阻抗匹配

阻抗匹配

一、阻抗

阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电路中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻。在交流电路中，除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。写成数学公式：阻抗Z= R+j ( X L– X C) 。其中R为电阻，X L为感抗，X C为容抗。如果( X L– X C) > 0，称为“感性负载”；反之，如果( X L – X C) < 0称为“容性负载”。对于一个具体电路，阻抗随着频率变化而变化。

二、输入阻抗

输入阻抗是指电路输入端的等效阻抗，即电路相对于信号源来说的阻抗。

在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗R就是U/I。相当于一个电阻的两端，这个电阻的阻值就是输入阻抗，它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响；而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。因此，可以这样认为：如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好；如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好（只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题；另外如果要获取最大输出功率时，也要考虑阻抗匹配问题）。

三、输出阻抗

输出阻抗是指信号源的内阻，即电路相对于负载来说的阻抗。

输出阻抗的大小视不同的电路有不同的要求，电压源输出阻抗要低，电流源的输出阻抗要高。对于放大电路来讲，输出阻抗的值表示其承担负载的能力，通常输出阻抗小，承担负载的能力就强。

四、反射

信号沿传输线传播时，其路径上的每一步都有相应的瞬态阻抗，无论是什么原因使瞬态阻抗发生了变化，信号都将产生反射现象，瞬态阻抗变化越大，反射越大，此时信号功率没有全部传输到负载处。

在高速的PCB中导线必须等效为传输线，按照传输线理论，如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。如果二者阻抗不匹配就会引起反射，负载会将一部分电压反射回源端。根据负载阻抗和源阻抗的关系大小不同，反射电压可能为正，也可能为负。如果反射信号很强，叠加在原信号上，很可能改变逻辑状态，导致接收数据错误。如果在时钟信号上可能引起时钟沿不单调，进而引起误触发。

五、阻抗匹配

阻抗匹配指信号源内阻跟负载阻抗之间的特定配合关系。在能量传输时要求阻抗匹配，即负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等。此时的传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了。反之，当电路阻抗失配时，得不到最大的传输功率，还可能对电路产生损害。在高速PCB设计中，阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。

阻抗匹配的基本原理

右图中R为负载电阻，r为电源E的内阻，E为电压源。由于r的存在，当R很大时，电路接近开路状态；而当R很少时接近短路状态。显然负载在开路及短路状态都不能获得最大功率。

根据式:

从上式可看出，当R=r时式中的式中分母中的(R-r)的值最小为0，此时负载所获取的功率最大。所以，当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大功率。这就是电子电路阻抗匹配的基本原理。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗交互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。

一、在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

二、激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共轭关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反，这种匹

配条件称为共轭匹配：

①负载阻抗等于信源内阻抗，即它们的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输。

②负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。这时在负载阻抗上可以得到最大功率。这种匹配条件称为共轭匹配。

如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件是等同的。

阻抗匹配有两种：

一、透过改变阻抗力

把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值。在史密斯图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。如果把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。重复以上方法直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。

二、调整传输线的波长

由负载点至源点加长传输线，在图表上的圆点会沿著图中心以逆时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配。

阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，当它的内阻等于负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。最大功率传输定理，如果是高频的话，就是无反射波。对于普通的宽频放大器，输出阻抗50Ω，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是如果信号波长远远大于电缆长度，即缆长可以忽略的话，就无须考虑阻抗匹配了。高速PCB布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧姆。这是个大约的数字，一般为了匹配方便，规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，对绞线则为100欧姆。

常见阻抗匹配的方式

串联终端匹配

在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射。

匹配电阻选择原则：匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和等于传输线的特征阻抗。常见的CMOS和TTL驱动器，其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。因此，对TTL或CMOS电路来说，不可能有十分正确的匹配电阻，只能折中考虑。链状拓扑结