阻抗匹配的原理與方法

1、一、50ohm特征阻抗終端電阻的應(yīng)用場合：時(shí)鐘，數(shù)據(jù)，地址線的終端串聯(lián)，差分?jǐn)?shù)據(jù)線終端并聯(lián)等。 終端電阻示圖B.終端電阻的作用： 1、阻抗匹配，匹配信號源和傳輸線之間的阻抗，極少反射，避免振蕩。 2、減少噪聲，降低輻射，防止過沖。在串聯(lián)應(yīng)用情況下，串聯(lián)的終端電阻和信號線的分布電容以及 后級電路的輸入電容組成RC濾波器，消弱信號邊沿的陡峭程度，防止過沖。 C.終端電阻取決于電纜的特性阻抗。 D.如果使用0805封裝、1/10W的貼片電阻,但要防止尖峰脈沖的大電流對電阻的影響，加30PF的電容. E.有高頻電路經(jīng)驗(yàn)的人都知道阻抗匹配的重要性。在數(shù)字電路中時(shí)鐘、信號的數(shù)據(jù)傳送速度快時(shí)，更需注意配線、

2、電纜上的阻抗匹配。 高頻電路、圖像電路一般都用同軸電纜進(jìn)行信號的傳送，使用特性阻抗為Zo150、75的同軸電纜。 同軸電纜的特性阻抗Zo，由電纜的內(nèi)部導(dǎo)體和外部屏蔽內(nèi)徑D及絕緣體的導(dǎo)電率er決定： 另外，處理分布常數(shù)電路時(shí)，用相當(dāng)于單位長的電感L和靜電容量C的比率也能計(jì)算，如忽略損耗電阻，則 圖1是用于測定同軸電纜RG58A/U、長度5m的輸入阻抗ZIN時(shí)的電路構(gòu)成。這里研究隨著終端電阻RT的值，傳送線路的阻抗如何變化。 圖1 同軸傳送線路的終端電阻構(gòu)成只有當(dāng)同軸電纜的特性阻抗Zo和終端阻抗RT的值相等時(shí)，即ZINZoRT稱為阻抗匹配。 ZoRT時(shí)隨著頻率f，ZIN變化。作為一個(gè)極端的例子，當(dāng)

3、RT0、RT時(shí)可理解其性質(zhì)(阻抗以，/4為周期起伏波動)。 圖2是RT50(稍微波動的曲線)、75、dO時(shí)的輸人阻抗特性。當(dāng)ZoRT時(shí)由于隨著頻率，特性阻抗會變化，所以傳送的電纜的頻率特上產(chǎn)生彎曲. 二、怎樣理解阻抗匹配？ 阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅(qū)動一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內(nèi)阻的（請參看輸出阻抗一問），我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動勢為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流過電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負(fù)載電

4、阻R越小，則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為：Uo=IR=U*1+(r/R)，可以看出，負(fù)載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為：P=I*I*R=U/(R+r)*U/(R+r)*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r) =U*U*R/(R-r)*(R-r)+4*R*r =U*U/(R-r)*(R-r)/R+4*r對于一個(gè)給定的信號源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中(R-r)*(R-r)/R，當(dāng)R=r時(shí)，(R-r)*(R-r)/R可取得最小值0，這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U*U/(4*r)。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號源內(nèi)阻相等

5、時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。對于純電阻電路，此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論有所改變，就是需要信號源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共厄匹配。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?yàn)榈皖l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（可以這么理解：因?yàn)榫€短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的）。從以上分析我們可以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負(fù)載R；如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內(nèi)

6、阻匹配的電阻R。有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來的性能，這時(shí)我們也會叫做阻抗失配。在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號的頻率很高時(shí)，則信號的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí)，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不匹配（相等）時(shí)，在負(fù)載端就會產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時(shí)會產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細(xì)說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料

7、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)。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75歐，而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50歐的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300歐的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75歐，所以300歐的饋線將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個(gè)問題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機(jī)的附件中，有一個(gè)300歐到75歐的阻抗轉(zhuǎn)換器（一個(gè)塑料包裝的，一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東，大概有兩個(gè)大拇指那么大的）？它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線變壓器，將300歐的阻抗，變換成75歐的，這樣就可以

8、匹配起來了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，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。為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢？如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強(qiáng)，有些地方信號弱），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(shí)，會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。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，就像上面所說的電視機(jī)中的那個(gè)

9、例子那樣。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。第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時(shí)會串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問題，我來舉兩個(gè)例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會受不

10、了了這就是負(fù)載過重的情況，會產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會撲空，手也可能會受不了這就是負(fù)載過輕的情況。另一個(gè)例子，不知道大家有沒有過這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時(shí)上/下樓梯，當(dāng)你以為還有樓梯時(shí)，就會出現(xiàn)“負(fù)載不匹配”這樣的感覺了。當(dāng)然，也許這樣的例子不太恰當(dāng)，但我們可以拿它來理解負(fù)載不匹配時(shí)的反射情況。三、不同場合對輸入輸出阻抗的要求如果要求電源使用效率高，阻抗應(yīng)該盡量小-此處的關(guān)鍵要求是耗電所做出的功。如果要求發(fā)出功率高，如題-此處的關(guān)鍵是負(fù)載獲得功率要盡量大。如果是高頻傳輸線，要求不能有反射，則線路阻抗（阻性）和終端阻抗相等（阻性）-此處的關(guān)鍵目

11、標(biāo)是不能有或盡量減少反射。如果是放大器，往往要求不影響源-此時(shí)特別要求低輸入電流（輸入阻抗盡量大）四、實(shí)際中的阻抗匹配在高速的設(shè)計(jì)中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量優(yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說是豐富多樣，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用，需要衡量多個(gè)方面的 因素。例如我們在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)中，很多采用的都是源端的串連匹配。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(shù)采用終端的匹配；時(shí)鐘采用源端匹配； 1、 源端串聯(lián)匹配-串聯(lián)源端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號的源端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻R，使源端的輸出阻抗(R+r0

12、)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)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(qū)動信號傳播時(shí)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。 相對并聯(lián)匹配來說，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。選擇串聯(lián)源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

13、阻抗之和與 傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號驅(qū)動器的輸出阻抗為零，實(shí)際的驅(qū)動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(qū)動器，在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為37，在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為454；TTL驅(qū)動器和CMOS驅(qū)動一樣，其輸 出阻抗會隨信號的電平大小變化而變化。因此，對TTL或CMOS電路來說，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。 鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配，所有的負(fù)載必須接到傳輸線的末端。否則，接到傳輸線中間的負(fù)載接受到的波形就會象圖3.2.5中C點(diǎn)的電 壓波形一樣。可以看出，有一段時(shí)間負(fù)載端信號幅度

14、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)匹配是最常用的源端匹配方法。它的優(yōu)點(diǎn)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(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相匹配，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)終端匹配后的信號傳輸有以下特點(diǎn)： A 驅(qū)動信號近似以滿幅度沿傳輸線傳播； B 所有的反射都被匹配電阻吸收； C 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(shí)際的電路系

15、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。假定傳輸線的特征阻抗為50， 則R值為50。如果信號的高電平為5V，則信號的靜態(tài)電流將達(dá)到100mA。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?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)動能力，兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則： 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等； 與電源連接的電阻值不能太小，以免信號為低電平時(shí)驅(qū)動電流過大； 與地連接的電阻