2什么是阻抗？什么是阻抗匹配？以及为什么要阻抗匹配？.docx

什么是阻抗？什么是阻抗匹配？以及为什么要阻抗匹配?什么是阻抗具有电阻、电感和电容的电路里，对沟通电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成，但不是三者简洁相加。假如三者是串联的，又知道沟通电的频率f、电阻R、电感1.和电容C,那么串联电路的阻抗N=W4侬*1C8阻抗的单位是欧。对于一个详细电路，阻抗不是不变的，而是随着频率变更而变更。在电阻、电感和电容串联电路中，电路的阻抗一般来说比电阻大。也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中，谐振的时候阻抗增加到最大值，这和串联电路相反。阻抗匹配在高频设计中是一个常用的概念，这篇文章对这个“阻抗匹配”进行了比较好的解析。回答了什么是阻抗匹配。阻抗匹配(ImPedanCematching)是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达到全部高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过变更阻抗力(IUmPed-CireUitmatching),另一种则是调整传输线的波长(transmissionlinematching)0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,然后把数值划在史密夫图表上。变更阻抗力把电容或电感与负载串联起来，即可增加或削减负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。假如把电容或电感接地，首先图表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。重覆以上方法直至电阻值变成1,即可干脆把阻抗力变为零完成匹配。编辑调整传输线由负载点至来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿著图中心以逆时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，单它的内阻等于负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。最大功率传输定理，假如是高频的话,就是无反射波。对于一般的宽频放大器，输出阻抗50Q,功率传输电路中须要考虑阻抗匹配，可是假如信号波长远远大于电缆长度，即缆长可以忽视的话，就无须考虑阻抗匹配了。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,这表明全部能量都被负载汲取了.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。这是个大约的数字,一般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线则为100欧姆,只是取个整而已,为了匹配便利.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？简洁地说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗；周延一点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上全部的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体，电阻很大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的超导体，则是一种电阻值几近于零的东西。但是在沟通电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流淌，这种作用就称之为电抗，意即反抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是奥姆，而其值的大小则和沟通电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。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，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。阻抗匹配是指负我阻抗与激励源内部阻抗相互适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，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份时，为使负教得到最大功率，负载阻抗与内阻必需满意共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。一.阻抗匹配的探讨在高速的设计中，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，但是在详细的系统中怎样才能比较合理的应用，须要衡量多个方面的因素。例如我们在系统中设计中，许多采纳的都是源段的串连匹配。对于什么状况下须要匹配，采纳什么方式的匹配，为什么采纳这种方式。例如：差分的匹配多数采纳终端的匹配；时钟采纳源段匹配；1、串联终端匹配串联终端匹配的理论动身点是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，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由于串联匹配电阻的作用，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幅度的50%。C反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受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汲取；？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。相对并联匹配来说，串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动实力。选择串联终端匹配电阻值的原则很简洁，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。志向的信号驱动器的输出阻抗为零，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更时，输出阻抗可能不同。比如电源电压为+4.5V的CMOS驱动器，在低电平常典型的输出阻抗为37,在高电平常典型的输出阻抗为45Q4;TT1.驱动器和CMOS驱动一样，其输出阻抗会随信号的电平大小变更而变更。因此，对TT1.或CMOS电路来说，不行能有非常正确的匹配电阻，只能折中考虑。链状拓扑结构的信号网路不适合运用串联终端匹配，全部的负载必需接到传输线的末端。