號向前推進(jìn)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)壓訊號伴隨前行（等于正壓訊號反向的回歸路徑 Return Path），如此將可完成整體性的回路（Loop）系統(tǒng),。該“訊號”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訊號線、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。
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8 C0 {" ^* L( p/ M) @4 O. z4 M6 o4.2 阻抗匹配不良的后果　　由于高頻訊號的“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（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）有任一項發(fā)生異常，例如訊號線出現(xiàn)缺口時,，將使得原來的Z0突然上升（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，則其訊號的能量必然會發(fā)生部分前進(jìn),，而部分卻反彈反射的缺失,。如此將無法避免雜訊及誤動作了。例如澆花的軟管突然被踩住,，造成軟管兩端都出現(xiàn)異常,，正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。
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4.3 阻抗匹配不良造成雜訊　　上述部分訊號能量的反彈，將造成原來良好品質(zhì)的方波訊號,，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）,。此等高頻雜訊嚴(yán)重時還會引發(fā)誤動作,，而且當(dāng)時脈速度愈快時雜訊愈多也愈容易出錯。
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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,，這對用戶來說有何實際意義？