阻抗匹配 什么是阻抗？什么是阻抗匹配？为什么要阻抗匹配？

什么是阻抗？

在有电阻、电感、电容的电路中，对交流电的阻断作用称为阻抗。阻抗常以z表示，阻抗由电阻、感抗、容抗组成，但不是简单相加。如果三者串联，并且交流电的频率f、电阻r、电感l和电容c已知，那么串联电路的阻抗

阻抗的单位是欧姆。

对于特定的电路，阻抗不是恒定的，而是随频率而变化的。在电阻、电感、电容的串联电路中，电路的阻抗一般大于电阻。也就是说，阻抗被降低到最小。在电感和电容的并联电路中，阻抗在谐振时增加到最大值，与串联电路相反。

阻抗匹配是高频设计中常见的概念，本文对这种“阻抗匹配”做了较好的分析。回答了什么是阻抗匹配。

阻抗匹配是微波电子学的一部分，主要用于传输线中，实现所有高频微波信号都可以传输到负载点，没有信号会反射回源点，从而提高能效。

一般来说，阻抗匹配有两种，一种是改变集总电路匹配，另一种是调整传输线匹配。

要匹配一组线路，首先将负载点的阻抗值除以传输线的特征阻抗值进行归一化，然后在史密斯图上画出该值。

改变阻力

通过将电容或电感与负载串联，可以增加或减少负载的阻抗值，图形上的点将沿着代表实际电阻的圆圈移动。如果电容或电感接地，图上的点会绕图中心旋转180度，然后沿着电阻环走，绕中心旋转180度。重复上述方法，直到电阻值变为1，即可以直接将阻抗力变为零，完成匹配。

调整传输线

当传输线从负载点延长到源点时，图上的点会沿着图的中心逆时针移动，直到到达电阻值为1的圆，通过增加电容或电感可以将阻抗力调整为零，完成匹配。

阻抗匹配导致高传输功率。对于一个电源，当其内阻等于负载时，输出功率最大，阻抗匹配。最大功率传输定理，如果是高频，就是没有反射波。对于普通宽带放大器，输出阻抗为50ω，因此在功率传输电路中应考虑阻抗匹配。但如果信号波长远大于电缆长度，也就是电缆长度可以忽略不计，就没必要考虑阻抗匹配了。阻抗匹配是指传输能量时负载阻抗应等于传输线的特征阻抗，此时传输不会产生反射，说明所有能量都被负载吸收。相反，在传输中有能量损失。为了防止高速印刷电路板布线过程中的信号反射，布线的阻抗要求为50欧姆。这是一个大概的数字。一般规定同轴电缆基带50欧姆，频段75欧姆，双绞线100欧姆，为了方便匹配，这只是一个整数。

从字面上看，阻抗不同于电阻。只有一个抗字是一样的，那另一个抗字呢？简单来说，阻抗就是电阻加电抗，所以叫阻抗；GAI一点一点地说，阻抗是矢量上的电阻、容抗和感抗之和。在直流电的世界里，物体对电流电阻的影响称为电阻。世界上所有的物质都有电阻，只是阻值不同而已。电阻低的材料叫良导体，电阻高的材料叫非导体。最近高科技领域里叫超导体的都是电阻接近于零的东西。但是在交流电领域，除了电阻，电容和电感也阻碍电流的流动，这就叫电抗，就是抗电流的意思。电容和电感的电抗分别称为容抗和感抗。他们的测量单位是Omm一样的电阻，它的值与交流电的频率有关。频率越高，容抗越小，感抗越大，频率越低，容抗越大，感抗越小。此外，电容电抗和电感电抗存在相角问题，它们在矢量上有关系，所以可以说阻抗是矢量上电阻和电抗的和。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源的内部阻抗匹配以获得最大功率输出的工作状态。不同特性的电路匹配条件不同。

在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源的内阻时，输出功率最大。这种工作状态叫匹配，否则叫不匹配。

当激励源中的阻抗和负载阻抗包含电抗分量时，为了给负载获得最大功率，负载阻抗和内阻必须满足共轭关系，即电阻分量相等，电抗分量只有相等的值，但符号相反。这种匹配条件称为共轭匹配。

1.阻抗匹配研究

在高速设计中，阻抗的匹配关系到信号的质量。阻抗匹配技术可以说是丰富多样的，但是如何在具体的系统中合理的应用需要权衡很多因素。例如，在我们的系统设计中，许多使用源段的串行匹配。什么时候匹配，用什么方式匹配，为什么要用这种方式。

