特性阻抗与阻抗匹配

什么是阻抗？

阻抗从字面上看就与电阻不一样，其中只有一个阻字是相同的，而另一个抗字呢？简单的来说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗；周延一点说，阻抗就是电阻，电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电流的世界中，物体对电流的阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体，电阻大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的超导体，则是一种电阻值几乎为零的物质。但是在交流的领域中除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用成为电抗，意即抵抗电流的作用。电容以及电感的电抗称作电容抗和电感抗，简称容抗和感抗，它们的计量单位和电阻一样是欧姆，而其值的大小则和交流电的频率有关，频率越高电容抗越小，然而电感抗越大。反之则容抗越大感抗越小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。

对于一个具体的电路，阻抗不是不变的，而是随着频率的变化而变化。

在电阻，电感和电容串联电路中，电阻的阻抗一般来说比电阻大，也就是阻抗减小到最小值。

在电感和电容并联的电路中，谐振的时候阻抗增大到最大值，这和串联电路相反。

什么是阻抗匹配？

阻抗匹配在高频设计中是一个常用的概念。阻抗匹配（Impedance matching）是微薄电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回源点，从而提升能源效率。

大提升阻抗匹配有两种：一种是透过改变阻抗力（Lumped-circuit matching），另一种则是调整传输线的波长（transmission line matching）.

要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值画在史密夫图表上。

1. 改变阻抗力

把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿着代表实数电阻的圆圈走动。如果把电容或电感接地，首先图标上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。重复以上方法直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。

2. 调整传输线

由负载点至来源点加长传输线，在图标上的圆点会沿着图中心以逆时针方向走动，直到走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为0，完成匹配。

阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来说，单它的内阻等于负载的时候，输出功率功率最大，此时阻抗匹配。最大功率传输定理，如果是高频的话，就是无反射波。对于普通的宽频放大器，输出阻抗50欧姆，功率传输中需要考虑阻抗匹配，可是如果信号波长远远大于电缆长度，即缆长可以忽略的话，就无需考虑阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等，此时的传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了。反之则在传输中有能量损失。高速PCB布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧姆。这个是大约的数值，一般规定同轴电缆基带50欧姆，对绞线则为100欧姆，只是取个整数而已，为了匹配方便。

阻抗匹配条件、阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样。

在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成分时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共轭关系，即电阻成分相等，电抗成分只有数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共轭匹配。

阻抗匹配的研究：在高速的设计中，阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。阻抗匹配的技术可以说是丰富多样，但是在具体的系统中怎样才能比较合理的应用，需要衡量多个方面的因素。例如我们在系统设计中，很多采用的都是源端的串联匹配。对于什么情况下需要匹配，采用什么方式的匹配，为什么采用这种匹配方式。

例如：差分的匹配多数采用终端的匹配；时钟采用源端匹配；

1. 串联终端匹配

串联终端匹配的理论的出发点是在信号源端阻抗低于传输线特性阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射。

串联终端匹配后的信号传输具有以下特点：

A. 由于匹配串联电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50%向负载端传播。

B. 信号在负载端的反射系数接近+1，因此反射信号的幅度接近原始信号的50%。

C. 反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接收到的信号与原始信号的幅度近似相同。

D. 负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收。

E. 反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。

     相对于并联匹配而言，串联匹配不要求信号驱动器具有具有很大的电流驱动能力。

选择串联终端匹配电阻值得原则很简单，就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。理想的信号驱动器的输出阻抗电阻为零，实际的驱动器总是有比较小的输出阻抗，而且在信号的电平发生变化时，输出阻抗可能不同。比如电源电压为4.5V的CMOS驱动器，在低电平时典型的输出阻抗为37欧姆，再高电平的时候，典型的输出阻抗为45欧姆；TTL驱动器和CMOS驱动一样，其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。因此对于TTL和CMOS电路来说，不可能有十分正确的匹配电阻，只能折中考虑。

链状拓扑结构的信号网络不适合使用串联终端匹配，所有的负载必须接到传输线的末端。否则，接到传输线中间的负载接收到的波形，就会有一段时间负载端信号幅度为原始信号幅度的一半。显然这时候信号处于不定逻辑状态，信号的噪声容限很低。

串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗小，不会给驱动器带来额外的直流负载，也不会在信号和地之间引入额外的阻抗；而且只需要一个电阻元件。

2. 并联终端匹配

并联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的。实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。

并联终端匹配后的信号传输具有以下特点：

A. 驱动信号近似以满幅度沿传输线传播

B. 所有的反射都被匹配电阻吸收

C. 负载端接受到的信号幅度与源端发送的信号幅度近似相同

在实际的电路系统中，芯片的输入阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载端的并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。假定传输线的特征阻抗为50欧姆，则R值为50欧姆。如果信号的高电平为5V，则信号的静态电流将达到100mA。由于典型的TTL或CMOS电路的驱动能力很小，这种单电阻的并联匹配方式很少出现在这些电路中。

双电阻形式的并联匹配，也被称作戴维南终端匹配，要求的电流驱动能力比单电阻形式小。这是因为双电阻的并联值与传输线的特征阻抗相匹配，每个电阻都比传输线的特征阻抗大。考虑到芯片的驱动能力，两个电阻的选择必须遵循三个原则：

（1） 两电阻的并联值与传输线的特征阻抗值相等；

（2） 与电源连接的电阻值不能太小，以免信号为低电平时驱动电流过大；

（3） 与地连接的电阻值不能太小，以免信号高电平时驱动电流过大；

并联终端匹配优点简单易行；显而易见的缺点是会带来直流功耗；单电阻方式的直流功耗与信号的占空比密切相关；双电阻方式则无论信号是高电平还是低电平都有直流功耗。因而不适用于电池供电系统等对功耗要求高的系统。另外，单电阻方式由于驱动能力问题在一般的TTL，CMOS系统中没有应用，而双电阻方式需要两个元件，这就对PCB的板面积提出了要求，因此不适合用于高密度的印刷电路板。

当然还有：AC终端匹配；基于二极管的电压钳位等匹配方式。

匹配不良的后果：

由于高频讯号的“特征阻抗”，一般称为“阻抗”。此与低频AC交流电（60Hz）其电线（并非传输线）中，所出现的阻抗值并不完全相同。数位系统当整条传输线的“特征阻抗”都能管理妥善，而控制在某一范围内（±10%或者±5%）者，此品质良好的传输线，将使得杂讯减少，而误操作也可避免。但当上述微带线中的“特征阻抗”的四种常数（w t h r）有任一项发生变化，例如讯号线出现缺口，将使得原来的“特征阻抗”突然上升，而无法继续维持应有的稳定均匀时，则其讯号的能量必然会发生部分前进，而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避免杂讯以及误动作。例如浇花的软管突然被踩住，造成软管两端都出现异常。

那么是否什么时候都要考虑阻抗匹配呢？

在普通的宽频带放大器中，因为输出阻抗为50欧姆，所以需要考虑在功率传输电路中进行阻抗匹配。但是，实际上当电缆的长度对于信号的波长来说可以忽略不计时，就不需要做阻抗匹配。