阻抗匹配知識概述

阻抗匹配是信號傳輸過(guò)程中信源內阻抗和負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載阻抗之間所應滿(mǎn)足的某種關(guān)系，以免接上負載后對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(xiàn)上所有高頻的微波信號皆能傳至負載點(diǎn)上，并不會(huì )有信號反射回來(lái)源點(diǎn)，進(jìn)而提高了能源效益。本文我們將介紹PCB設計知識中有關(guān)阻抗匹配的一些研究。


　　一阻抗匹配的研究
　　在高速的設計中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量?jì)?yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說(shuō)是豐富多樣，但是在具體的系統中怎樣才能比較合理的應用，需要衡量多個(gè)方面的因素。例如我們在系統中設計中，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。
　　例如：差分的匹配多數采用終端的匹配；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)是在信號源端阻抗低于傳輸線(xiàn)特征阻抗的條件下，在信號的源端和傳輸線(xiàn)之間串接一個(gè)電阻R，使源端的輸出阻抗與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相匹配，抑制從負載端反射回來(lái)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(diǎn)：
　　A由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅動(dòng)信號傳播時(shí)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(dòng)電流降為0，直到下一次信號傳輸。
　　相對并聯(lián)匹配來(lái)說(shuō)，串聯(lián)匹配不要求信號驅動(dòng)器具有很大的電流驅動(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動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等。理想的信號驅動(dòng)器的輸出阻抗為零，實(shí)際的驅動(dòng)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(shí)，輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為＋4.5V的CMOS驅動(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驅動(dòng)器和CMOS驅動(dòng)一樣，其輸出阻抗會(huì )隨信號的電平大小變化而變化。因此，對TTL或CMOS電路來(lái)說(shuō)，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。
　　鏈狀拓撲結構的信號網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配，所有的負載必須接到傳輸線(xiàn)的末端。否則，接到傳輸線(xiàn)中間的負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)間負載端信號幅度為原始信號幅度的一半。顯然這時(shí)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(diǎn)是功耗小，不會(huì )給驅動(dòng)器帶來(lái)額外的直流負載，也不會(huì )在信號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)是在信號源端阻抗很小的情況下，通過(guò)增加并聯(lián)電阻使負載端輸入阻抗與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相匹配，達到消除負載端反射的目的。實(shí)現形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。
　　并聯(lián)終端匹配后的信號傳輸
　　具有以下特點(diǎn)：
　　A驅動(dòng)信號近似以滿(mǎn)幅度沿傳輸線(xiàn)傳播；
　　B所有的反射都被匹配電阻吸收；
　　C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(shí)際的電路系統中，芯片的輸入阻抗很高，因此對單電阻形式來(lái)說(shuō)，負載端的并聯(lián)電阻值必須與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相近或相等。假定傳輸線(xiàn)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)電流將達到100mA。由于典型的TTL或CMOS電路的驅動(dòng)能力很小，這種單電阻的并聯(lián)匹配方式很少出現在這些電路中。
　　雙電阻形式的并聯(lián)匹配，也被稱(chēng)作戴維南終端匹配，要求的電流驅動(dòng)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(xiàn)的特征阻抗相匹配，每個(gè)電阻都比傳輸線(xiàn)的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅動(dòng)能力，兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則：
　?、牛畠呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等；
　?、疲c電源連接的電阻值不能太小，以免信號為低電平時(shí)驅動(dòng)電流過(guò)大；
　?、牵c地連接的電阻值不能太小，以免信號為高電平時(shí)驅動(dòng)電流過(guò)大。
　　并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行；顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是會(huì )帶來(lái)直流功耗：?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴呐c信號的占空比緊密相關(guān)？；雙電阻方式則無(wú)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等對功耗要求高的系統。另外，單電阻方式由于驅動(dòng)能力問(wèn)題在一般的TTL、CMOS系統中沒(méi)有應用，而雙電阻方式需要兩個(gè)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。
　　當然還有：AC終端匹配；基于二極管的電壓鉗位等匹配方式。