比如差分匹配大多采用终端匹配；时钟采用源段匹配；

1.串联终端匹配

串联端匹配的理论起点是在信号源阻抗低于传输线特性阻抗的情况下，在信号源和传输线之间串联一个电阻R，使信号源的输出阻抗与传输线的特性阻抗匹配，防止负载端反射的信号再次被反射。

串联端子的匹配信号传输具有以下特征:

a、由于串联匹配电阻的作用，驱动信号以其幅度的50%传播到负载端；

B.负载端信号的反射系数接近+1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50%。

c、反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接收到的信号幅度与原始信号幅度大致相同；

d、负载端反射的信号传播到源端，到达源端后被匹配电阻吸收；？

E.反射信号到达源端后，源端的驱动电流降至0，直到下一次信号传输。

与并联匹配相比，串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动能力。

选择串联端匹配电阻值的原理很简单，即匹配电阻值与驱动器输出阻抗之和等于传输线的特征阻抗。理想信号驱动器的输出阻抗为零，但实际驱动器的输出阻抗始终相对较小，信号电平变化时输出阻抗可能会有所不同。例如，电源电压为+4.5 V的CMOS驱动器在低电平时的典型输出阻抗为37ω，在高电平时为45ω。与CMOS驱动器一样，TTL驱动器的输出阻抗随信号电平而变化。所以对于TTL或者CMOS电路来说，不可能有非常正确的匹配电阻，只能在折中的情况下考虑。

链式拓扑信号网络不适合串联终端匹配，所有负载必须连接到传输线的末端。否则，连接到传输线中间的负载接收的波形将类似于图3.2.5中点c处的电压波形。可以看出，在一段时间内，负载端的信号幅度是原始信号幅度的一半。显然，此时信号处于不确定的逻辑状态，信号的噪声容限很低。

串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗低，驱动器没有额外的DC负载，信号和地之间没有额外的阻抗。并且只需要一个电阻元件。

2.并联端子的匹配

并联端子匹配的理论起点是在信号源端子阻抗很小时，通过增加并联电阻，使负载端子的输入阻抗与传输线的特性阻抗相匹配，从而消除负载端子的反射。实现形式分为单阻和双阻。

并联端子的匹配信号传输具有以下特征:

a .驱动信号沿传输线以近似全振幅传播；

b .所有反射被匹配电阻吸收；

c负载端接收的信号幅度与源端发送的信号幅度大致相同。

在实际的电路系统中，芯片的输入阻抗非常高，因此负载端的并联电阻值必须接近或等于单电阻形式的传输线的特征阻抗。假设传输线的特征阻抗为50ω，R值为50ω。如果信号的高电平为5V，信号的静态电流将达到100毫安。由于典型的TTL或CMOS电路驱动能力很小，这种单电阻的并联匹配方式在这些电路中很少出现。

双电阻形式的并联匹配，也称为戴维宁端子匹配，比单电阻形式的并联匹配需要更少的电流驱动能力。这是因为两个电阻的并联值与传输线的特性阻抗相匹配，每个电阻都大于传输线的特性阻抗。考虑到芯片的驱动能力，两个电阻值的选择必须遵循三个原则:

(1)两个电阻的并联值等于传输线的特征阻抗；

⑵连接电源的电阻值不应太小，以免信号处于低电平时驱动电流过大；

(3)接地电阻值不宜过小，以免信号高电平时驱动电流过大。

并联端子匹配的优点是简单可行；明显的缺点是会带来DC功耗:单阻模式的DC功耗与空？；无论信号是高还是低，双电阻模式都有DC功耗。因此，它不适用于要求高功耗的系统，如电池供电系统。另外，由于驱动能力问题，一般TTL和CMOS系统不采用单阻模式，而双阻模式需要两个元器件，需要PCB板面积，不适合高密度印刷电路板。

当然有:交流端子匹配；基于二极管的电压箝位等匹配方法。

第二，信号传输被认为是软管送水给花浇水

2.1.在数字系统多层板的信号线中，当发生方波信号的传输时，可以假设为软管送水浇花。一端压在手里喷出水柱，另一端接水龙头。当管道保持处的压力刚刚好时，让水柱上升

当射程正确地分散在目标区域时，用给予和接受两种方式成功地完成任务难道不是一个得心应手的小成就吗？

2.2.但是一旦注水过程太远，不仅会浪费目标之外的水资源，甚至会因为强大的水压而无处发泄，让软管弹回到源头，从水龙头上挣脱出来！不仅任务失败，还犯了大错，满嘴豆花！

