射頻阻抗匹配

1、關(guān)于高頻阻抗匹配阻抗匹配( Impedance matching )是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來(lái) 達(dá)至所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的， 不會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)源點(diǎn)， 從而提升能源 效益。大體上，阻抗匹配有兩種，一種是透過(guò)改變阻抗力( lumped-circuit matching )，另一 種則是調(diào)整傳輸線的波長(zhǎng)( transmission line matching)。要匹配一組線路， 首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值， 除以傳輸線的特性阻抗值來(lái)歸一化， 然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。改變阻抗力把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來(lái)， 即可增加或減少負(fù)載的阻抗值， 在圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表 實(shí)數(shù)電阻

2、的圓圈走動(dòng)。 如果把電容或電感接地， 首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn) 180 度，然 后才沿電阻圈走動(dòng)，再沿中心旋轉(zhuǎn) 180 度。重覆以上方法直至電阻值變成 1，即可直接把阻 抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ?。調(diào)整傳輸線由負(fù)載點(diǎn)至來(lái)源點(diǎn)加長(zhǎng)傳輸線， 在圖表上的圓點(diǎn)會(huì)沿著圖中心以逆時(shí)針?lè)较蜃邉?dòng)， 直至 走到電阻值為 1 的圓圈上，即可加電容或電感把阻抗力調(diào)整為零，完成匹配。阻抗匹配則傳輸功率大， 對(duì)于一個(gè)電源來(lái)講， 單它的內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí)， 輸出功率最大， 此時(shí) 阻抗匹配。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無(wú)反射波。對(duì)于普通的寬頻放大器， 輸出阻抗50Q，功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配，可是如果信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大

3、于電纜長(zhǎng)度， 即纜長(zhǎng)可以忽略的話，就無(wú)須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí), 要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等 , 此時(shí)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射 , 這表明所有能量都被負(fù)載吸收了 . 反 之則在傳輸中有能量損失。高速 PCB布線時(shí)，為了防止信號(hào)的反射，要求是線路的阻抗為50 歐姆。這是個(gè)大約的數(shù)字 ,一般規(guī)定同軸電纜基帶 50 歐姆, 頻帶 75 歐姆, 對(duì)絞線則為 100 歐姆,只是取個(gè)整而已 , 為了匹配方便。阻抗從字面上看就與電阻不一樣， 其中只有一個(gè)阻字是相同的， 而另一個(gè)抗字呢簡(jiǎn)單地 說(shuō)，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗；周延一點(diǎn)地說(shuō)，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗 在向量上的和。

4、 在直流電的世界中， 物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻， 世界上所有的物質(zhì)都 有電阻， 只是電阻值的大小差異而已。 電阻小的物質(zhì)稱作良導(dǎo)體， 電阻很大的物質(zhì)稱作非導(dǎo) 體，而最近在高科技領(lǐng)域中稱的超導(dǎo)體， 則是一種電阻值幾近于零的東西。 但是在交流電的 領(lǐng)域中則除了電阻會(huì)阻礙電流以外， 電容及電感也會(huì)阻礙電流的流動(dòng)， 這種作用就稱之為電 抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡(jiǎn)稱容抗及感抗。 它們的計(jì)量單位與電阻一樣是奧姆， 而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系， 頻率愈高則容 抗愈小感抗愈大， 頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。 此外電容抗和電感抗還有相位角度的問(wèn) 題，具有向量

5、上的關(guān)系式，因此才會(huì)說(shuō)：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀 態(tài)。對(duì)于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中， 當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)， 則輸出功率為最大， 這種工作狀態(tài)稱 為匹配，否則稱為失配。當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)， 為使負(fù)載得到最大功率， 負(fù)載阻抗與內(nèi)阻 必須滿足共扼關(guān)系， 即電阻成份相等， 電抗成份只數(shù)值相等而符號(hào)相反。 這種匹配條件稱為 共扼匹配。一. 阻抗匹配的研究在高速的設(shè)計(jì)中， 阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。 阻抗匹配的技術(shù)可以說(shuō)是豐 富多樣， 但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比

6、較合理的應(yīng)用，需要衡量多個(gè)方面的因素。 例如我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)計(jì)中， 很多采用的都是源段的串連匹配。 對(duì)于什么情況下需要匹配， 采用什么 方式的匹配，為什么采用這種方式。例如：差分的匹配多數(shù)采用終端的匹配；時(shí)鐘采用源段匹配；1、串聯(lián)終端匹配串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下， 在信號(hào)的 源端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻 R,使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，抑制從 負(fù)載端反射回來(lái)的信號(hào)發(fā)生再次反射 .串聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：50向負(fù)載端傳播；A 由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳播時(shí)以其幅度的50。B 信號(hào)在負(fù)載端的反射系數(shù)接近 1，因此反射信號(hào)的