　　二將訊號的傳輸看成軟管送水澆花
　　1、數位系統之多層板訊號線(xiàn)（SignalLine）中，當出現方波訊號的傳輸時(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區時(shí)，則施與受兩者皆歡而順利完成使命，豈非一種得心應手的小小成就？
　　2、然而一旦用力過(guò)度水注射程太遠，不但騰空越過(guò)目標浪費水資源，甚至還可能因強力水壓無(wú)處宣泄，以致往來(lái)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(mǎn)臉豆花呢！
　　3、反之，當握處之擠壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結果。過(guò)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)單的生活細節，正可用以說(shuō)明方波（SquareWave）訊號（Signal）在多層板傳輸線(xiàn)（TransmissionLine，系由訊號線(xiàn)、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(xiàn)（常見(jiàn)者有同軸電纜CoaxialCable，與微帶線(xiàn)MicrostripLine或帶線(xiàn)StripLine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，可用以調節其終點(diǎn)的特性阻抗（CharacteristicImpedance），使匹配接受端元件內部的需求。


　　三傳輸線(xiàn)之終端控管技術(shù)（Termination）
　　1、由上可知當“訊號”在傳輸線(xiàn)中飛馳旅行而到達終點(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)，則該訊號線(xiàn)本身所具備的“特性阻抗”，必須要與終端元件內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(yǔ)說(shuō)就是正確執行指令，減少雜訊干擾，避免錯誤動(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、當傳輸線(xiàn)本身的特性阻抗（Z0）被設計者訂定為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(xiàn)對Z0的保持，使整體得以穩定在28ohm的設計數值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下，訊號的傳輸才會(huì )最具效率，其“訊號完整性”（SignalIntegrity，為訊號品質(zhì)之專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)）也才最好。


　　四特性阻抗（CharacteristicImpedance）
　　1、當某訊號方波，在傳輸線(xiàn)組合體的訊號線(xiàn)中，以高準位（HighLevel）的正壓訊號向前推進(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)所感應出來(lái)的負壓訊號伴隨前行（等于正壓訊號反向的回歸路徑ReturnPath），如此將可完成整體性的回路（Loop）系統。該“訊號”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以?xún)鼋Y，即可想象其所遭受到來(lái)自訊號線(xiàn)、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現的瞬間阻抗值（InstantaniousImpedance），此即所謂的“特性阻抗”?！　∈枪试?ldquo;特性阻抗”應與訊號線(xiàn)之線(xiàn)寬（w）、線(xiàn)厚（t）、介質(zhì)厚度（h）與介質(zhì)常數（Dk）都扯
　　上了關(guān)系。
　　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(cháng)，故一般均簡(jiǎn)稱(chēng)之為“阻抗”。讀者千萬(wàn)要小心，此與低頻AC交流電（60Hz）其電線(xiàn)（并非傳輸線(xiàn)）中，所出現的阻抗值（Z）并不完全相同。數位系統當整條傳輸線(xiàn)的Z0都能管理妥善，而控制在某一范圍內（±10或±5）者，此品質(zhì)良好的傳輸線(xiàn)，將可使得雜訊減少，而誤動(dòng)作也可避免?！　〉斏鲜鑫Ь€(xiàn)中Z0的四種變數（w、t、h、r）有任一項發(fā)生異常，例如訊號線(xiàn)出現缺口時(shí)，將使得原來(lái)的Z0突然上升（見(jiàn)上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)），而無(wú)法繼續維持應有的穩定均勻（Continuous）時(shí)，則其訊號的能量必然會(huì )發(fā)生部分前進(jìn)，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無(wú)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異常，正好可說(shuō)明上述特性阻抗匹配不良的問(wèn)題。
　　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(lái)良好品質(zhì)的方波訊號，立即出現異常的變形（即發(fā)生高準位向上的Overshoot，與低準位向下的Undershoot，以及二者后續的Ringing）。此等高頻雜訊嚴重時(shí)還會(huì )引發(fā)誤動(dòng)作，而且當時(shí)脈速度愈快時(shí)雜訊愈多也愈容易出錯。


　　五、結束語(yǔ)
　　阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配，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。在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱(chēng)為匹配，否則稱(chēng)為失配。當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時(shí)，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內阻必須滿(mǎn)足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份只數值相等而符號相反。這種匹配條件稱(chēng)為共扼匹配。