2.3另一方面，当握杆的挤压不足，范围过近时，仍然达不到预期的效果。太多不是你想要的。只有当它刚刚好的时候，你才能快乐。

2.4.以上简单的生活细节可以用来解释方波信号在多层传输线(由信号线、介质层和接地层组成)中的快速传输。此时，传输线(同轴电缆、微带线或带状线等。)可视为软管，施加在持管处的压力就像与板面上的“接收器”元件并联在Gnd上的电阻，可用来调节其端子的特性阻抗，以匹配接收器元件的内部需求。

三、输电线路终端技术(端接)

3.1.从上面可以看出，当“信号”快速通过传输线到达端点，并想在接收设备(如不同尺寸的CPU或Meomery IC)中工作时，信号线本身的“特征阻抗”必须与终端设备内部的电子阻抗相匹配，以避免任务失败。从术语上来说，就是正确执行指令，减少噪音干扰，避免错误动作。一旦两者不匹配，一点能量就会向“发送端”反弹，导致反射噪音的麻烦。

3.2当传输线本身的特性阻抗(Z0)被设计者设定为28欧姆时，终端控制的接地电阻(Zt)也必须为28欧姆，以帮助传输线维持Z0，并将整个系统稳定在28欧姆的设计值。只有当Z0=Zt匹配时，信号传输才会最有效，其“信号完整性”(信号质量的专用术语)才会最好。

四、特性阻抗(特性阻抗)

4.1当某个信号方波随着传输线组件的信号线中的高电平正压信号前进时，理论上，由最近的参考层(如接地层)中的电场感应的负压信号将随之前进(等于反向正压信号的返回路径)，从而完成积分回路系统。如果“信号”的飞行时间很短，并且在前进的过程中被冻结，可以想象它受到由信号线、电介质层和参考层呈现的瞬时阻抗的影响，这被称为“特征阻抗”。所以“特征阻抗”应该与信号线的线宽(w)、线厚(t)、介电厚度(h)、介电常数(Dk)有关。

4.2.阻抗匹配不佳的后果

因为高频信号的“特征阻抗”(Z0)这个原始字很长，所以一般称为“阻抗”。读者要小心，这和低频交流(60Hz)的导线(不是传输线)中的阻抗值(z)不完全一样。在数字系统中，当整条输电线路的Z0能够得到适当的管理并控制在一定范围内(10%或5%)时，这条质量好的输电线路可以降低噪声，避免误操作。但是，当微带线中Z0的四个变量(W，T，H，R)中的任何一个出现异常，比如信号线中出现一个缺口时，原来的Z0就会突然上升(见上式中Z0与W成反比的事实)，并且无法连续保持应有的稳定性和均匀性，那么其信号的能量必然会部分地往前走，而另一部分则会反弹反射。这样就无法避免噪音和误操作。比如浇花的软管突然被踩住，导致软管两端异常，正好说明了上述特性阻抗匹配不好的问题。

4.3阻抗匹配不良导致的噪声

上述部分信号能量的反弹会使原来质量较好的方波信号立即出现异常变形(即高电平向上的过冲、低电平向下的下冲以及两者随后的振铃)。这些高频噪声严重时会造成误操作，脉冲速度越快，噪声越多，越容易出错。

那么阻抗匹配应该一直考虑吗？

在常见的宽带放大器中，由于输出阻抗为50ω，因此在功率传输电路中需要考虑阻抗匹配。然而，事实上，当电缆的长度对于信号的波长可以忽略不计时，阻抗匹配是不必要的。

信号频率为1MHz，波长在空气体中为300米，在同轴电缆中为200米。在常用的1m左右长度的同轴电缆中，完全可以忽略不计。(图H)

如果有阻抗，阻抗上会发生功耗，所以没有阻抗匹配，放大器的输出功率会被浪费。(图J)

“特征阻抗”分析

近年来，高速设计领域中一个日益重要的课题是具有受控阻抗的电路板设计和电路板上互连线的特征阻抗。但是，对于非电子设计工程师来说，这也是最混乱、最不直观的问题。甚至很多电子设计工程师也同样困惑。本材料将对特征阻抗进行简单直观的介绍，希望能帮助你了解传输线最基本的品质。

什么是传输线？

什么是传输线？两根具有一定长度的导线构成一条传输线。其中一根导线成为信号传播的通道，而另一根导线构成信号的返回路径(这里我们提到信号的返回路径，其实是大家通常理解的接地，但为了描述方便，暂且忘记接地的概念。)。在多层电路板设计中，每个印刷电路板互连线构成传输线中的导体，相邻的参考平面用作传输线的第二导体或返回路径。什么样的PCB互连才是好的传输线？一般如果同一条PCB互连线上的特征阻抗处处一致，这样的传输线就会成为高质量的传输线。什么样的电路板叫可控阻抗电路板？阻抗可控的电路板是指PCB上所有传输线的特性阻抗满足统一的目标规范，通常是指所有传输线的特性阻抗在25ω到70ω之间。