7、幅度接近原始信號(hào)幅度的C 反射信號(hào)與源端傳播的信號(hào)疊加，使負(fù)載端接受到的信號(hào)與原始信號(hào)的幅度近似相同；D 負(fù)載端反射信號(hào)向源端傳播，到達(dá)源端后被匹配電阻吸收；E 反射信號(hào)到達(dá)源端后，源端驅(qū)動(dòng)電流降為0，直到下一次信號(hào)傳輸。相對(duì)并聯(lián)匹配來(lái)說(shuō)，串聯(lián)匹配不要求信號(hào)驅(qū)動(dòng)器具有很大的電流驅(qū)動(dòng)能力。 選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單， 就是要求匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。 理想的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗為零， 實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器總是有比較小 的輸出阻抗，而且在信號(hào)的電平發(fā)生變化時(shí)，輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為的 CMOS驅(qū)動(dòng)器，在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為37Q，在高電平時(shí)典型的輸出

8、阻抗為45Q 4 ; TTL驅(qū)動(dòng)器和CMOS區(qū)動(dòng)一樣，其輸出阻抗會(huì)隨信號(hào)的電平大小變化而變化。因此，對(duì)TTL或CMOS電路來(lái)說(shuō)，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號(hào)網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配，所有的負(fù)載必須接到傳輸線的末端。否則，接到傳輸線中間的負(fù)載接受到的波形就會(huì)象圖3.2.5中C點(diǎn)的電壓波形一樣。 可以看出， 有一段時(shí)間負(fù)載端信號(hào)幅度為原始信號(hào)幅度的一半。 顯然這時(shí)候信號(hào)處在不定邏輯 狀態(tài)，信號(hào)的噪聲容限很低。串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。 它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小， 不會(huì)給驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)額外的直流 負(fù)載，也不會(huì)在信號(hào)和地之間引入額外的阻抗；而且只需要一個(gè)電阻元件。2、并聯(lián)終

9、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(guò)增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入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， 芯片的輸入阻抗很高， 因此對(duì)單電阻形式來(lái)說(shuō)， 負(fù)載端的并聯(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 50Q,則R值為50QO如果信號(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CM

10、O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。這是因?yàn)閮呻娮璧牟⒙?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。考慮到芯片的驅(qū)動(dòng)能力，兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則： 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等； 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(guò)大； 與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(guò)大。并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行； 顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)直流功耗： 單電阻方式的直流 功耗與信號(hào)的占空比緊密相關(guān)；雙電阻方式則無(wú)論信號(hào)是高電平還是低

11、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)能力問(wèn)題在 一般的TTL、CMO系統(tǒng)中沒(méi)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，因此不適合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數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號(hào)線( Signal Line )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，豈非

12、一種得心應(yīng)手的小小成就然而一旦用力過(guò)度水注射程太遠(yuǎn)，不但騰空越過(guò)目標(biāo)浪費(fèi)水資源，甚至還可能因強(qiáng)力 水壓無(wú)處宣泄，以致往來(lái)源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫 ! 不僅任務(wù)失敗橫生挫折，而且還 大捅紕漏滿臉豆花呢！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(guò)猶不及皆非 所欲，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。上述簡(jiǎn)單的生活細(xì)節(jié)，正可用以說(shuō)明方波（Square Wave ）訊號(hào)（ Signal ）在多層板傳輸線（ Transmission Line ，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(jiàn)者有同軸電纜Coaxial Cable ，與微帶線

13、 Microstrip Line 或帶線 Strip Line 等） 看成軟管，而握管處所施加的壓力，就好比板面上 “接受端” （ R eceiver ）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（ Characterist ic Impedance ），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 ）由上可知當(dāng)"訊號(hào)”在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點(diǎn)，欲進(jìn)入接受元件（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

14、忙一場(chǎng)。 用術(shù)語(yǔ)說(shuō)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。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28 ohm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”（ Signal Integrity ，為訊號(hào)品質(zhì)之專用術(shù)語(yǔ)）也才最好。四.特性阻抗（ Characteristic Impedance ）當(dāng)某訊號(hào)方波，

15、在傳輸線組合體的訊號(hào)線中，以高準(zhǔn)位（ High Level ）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(lái)的負(fù)壓訊 號(hào)伴隨前行 （等于正壓訊號(hào)反向的回歸路徑 Return Path ），如此將可完成整體性的回路 （ L oop）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(lái)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（ Instantanious Impedance ），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。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(wàn)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都能管理妥善，而控制在某一范圍內(nèi)（土 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(lái)的Z0突然上升（見(jiàn)上述公式中之 Z0與W成反比的事實(shí)），而無(wú)法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn) 定均勻（ Cont