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，一個具體的電路，其阻抗是隨時變化的，它會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都能傳至負(fù)載的目的，不會有信號反射回來源點，從而提高能源效益。如果不匹配有什么后果呢？如果不匹配，則會形成反射，能力傳遞不過去，降低效率，會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線與負(fù)載阻抗不匹配時，則會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。其對整個系統(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,只考慮信號源跟負(fù)載之間的情況,因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是“短線”,反射可以不考慮（因為線短,即使反射回來,跟原信號還是一樣的）。

當(dāng)阻抗不匹配時,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)試射頻電路時常使用，在一般電路設(shè)計較為少用。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)點是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號端和傳輸線之間串接一個電阻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發(fā)生再次反射。串聯(lián)匹配不要求信號驅(qū)動器具有很大的電流驅(qū)動能力。

串聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：

A 由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅(qū)動信號傳播時以其幅度的50％向負(fù)載端傳播；

B 信號在負(fù)載端的反射系數(shù)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(fù)載端接受到的信號與原始信號的幅度近似相同；

D 負(fù)載端反射信號向源端傳播，到達(dá)源端后被匹配電阻吸收；

E 反射信號到達(dá)源端后，源端驅(qū)動電流降為0，直到下一次信號傳輸。

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)點是功耗小，不會給驅(qū)動器帶來額外的直流負(fù)載，也不會在信號和地之間引入額外的阻抗；而且只需要一個電阻元件。

2）并聯(lián)終端匹配

并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點是在信號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)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：

① 驅(qū)動信號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)載端接受到的信號幅度與源端發(fā)送的信號幅度近似相同。

在實際的電路系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗很高，因此對單電阻形式來說，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)值與傳輸線的特征阻抗相匹配，每個電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅(qū)動能力，兩個電阻值的選擇必須遵循三個原則：

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，以免信號為低電平時驅(qū)動電流過大；

③ 與地連接的電阻值不能太小，以免信號為高電平時驅(qū)動電流過大。

并聯(lián)終端匹配優(yōu)點是簡單易行；顯而易見的缺點是會帶來直流功耗：單電阻方式的直流功耗與信號的占空比緊密相關(guān)；雙電阻方式則無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(tǒng)等對功耗要求高的系統(tǒng)。另外，單電阻方式由于驅(qū)動能力問題在一般的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。