从信号的角度来看

考虑特征阻抗的最有效方法是研究信号沿传输线传播时会看到什么。为了简化问题的讨论，假设传输线是微带类型的，并且当信号沿着传输线传播时，传输线的所有部分的横截面是一致的。

振幅为1V的阶跃信号被加到传输线。阶跃信号为1V电池，由前端接入，分别连接在信号线和回路之间。在电池开启的瞬间，信号电压波形会以光速在电介质中传播，一般在6英寸/ns左右(为什么信号传播这么快，而不是接近1cm/s左右的电子传播速度，这是另一个话题，这里不再进一步介绍)。当然，信号在这里仍然有常规的定义，信号定义为信号线和返回路径之间的电压差，它总是通过测量传输线及其相邻信号返回路径上任意点之间的电压差而获得的。

信号以6英寸/秒的速度沿着传输线向前传输。信号在传输过程中会发生什么变化？在最初的10ps时间间隔内，信号沿着传输线传播了0.06英寸的距离。假设锁定时间是此时此刻，考虑输电线路的发生。在这个距离内，信号的传输在这条传输线和相应的相邻信号返回通道之间建立了一个幅度为1V的稳定恒定信号。这意味着额外的正电荷和额外的负电荷已经累积在行进的传输线和相应的返回路径上，以建立这个稳定的电压。正是这些电荷的差异在两个导体之间建立并保持了稳定的1 V电压信号，导体之间的稳定电压信号在两个导体之间建立了电容。

传输线路上此时信号波前后面的传输线段不清楚会有信号传播，所以信号线和回路之间的电压仍然保持为零。在接下来的10ps时间间隔内，信号将沿着传输线传播一定的距离。作为信号连续传播的结果，将在另一个长度为0.06英寸的传输线段和相应的信号返回路径之间建立1V的信号电压。为了做到这一点，有必要向信号线注入一定量的正电荷，并向信号的返回路径注入等量的负电荷。信号沿传输线每传播0.06英寸，就会有更多的正电荷注入信号线，更多的负电荷注入信号返回路径。每10ps，另一条传输线就会充电到1 V，信号会继续沿着传输线向前传播。

这些罪名从何而来？答案来自信号源，也就是连接在传输线前端的电池，我们用它来提供阶跃信号。随着信号在传输线上的传播，信号不断地对传输线段充电，确保在传输过程中信号传播的任何地方，在信号线和返回路径之间建立并保持1 V的电压。每隔10ps时间间隔，信号在传输线路上传播一定距离，从供电系统中抽取一定量的电荷δQ。当在时间间隔δt内从电池提供一定量的电荷δq时，形成恒定的信号电流。正电流将从电池流入信号线，而相同幅度的负电流将流过信号的返回路径。

流经信号返回路径的负电流与流入信号线的正电流完全一致。另外，就在信号波前的位置，交流电流流过信号线和信号回路形成的电容，从而完成信号回路。

传输线的特性阻抗

从电池的角度来说，一旦设计工程师把电池的引线接到传输线的前端，总会有恒定的电流流出电池，电压信号保持稳定。有人可能会问，什么样的电子元器件有这种行为？加上恒压信号，就会保持恒定的电流值，当然是电阻。

至于电池，当信号沿着传输线向前传播时，每隔10ps，一个0.06英寸的新传输线段就会充电到1V。从电池中获得的新增加的电荷确保了电池将保持稳定的电流，并且当从电池中吸收恒定电流时，传输线相当于具有恒定电阻的电阻器。我们称之为传输线的浪涌阻抗。

同样，当信号沿传输线向前传播时，每次传播一定距离，信号都会不断地探测信号线的电环境，试图确定信号进一步向前传播时的阻抗。一旦信号被添加到传输线并沿着传输线向前传播，信号本身就一直在检查需要多少电流来对在10ps的时间间隔内传播的传输线长度充电，并保持将传输线部分的这一部分充电到1V。这是我们要分析的瞬时阻抗值。

从电池自身的角度来看，如果信号以恒定的速度沿着传输线传播，并且假设传输线具有一致的横截面，那么每次信号传播固定的长度(例如，10ps时间间隔内的信号传播距离)，就需要从电池获得相同量的电荷，以确保该传输线被充电到相同的信号电压。信号每传播一段固定的距离，就会从电池中获得相同的电流，并保持信号电压的一致。在信号传播过程中，瞬时阻抗在传输线路上处处一致。

