阻抗匹配及相關(guān)知識(shí)

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(hào)源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸進(jìn)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(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：

　　A驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度近似相同。

在實(shí)際的電路系統(tǒng)中，芯片的輸進(jìn)阻抗很高，因此對(duì)單電阻形式來說，負(fù)載真?zhèn)€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50Ω，則R值為50Ω。假如信號(hào)的高電平為5V，則信號(hào)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(dòng)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(dòng)能力比單電阻形式小。這是由于兩電阻的并聯(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(dòng)能力，兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則：

　?、牛畠呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線的特征阻抗相等；

　　⑵．與電源連接的電阻值不能太小，以免信號(hào)為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過大；

　?、牵c地連接的電阻值不能太小，以免信號(hào)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過大。

并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行；顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來直流功耗：?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴呐c信號(hào)的占空比緊密相關(guān)？；雙電阻方式則無論信號(hào)是高電平 還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對(duì)功耗要求高的系統(tǒng)。另外，單電阻方式由于驅(qū)動(dòng)能力題目在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒有應(yīng)用，而 雙電阻方式需要兩個(gè)元件，這就對(duì)PCB的板面積提出了要求，因此不適適用于高密度印刷電路板。

當(dāng)然還有：AC終端匹配；基于二極管的電壓鉗位等匹配方式。

二.將訊號(hào)的傳輸看成軟管送水澆花

2.1數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號(hào)線（SignalLine）中，當(dāng)出現(xiàn)方波訊號(hào)的傳輸時(shí)，可將之假想成為軟管（hose）送水澆花。一端于手握處加 壓使其射出水柱，另一端接在水龍頭。當(dāng)握管處所施壓的力道恰好，而讓水柱的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時(shí)，則施與受兩者皆歡而順利完成使命，難道一種得心應(yīng)手的 小小成就？

2.2然而一旦用力過度水注射程太遠(yuǎn)，不但騰空越過目標(biāo)浪費(fèi)水資源，甚至還可能因強(qiáng)力水壓無處宣泄，以致往來源反彈造成軟管自龍頭上的擺脫!不僅任務(wù)失敗橫生挫折，而且還大捅紕漏滿臉豆花呢！

2.3反之，當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結(jié)果。過猶不及皆非所欲，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。

2.4上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié)，正可用以說明方波（SquareWave）訊號(hào)（Signal）在多層板傳輸線 （TransmissionLine，系由訊號(hào)線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成）中所進(jìn)行的快速傳送。此時(shí)可將傳輸線（常見者有同軸電纜 CoaxialCable，與微帶線MicrostripLine或帶線StripLine等）看成軟管，而握管處所施加的壓力，就比如板面上“接受端” （Receiver）元件所并聯(lián)到Gnd的電阻器一般，可用以調(diào)節(jié)其終點(diǎn)的特性阻抗（CharacteristicImpedance），使匹配接受端元 件內(nèi)部的需求。

三.傳輸線之終端控管技術(shù)（Termination）

3.1由上可知當(dāng)“訊號(hào)”在傳輸線中飛奔旅行而到達(dá)終點(diǎn)，欲進(jìn)進(jìn)接受元件（如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作時(shí)，則該訊號(hào)線本 身所具備的“特性阻抗”，必須要與終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行，如此才不致任務(wù)失敗白忙一場(chǎng)。用術(shù)語(yǔ)說就是正確執(zhí)行指令，減少雜訊干擾，避免錯(cuò)誤 動(dòng)作”。一旦彼此未能匹配時(shí)，則必將會(huì)有少許能量回頭朝向“發(fā)送端”反彈，進(jìn)而形成反射雜訊（Noise）的煩惱。

3.2當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗（Z0）被設(shè)計(jì)者訂定為28ohm時(shí)，則終端控管的接地的電阻器（Zt）也必須是28ohm，如此才能協(xié)助傳輸線 對(duì)Z0的保持，使整體得以穩(wěn)定在28ohm的設(shè)計(jì)數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下，訊號(hào)的傳輸才會(huì)最具效率，其“訊號(hào)完整性” （SignalIntegrity，為訊號(hào)品質(zhì)之專用術(shù)語(yǔ)）也才最好。

四.特性阻抗（CharacteristicImpedance）

4.1當(dāng)某訊號(hào)方波，在傳輸線組合體的訊號(hào)線中，以高準(zhǔn)位（HighLevel）的正壓訊號(hào)向前推進(jìn)時(shí)，則距其最近的參考層（如接地層）中，理 論上必有被該電場(chǎng)所感應(yīng)出來的負(fù)壓訊號(hào)伴隨前行（即是正壓訊號(hào)反向的回回路徑ReturnPath），如此將可完成整體性的回路（Loop）系統(tǒng)。該“訊 號(hào)”前行中若將其飛行時(shí)間暫短加以凍結(jié)，即可想象其所遭受到來自訊號(hào)線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值 （InstantaniousImpedance），此即所謂的“特性阻抗”。是故該“特性阻抗”應(yīng)與訊號(hào)線之線寬（w）、線厚（t）、介質(zhì)厚度（h）與 介質(zhì)常數(shù)（Dk）都扯上了關(guān)系。

4.2阻抗匹配不良的后果

由于高頻訊號(hào)的“特性阻抗”（Z0）原詞甚長(zhǎng)，故一般均簡(jiǎn)稱之為“阻抗”。讀者千萬要小心，此與低頻AC交流電 （60Hz）其電線（并非傳輸線）中，所出現(xiàn)的阻抗值（Z）并不完全相同。數(shù)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都能治理妥善，而控制在某一范圍內(nèi)（±10﹪ 或±5﹪）者，此品質(zhì)良好的傳輸線，將可使得雜訊減少，而誤動(dòng)作也可避免。但當(dāng)上述微帶線中Z0的四種變數(shù)（w、t、h、r）有任一項(xiàng)發(fā)生異常，例如訊號(hào) 線出現(xiàn)缺口時(shí)，將使得原來的Z0忽然上升（見上述公式中之Z0與W成反比的事實(shí)），而無法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻（Continuous）時(shí)，則其訊號(hào)的 能量必然會(huì)發(fā)生部分前進(jìn)，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法避免雜訊及誤動(dòng)作了。例如澆花的軟管忽然被踩住，造成軟管兩端都出現(xiàn)異常，正好可說明上述特 性阻抗匹配不良的題目。

4.3阻抗匹配不良造成雜訊上述部分訊號(hào)能量的反彈，將造成原來良好品質(zhì)的方波訊號(hào)，立即出現(xiàn)異常的變形（即發(fā)生高準(zhǔn)位向上的 Overshoot，與低準(zhǔn)位向下的Undershoot，以及二者后續(xù)的Ringing）。此等高頻雜訊嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作，而且當(dāng)時(shí)脈速度愈快時(shí)雜 訊愈多也愈輕易出錯(cuò)。