阻抗匹配知識(shí)概述

阻抗匹配是信號(hào)傳輸過程中信源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗之間特定的配合關(guān)系。也是一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對(duì)器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。主要用于使傳輸線上所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)上，并不會(huì)有信號(hào)反射回來源點(diǎn)，進(jìn)而提高了能源效益。本文我們將介紹PCB設(shè)計(jì)知識(shí)中有關(guān)阻抗匹配的一些研究。


　　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；


　　1、 串聯(lián)終端匹配
　　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)載端反射回來的信號(hào)發(fā)生再次反射.
　　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％。
　　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。
　　相對(duì)并聯(lián)匹配來說，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(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?？梢钥闯?，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。
　　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。


　　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；
　　C 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(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；
　?、疲?nbsp;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)電流過大。
　　并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行；顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來直流功耗：?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴呐c信號(hào)的占空比緊密相關(guān)？；雙電阻方式則無論信號(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(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。
　　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
　　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？
　　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(fèi)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！
　　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。
　　4、 上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié)，正可用以說明方波（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。


　　三  傳輸線之終端控管技術(shù)（Termination）
　　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)語說就是正確執(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。
　　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）也才最好。


　　四  特性阻抗（Characteristic Impedance）
　　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。
　　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。　　但當(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)，將使得原來的Z0突然上升（見上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)），而無法繼續(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，正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。
　　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)。


　　五、  結(jié)束語
　　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。