当信号沿传输线传播时，如果传输线在任何地方都具有相同的信号传播速度，并且每单位长度的电容相同，那么信号在传播过程中总是会看到完全一致的瞬时阻抗。因为整个传输线的阻抗保持不变，所以我们给出一个特定的名称来表示特定传输线的这个特性或特性，称为传输线的特性阻抗。特征阻抗是指信号沿传输线传播时看到的瞬时阻抗。如果信号在沿传输线传输期间的任何时候所看到的特征阻抗是一致的，那么这种传输线被称为阻抗受控传输线。

传输线的特性阻抗是设计中最重要的因素

传输线的瞬时阻抗或特征阻抗是影响信号质量的最重要因素。如果信号传播过程中相邻信号传播区间之间的阻抗是一致的，那么信号可以非常平滑地向前传播，所以情况变得非常简单。如果相邻信号传播间隔有差异，或者阻抗发生变化，信号中的一部分能量会被反射回来，信号传输的连续性就会被破坏。

为了确保最佳信号质量，信号互连设计的目标是确保信号在传输过程中看到的阻抗尽可能保持恒定。这里的要点是保持传输线的特征阻抗不变。因此，设计和制造阻抗可控的印刷电路板变得越来越重要。至于任何其他设计技巧，如最小化金手指长度、终端匹配、菊花链连接或分支连接等。，所有这些都是为了保证信号能看到一致的瞬时阻抗。

特征阻抗的计算

从上面的简单模型中，我们可以计算出特征阻抗值，即信号传输过程中看到的瞬时阻抗值。信号在每个传播区间看到的阻抗Z与阻抗的基本定义一致

Z=V/I

这里的电压v指的是加到传输线的信号电压，电流I指的是每个时间间隔δt内从电池获得的总电荷量δQ，所以

I=δQ/δt

流入传输线的电荷(最终来自信号源)用于在信号传播到电压v期间对新增加的信号线和返回路径之间形成的电容δC充电，因此

δQ=VδC

我们可以把信号传播过程中每隔一定距离所引起的电容，与传输线每单位长度的电容值CL，以及信号在传输线中传播的速度U联系起来。同时，信号传播的距离是速度u乘以时间间隔δ t。

δC= CL U δt

结合以上所有方程，我们可以推导出瞬时阻抗为:

z = V/I = V/(δQ/δt)= V/(VδC/δt)= V/(V CL Uδt/δt)= 1/(CL U)

可以看出，瞬时阻抗与单位传输线长度的电容和信号传输速度有关。也可以假设这是传输线特性阻抗的定义。为了区分特征阻抗和实际阻抗z，在特征阻抗上专门加了一个下标0，信号传输线的特征阻抗由上述推导得到:

Z0=1/(氯铀)

如果单位长度的电容值和信号在传输线路上的传播速度保持不变，那么传输线在其长度范围内具有恒定的特性阻抗，这样的传输线称为阻抗受控传输线。

从上面的简要说明可以看出，对电容的一些直观理解可以和对新发现的特征阻抗的直观理解联系起来。换句话说，如果PCB中的信号连接加宽，传输线的单位长度电容会增加，传输线的特征阻抗会减小。

有趣的话题

经常可以听到一些关于传输线特性阻抗的混乱说法。从以上分析可知，信号源连接到传输线后，可以看到传输线的特性阻抗有一定的值，例如50ω。然而，如果欧姆表与一根3英尺长的RG58电缆相连，测得的阻抗是无穷大。

答案在于，从任何一条传输线的前端看到的阻抗值都是随时间变化的。如果电缆阻抗的测量时间很短，可以和信号在电缆中来回经过的时间进行比较，就可以测量电缆的浪涌阻抗或者电缆的特性阻抗。但是，如果我们等待足够的时间，一些能量会被反射回来，被测量仪器检测到，然后就可以检测到阻抗的变化。通常在这个过程中，阻抗会来回变化，直到阻抗值达到稳定状态:如果电缆末端开路，最终阻抗值为无穷大，如果电缆末端短路，最终阻抗值为零。

对于长度为3英尺的RG58电缆，阻抗测量必须在不到3 ns内完成。这就是时域反射仪(TDR)的作用。TDR可以测量传输线的动态阻抗。如果用1s来测量长度为3英尺的RG58电缆的阻抗，信号在这个时间间隔内已经被来回反射了几百万次，那么你可能从阻抗的巨大变化中得到完全不同的阻抗值，最终结果是无穷大，因为电缆的终端是开路的。

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