阻抗與阻抗匹配理解

1. 阻抗的概念

在具有電阻、電感和電容的電路里，對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。常用Z來表示，它的值由交流電的頻率、電阻R、電感L、電容C相互作用來決定。由此可見，一個具體的電路，其阻抗是隨時變化的，它會隨著電流頻率的改變而改變。

2. 阻抗匹配的概念

阻抗匹配是微波電子學里的一部分，主要用于傳輸線上，來達到所有高頻微波信號都能傳至負載的目的，不會有信號反射回來源點，從而提高能源效益。如果不匹配有什么后果呢？如果不匹配，則會形成反射，能力傳遞不過去，降低效率，會在傳輸線上形成駐波，導致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至會損壞發(fā)射設備。如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時，則會產生震蕩，輻射干擾等。其對整個系統(tǒng)的影響是非常嚴重的。而在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的匹配問題,只考慮信號源跟負載之間的情況,因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是“短線”,反射可以不考慮（因為線短,即使反射回來,跟原信號還是一樣的）。

當阻抗不匹配時,有哪些辦法讓它匹配呢？第一,可以考慮使用變壓器來做阻抗轉換。第二,可以考慮使用串聯/并聯電容或電感的辦法,這在調試射頻電路時常使用，在一般電路設計較為少用。第三,可以考慮使用串聯/并聯電阻的辦法，即為串聯終端匹配和并聯終端匹配。

下面針對第三種匹配方法做簡單的介紹，

1）串聯終端匹配

串聯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，抑制從負載端反射回來的信號發(fā)生再次反射。串聯匹配不要求信號驅動器具有很大的電流驅動能力。

串聯終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：

A 由于串聯匹配電阻的作用，驅動信號傳播時以其幅度的50％向負載端傳播；

B 信號在負載端的反射系數接近＋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，使負載端接受到的信號與原始信號的幅度近似相同；

D 負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，源端驅動電流降為0，直到下一次信號傳輸。

選擇串聯終端匹配電阻值的原則很簡單，就是要求匹配電阻值與驅動器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。傳輸線的特性阻抗是由傳輸線的結構以及材料決定的,而與傳輸線的長度,以及信號的幅度、頻率等均無關。而特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念,它與傳輸線的長度無關,也不能通過使用歐姆表來測量。可以通過特殊的儀器來測量，例如網上有資料寫到可以使用矢量網絡分析儀來準確測量平衡雙絞線傳輸線的特性阻抗。而在TTL和CMOS的輸出阻抗會隨電平大小的變化而變化，因此在TTL或CMOS電路中，不可能十分準確的做到阻抗完全匹配，只能折衷考慮。

串聯匹配是最常用的終端匹配方法，它的優(yōu)點是功耗小，不會給驅動器帶來額外的直流負載，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）并聯終端匹配

并聯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，通過增加并聯電阻使負載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗匹配，達到消除負載端反射的目的。實現形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。

并聯終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：

① 驅動信號近似以滿幅度沿傳輸線傳播；

② 所有的反射都被匹配電阻吸收；

③ 負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，負載端的并聯電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等。由于典型的TTL或CMOS電路的驅動能力很小，這種單電阻的并聯匹配方式很少出現在這些電路中。

雙電阻形式的并聯匹配，也被稱作戴維南終端匹配，要求的電流驅動能力比單電阻形式小。這是因為兩電阻的并聯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]到芯片的驅動能力，兩個電阻值的選擇必須遵循三個原則：

① 兩電阻的并聯值與傳輸線的特征阻抗相等；

② 與電源連接的電阻值不能太小，以免信號為低電平時驅動電流過大；

③ 與地連接的電阻值不能太小，以免信號為高電平時驅動電流過大。

并聯終端匹配優(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；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，單電阻方式由于驅動能力問題在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒有應用，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。