阻抗匹配及相關(guān)知識

阻抗匹配（Impedancematching）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-circuitmatching），另一種則是調整傳輸線(xiàn)的波長(cháng)（transmissionlinematching）。

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)回一化，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)。假如把電容或電感接地，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>

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，單它的內阻即是負載時(shí)，輸出功率最大，此時(shí)阻抗匹配。最大功率傳輸定理，假如是高頻的話(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，可是假如信號波長(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 )阻礙電流的活動(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 角度的題目，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，當負載電阻即是激勵源內阻時(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公道的應用，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真個(gè)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，使源真個(gè)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信號在負載真個(gè)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)用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，只能折衷考慮。

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 )在信號和地之間引進(jìn)額外的阻抗；而且只需要一個(gè)電阻元件。