阻抗匹配及相關(guān)知識

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)電阻使負載端輸進(jìn)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，芯片的輸進(jìn)阻抗很高，因此對單電阻形式來(lái)說(shuō)，負載真個(gè)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。假如信號的高電平為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。這是由于兩電阻的并聯(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)能力題目在一般的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，因此不適適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

2.1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，難道一種得心應手的 小小成就？

2.2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擺脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折，而且還大捅紕漏滿(mǎn)臉豆花呢！

2.3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。

2.4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，就比如板面上“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）

3.1由上可知當“訊號”在傳輸線(xiàn)中飛奔旅行而到達終點(diǎn)，欲進(jìn)進(jìn)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。

3.2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）

4.1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（即是正壓訊號反向的回回路徑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”。是故該“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。

4.2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都能治理妥善，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。但當上述微帶線(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忽然上升（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。例如澆花的軟管忽然被踩住，造成軟管兩端都出現異常，正好可說(shuō)明上述特 性阻抗匹配不良的題目。

4.3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 訊愈多也愈輕易出錯。