阻抗與阻抗匹配的分析

1. 阻抗的概念

在具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。常用Z來表示，它的值由交流電的頻率、電阻R、電感L、電容C相互作用來決定。由此可見，一個(gè)具體的電路，其阻抗是隨時(shí)變化的，它會(huì)隨著電流頻率的改變而改變。

2. 阻抗匹配的概念

阻抗匹配是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來達(dá)到所有高頻微波信號(hào)都能傳至負(fù)載的目的，不會(huì)有信號(hào)反射回來源點(diǎn)，從而提高能源效益。如果不匹配有什么后果呢？如果不匹配，則會(huì)形成反射，能力傳遞不過去，降低效率，會(huì)在傳輸線上形成駐波，導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響是非常嚴(yán)重的。而在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的匹配問題,只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況,因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長相對(duì)于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是“短線”,反射可以不考慮（因?yàn)榫€短,即使反射回來,跟原信號(hào)還是一樣的）。

當(dāng)阻抗不匹配時(shí),有哪些辦法讓它匹配呢？第一,可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換。第二,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法,這在調(diào)試射頻電路時(shí)常使用，在一般電路設(shè)計(jì)較為少用。第三,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法，即為串聯(lián)終端匹配和并聯(lián)終端匹配。

下面針對(duì)第三種匹配方法做簡單的介紹，

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)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)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。

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。

選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡單，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。傳輸線的特性阻抗是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的,而與傳輸線的長度,以及信號(hào)的幅度、頻率等均無關(guān)。而特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念,它與傳輸線的長度無關(guān),也不能通過使用歐姆表來測量?？梢酝ㄟ^特殊的儀器來測量，例如網(wǎng)上有資料寫到可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來準(zhǔn)確測量平衡雙絞線傳輸線的特性阻抗。而在TTL和CMOS的輸出阻抗會(huì)隨電平大小的變化而變化，因此在TTL或CMOS電路中，不可能十分準(zhǔn)確的做到阻抗完全匹配，只能折衷考慮。

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)：

① 驅(qū)動(dòng)信號(hào)近似以滿幅度沿傳輸線傳播；

② 所有的反射都被匹配電阻吸收；

③ 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。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?？紤]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：

① 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等；

② 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；

③ 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)是簡單易行；顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來直流功耗：單電阻方式的直流功耗與信號(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。