阻抗与阻抗匹配的分析

1. 阻抗的概念

在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。常用Z来表示，它的值由交流电的频率、电阻R、电感L、电容C相互作用来决定。由此可见，一个具体的电路，其阻抗是随时变化的，它会随着电流频率的改变而改变。

2. 阻抗匹配的概念

阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达到所有高频微波信号都能传至负载的目的，不会有信号反射回来源点，从而提高能源效益。如果不匹配有什么后果呢？如果不匹配，则会形成反射，能力传递不过去，降低效率，会在传输线上形成驻波，导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，则会产生震荡，辐射干扰等。其对整个系统的影响是非常严重的。而在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是“短线”,反射可以不考虑（因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的）。

当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢？第一,可以考虑使用变压器来做阻抗转换。第二,可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用，在一般电路设计较为少用。第三,可以考虑使用串联/并联电阻的办法，即为串联终端匹配和并联终端匹配。

下面针对第三种匹配方法做简单的介绍，

1）串联终端匹配

串联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号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。串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动能力。

串联终端匹配后的信号传输具有以下特点：

A 由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50％向负载端传播；

B 信号在负载端的反射系数接近＋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，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同；

D 负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收；

E 反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。

选择串联终端匹配电阻值的原则很简单，就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。传输线的特性阻抗是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。而特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念,它与传输线的长度无关,也不能通过使用欧姆表来测量。可以通过特殊的仪器来测量，例如网上有资料写到可以使用矢量网络分析仪来准确测量平衡双绞线传输线的特性阻抗。而在TTL和CMOS的输出阻抗会随电平大小的变化而变化，因此在TTL或CMOS电路中，不可能十分准确的做到阻抗完全匹配，只能折衷考虑。

串联匹配是最常用的终端匹配方法，它的优点是功耗小，不会给驱动器带来额外的直流负载，也不会在信号和地之间引入额外的阻抗；而且只需要一个电阻元件。

2）并联终端匹配

并联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗匹配，达到消除负载端反射的目的。实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。

并联终端匹配后的信号传输具有以下特点：

① 驱动信号近似以满幅度沿传输线传播；

② 所有的反射都被匹配电阻吸收；

③ 负载端接受到的信号幅度与源端发送的信号幅度近似相同。

在实际的电路系统中，芯片的输入阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载端的并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。由于典型的TTL或CMOS电路的驱动能力很小，这种单电阻的并联匹配方式很少出现在这些电路中。

双电阻形式的并联匹配，也被称作戴维南终端匹配，要求的电流驱动能力比单电阻形式小。这是因为两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相匹配，每个电阻都比传输线的特征阻抗大。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 两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相等；

② 与电源连接的电阻值不能太小，以免信号为低电平时驱动电流过大；

③ 与地连接的电阻值不能太小，以免信号为高电平时驱动电流过大。

并联终端匹配优点是简单易行；显而易见的缺点是会带来直流功耗：单电阻方式的直流功耗与信号的占空比紧密相关；双电阻方式则无论信号是高电平还是低电平都有直流功耗。因而不适用于电池供电系统等对功耗要求高的系统。另外，单电阻方式由于驱动能力问题在一般的TTL、CMOS系统中没有应用，而双电阻方式需要两个元件，这就对PCB的板面积提出了要求，因此不适合用于高密度印刷电路板。