否则，接到传输线中间的负载接受到的波形就会象图3.2.5中C点的电压波形一样。可以看出，有一段时间负载端信号幅度为原始信号幅度的一半。明显这时候信号处在不定逻辑状态，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；而且只须要一个电阻元件。2、并联终端匹配并联终端匹配的理论动身点是在信号源端阻抗很小的状况下，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,达到消退负载端反射的目的。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全部的反射都被匹配电阻汲取；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需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,则R值为50d假如信号的高电平为5V,则信号的静态电流将达到10OmA0由于典型的TT1.或CMOS电路的驱动实力很小，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，要求的电流驱动实力比单电阻形式小。这是因为两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。考虑到芯片的驱动实力，两个电阻值的选择必需遵循三个原则：.两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相等；.与电源连接的电阻值不能太小，以免信号为低电平常驱动电流过大；.与地连接的电阻值不能太小，以免信号为高电平常驱动电流过大。并联终端匹配优点是简洁易行；自不待言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紧密相关？；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实力问题在一般的TT1.、CMOS系统中没有应用，而双电阻方式须要两个元件，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。二.将讯号的传输看成软管送水浇花1.1 数位系统之多层板讯号线(Signal1.ine)中，当出现方波讯号的传输时，可将之假想成为软管(hose)送水浇花。一端于手握处加压使其射出水柱，另一端接在水龙头。当握管处所施压的力道恰好，而让水柱的射程正确洒落在目标区时，则施与受两者皆欢而顺当完成使命，岂非种得心应手的小小成就？1.2 然而一旦用力过度水注射程太远，不但腾空越过目标奢侈水资源，甚至还可能因强力水压无处宣泄，以致往来源反弹造成软管自龙头上的摆脱!不仅任务失败横生挫折，而且还大捅纸漏满脸豆花呢！1.3 反之，当握处之挤压不足以致射程太近者，则照样得不到想要的结果。过犹不及皆非所欲，唯有恰到好处才能正中下怀皆大高兴。1.4 上述简洁的生活细微环节，正可用以说明方波(SqUareWave)讯号(Signal)在多层板传输线(Transmission1.ine,系由讯号线、介质层、及接地层三者所共同组成)中所进行的快速传送。此时可将传输线(常见者有同轴电缆CoaxialCable,与微带线MiCrOStriP1.ine或带线StriP1.ine等)看成软管，而握管处所施加的压力，就好比板面上“接受端”(ReCeiVer)元件所并联到Gnd的电阻器-一般，可用以调整其终点的特性阻抗(CharaCtehStiCImpedance),使匹配接受端元件内部的需求。三 .传输线之终端控管技术(Termination)3.1 由上可知当“讯号”在传输线中疾驰旅行而到达终点，欲进入接受元件(如CPU或Meomery等大小不同的IO中工作时，则该讯号线本身所具备的“特性阻抗”，必须要与终端元件内部的电子阻抗相互匹配才行，如此才不致任务失败白忙一场。用术语说就是正确执行指令，削减杂讯干扰，避开错误动作"。一旦彼此未能匹配时，则必将会有少许能量回头朝向“发送端”反弹，进而形成反射杂讯(Noise)的苦恼。3.2 当传输线本身的特性阻抗(ZO)被设计者订定为28ohm时，则终端控管的接地的电阻器（Zt）也必需是28ohm,如此才能帮助传输线对ZC）的保持，使整体得以稳定在28Ohm的设计数值。也唯有在此种ZO=Zt的匹配情形下，讯号的传输才会最具效率，其“讯号完整性"（SignalImegrity,为讯号品质之专用术语）也才最好。四 .特性阻抗（CharaCteriStiCImpedance）4.1 当某讯号方波，在传输线组合体的讯号线中，以高准位（High1.evel）的正压讯号向前推动时，则距其最近的参考层（如接地层）中，理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行（等于正压讯号反向的回来路径ReturnPath）,如此将可完成整体性的回路（1.OoP）系统。该“讯号前行中若将其飞行时间暂短加以冻结，即可想象其所遭遇到来自讯号线、介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值（InstantaniousImpedance），此即所谓的“特性阻抗，是故该“特性阻抗”应与讯号线之线宽（W）、线厚（D、介质厚度（三）与介质常数（Dk）都扯上了关系。4.2 阻抗匹配不良的后果由于高频讯号的“特性阻抗"（Zo）原词甚长，故一般均简称之为“阻抗”。读者千万要当心，此与低频AC沟通电（60HZ）其电线（并非传输线）中，所出现的阻抗值（Z）并不完全相同。数位系统当整条传输线的ZO都能管理妥当，而限制在某一范围内（±10%或±5%）者，此品质良好的传输线，将可使得杂讯削减，而误动作也可避开。但当上述微带线中ZO的四种变数（w、t、h、r）有任一项发生异样，例如讯号线出现缺口时.，将使得原来的ZO突然上升（见上述公式中之Zo与W成反比的事实），而无法接着维持应有的稳定匀称（ContinUOUS）时，则其讯号的能量必定会发生部分前进，而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避开杂讯及误动作了。例如浇花的软管突然被踩住，造成软管两端都出现异样，正好可说明上述特性阻抗匹配不良的问题。4.3 阻抗匹配不良造成杂讯上述部分讯号能量的反弹，将造成原来良好品质的方波讯号，马上出现异样的变形（即发生高准位向上的OVerShoot,与低准位向下的UnderShO03以及二者后续的Ringing）。此等高频杂讯严峻时还会引发误动作，而且当时脉速度愈快时杂讯愈多也愈简洁出错。那么是否什么时候都要考虑阻抗匹配？在一般的宽频带放大器中，因为输出阻抗为50Q,所以须要考虑在功率传输电路中进行阻抗匹配。但是，事实上当电缆的长度对于信号的波长来说可以忽视不计时，就勿需阻抗匹配的。考虑信号频率为IMHz,其波长在空气中为300m,在同轴电缆中约为200m。在通常运用的长度为Im左右的同轴电缆中，是在完全可忽视的范围之内。（图H）假如存在阻抗，那么在阻抗上就会产生功率消耗，所以不做阻抗匹配其结果就会使放大器的输出功率发生无用的奢侈。（图J）Po=I2-Zo+I2-Zl