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什么是阻抗匹配

文章来源:不详 作者:佚名


该文章讲述了什么是阻抗匹配.
阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分,主要用于传输线上,来达至 高频的微波信号皆能传至负载点的目的,不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。

  大体上,阻抗匹配有两种,一种是透过改变阻抗力(lumped-circuit matching),另一种则是 传输线的波长(transmission line matching)。

  要匹配一组线路,首先把负载点的阻抗值,除以传输线的特性阻抗值来归一化, 把数值划在史密夫图表上。

  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,在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。 把电容或电感接地,首先图表上的点会以图中心旋转180度, 才沿电阻圈走动,再沿中心旋转180度。重覆以上

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。

  由负载点至来源点加长传输线,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 为零,完成匹配

  阻抗匹配则传输功率大,对于 一个电源来讲,单它的内阻等于负载时,输出功率最大, 阻抗匹配。最大功率传输定理, 是高频的话, 无反射波。对于 普通的宽频放大器,输出阻抗50 ,功率传输电路中需要考虑阻抗匹配,可是 信号波长远远大于电缆长度,即缆长 忽略的话,就无须考虑阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量传输时,

负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等, 的传输不会产生反射,这表明 能量都被负载吸收了.反之则在传输中有能量损失。高速PCB布线时, 防止信号的反射,

是线路的阻抗为50欧姆。这是个大约的数字, 规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线则为100欧姆,只是取个整而已, 匹配方便.

  阻抗从字面上看就与电阻不一样,其中只有一个阻字是 的,而另一个抗字呢?简单地说,阻抗 电阻加电抗, 才叫阻抗;周延一点地说,阻抗 电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻,世界上 的物质都有电阻,只是电阻值的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体,电阻很大的物质称作非导体,而最近在高科技领域中称的超导体,则是一种电阻值几近于零的东西。 在交流电的领域中则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,意即抵抗电流的作用。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。 的计量单位与电阻一样是奥姆,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,因此才会说:阻抗是电阻与电抗在向量上的和。

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

  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 称为匹配,否则称为失配。

  当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 电源电压为+4.5V的CMOS驱动器,在低电平时典型的输出阻抗为37 ,在高电平时典型的输出阻抗为45 [4];TTL驱动器和CMOS驱动一样,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 ,不可能有十分正确的匹配电阻,只能折中考虑。

  链状拓扑结构的信号网路不适合使用串联终端匹配, 的负载必须 ,单电阻方式 驱动能力问题在 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

,因此不适合用于高密度印刷电路板。

  当然还有:AC终端匹配; 基于二极管的电压钳位等匹配方式。.

  2.1 数位系统之多层板讯号线(Signal Line)中,当出现方波讯号的传输时,可将之假想成为软管(hose)送水浇花。一端于手握处加压使其射出水柱,另一端接在水龙头。当握管处所施压的力道恰好,而让水柱的射程正确洒落在目标区时,则施与受两者皆欢而顺利完成使命,岂非一种得心应手的小小成就?

  2.2 然而一旦

用力过度水注射程太远,不但腾空越过目标浪费水资源,甚至还可能因强力水压无处宣泄,以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱!不仅任务失败横生挫折,而且还大捅纰漏满脸豆花呢!

  2.3 反之,当握处之挤压不足以致射程太近者,则照样得不到想要的结果。过犹不及皆非所欲,唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜。

  2.4 上述简单的生活细节,正可用 匹配才行,如此才不致任务失败白忙一场。用术语说 正确执行指令,减少杂讯干扰,避免错误动作”。一旦

彼此未能匹配时,则必将会有少许能量回头朝向“发送端”反弹,进而形成反射杂讯(Noise)的烦恼。

  3.2 当传输线本身的特性阻抗(Z0)被设计者订定为28ohm时,则终端控管的接地的电阻器(Zt)也必须是28ohm,如此才能协助传输线对Z0的保持,使整体得以稳定在28 ohm的设计数值。也唯有在此种Z0=Zt的匹配情形下,讯号的传输才会最具效率,其“讯号完整性”(SignalIntegrity,为讯号品质之专用术语)也才最好。

.Characteristic Impedance

  4.1 当某讯号方波,在传输线组合体的讯号线中,以高准位(High Level)的正压讯号向前推进时,则距其最近的参考层(如接地层)中,理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行(等于正压讯号反向的回归路径Return Path),如此将可完成整体性的回路(Loop)系统。该“讯号”前行中若将其飞行时间暂短加以冻结,即可想象其所遭受到来自讯号线、介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值(Instantanious Impedance),此即所谓的“特性阻抗”。  是故该“特性阻抗”应与讯号线之线宽(w)、线厚(t)、介质厚度(h)与介质常数(Dk)都扯上了关系。

  4.2 阻抗匹配不良的后果   高频讯号的“特性阻抗”(Z0)原词甚长,故 均简称之为“阻抗”。读者千万要小心,此与低频AC交流电(60Hz)其电线(并非传输线)中,所出现的阻抗值(Z)并不 。数位系统当整条传输线的Z0都能管理妥善,而控制在某一范围内(±10﹪或 ±5﹪)者,此品质 的传输线,将可使得杂讯减少,而误动作也可避免。  但当上述微带线中Z0的四种变数(w、t、h、 r)有任一项发生异常,例如讯号线出现缺口时,将使得原来

的Z0突然上升(见上述公式中之Z0与W成反比的事实),而无法继续维持应有的稳定均匀(Continuous)时,则其讯号的能量必然会发生部分前进,而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避免杂讯及误动作了。例如浇花的软管突然被踩住,造成软管两端都出现异常, 可说明上述特性阻抗匹配不良的问题。

  4.3 阻抗匹配不良造成杂讯  上述部分讯号能量的反弹,将造成原来

品质的方波讯号,立即出现异常的变形(即发生高准位向上的Overshoot,与低准位向下的Undershoot,以及二者后续的Ringing)。此等高频杂讯严重时还会引发误动作,而且当时脉速度愈快时杂讯愈多也愈

出错。
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