嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)何“阻抗匹配“

阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線(xiàn)上，來(lái)達至所有高頻的微波信號皆能傳至負載點(diǎn)的目的，不會(huì )有信號反射回來(lái)源點(diǎn)，從而提升能源效益。

大體上，阻抗匹配有兩種，一種是透過(guò)改變阻抗力(lumped-circuit matching)，另一種則是調整傳輸線(xiàn)的波長(cháng)(transmission line matching)。

要匹配一組線(xiàn)路，首先把負載點(diǎn)的阻抗值，除以傳輸線(xiàn)的特性阻抗值來(lái)歸一化，然后把數值劃在史密夫圖表上。

改變阻抗力把電容或電感與負載串聯(lián)起來(lái)，即可增加或減少負載的阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會(huì )沿著(zhù)代表實(shí)數電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會(huì )以圖中心旋轉180度，然后才沿電阻圈走動(dòng)，再沿中心旋轉180度。重覆以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/p>

[編輯]調整傳輸線(xiàn)由負載點(diǎn)至來(lái)源點(diǎn)加長(cháng)傳輸線(xiàn)，在圖表上的圓點(diǎn)會(huì )沿著(zhù)圖中心以逆時(shí)針?lè )较蜃邉?dòng)，直至走到電阻值為1的圓圈上，即可加電容或電感把阻抗力調整為零，完成匹配阻抗匹配則傳輸功率大，對于一個(gè)電源來(lái)講，單它的內阻等于負載時(shí)，輸出功率最大，此時(shí)阻抗匹配。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話(huà)，就是無(wú)反射波。對于普通的寬頻放大器，輸出阻抗50Ω，功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配，可是如果信號波長(cháng)遠遠大于電纜長(cháng)度，即纜長(cháng)可以忽略的話(huà)，就無(wú)須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí)，要求負載阻抗要和傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等，此時(shí)的傳輸不會(huì )產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速PCB布線(xiàn)時(shí)，為了防止信號的反射，要求是線(xiàn)路的阻抗為50歐姆。這是個(gè)大約的數字，一般規定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對絞線(xiàn)則為100歐姆，只是取個(gè)整而已，為了匹配方便。

阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個(gè)阻字是相同的，而另一個(gè)抗字呢?簡(jiǎn)單地說(shuō)，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗;周延一點(diǎn)地說(shuō)，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱(chēng)作良導體，電阻很大的物質(zhì)稱(chēng)作非導體，而最近在高科技領(lǐng)域中稱(chēng)的超導體，則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會(huì )阻礙電流以外，電容及電感也會(huì )阻礙電流的流動(dòng)，這種作用就稱(chēng)之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱(chēng)作電容抗及電感抗，簡(jiǎn)稱(chēng)容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是奧姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問(wèn)題，具有向量上的關(guān)系式，因此才會(huì )說(shuō)：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

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。

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。