阻抗知識介紹

一、什么是阻抗：

具有電阻、電容、電感的電路里，對交流電所起的阻礙作用叫阻抗，阻抗常用字母Z表示，單位是歐姆。阻抗是一個復數，實部為電阻，虛部為電抗，其中電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗，電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗，電容和電感在電路中對交流電引起的阻礙作用總稱為電抗。

1.1、阻抗計算公式：

Z= R+j(XL–XC)其中R為電阻，XL為感抗，XC為容抗。如果( XL–XC) > 0的情況下，稱為“感性負載”，如果( XL –XC) < 0的情況下，稱為“容性負載”。

1.2、阻抗相位：

如果阻抗的相位角為負值，此電路是容性的，如果阻抗相位角為正值，那么此電路是感性的。如果相位角是+90℃，那么電路是純感性的，如果相位角是-90℃，那么電路是純容性的，如果相位角是0℃，那么電路是純電阻值的。

二、瞬時阻抗與特性阻抗：

2.1、特性阻抗（Characteristic Impedance）：

信號在傳輸過程中，信號線與參考平面間由于電場的建立，則會產生一個瞬間電流，如果信號的輸出電平為V，在信號傳輸過程中，傳輸線就會等效成一個阻抗，即V/I，把這個等效阻抗稱為傳輸線的特性阻抗。

特性阻抗的計算：

2.2、瞬時阻抗：

信號在傳輸過程中，每個瞬間感受到的阻抗，我們稱做瞬時阻抗。信號傳輸過程中的瞬時阻抗是影響高速差分信號EMC輻射的重要因素之一。

瞬時阻抗與特性阻抗之間的聯系：

對于均勻傳輸線，信號傳輸過程中每點感受到的瞬時阻抗均相等，瞬時阻抗相等時的阻抗我們稱著特性阻抗。特性阻抗在數值上與均勻傳輸線的瞬態阻抗相等，它是傳輸線的固有特性，且僅與材料特性、介電常數、和單位長度電容量有關，而與傳輸線長度無關。

2.3、影響PCB特性阻抗的因素：

影響PCB特性阻抗的因素：

PCB布線的線寬

PCB布線敷銅厚度

PCB介質的介電常數

PCB介質的厚度

參考平面的距離

元件焊盤的寬度與厚度

三、阻抗匹配（Impedance matching）：

3.1、什么是阻抗匹配：

阻抗匹配主要用于傳輸線上，以此達到所有高頻的微波信號均能傳遞至負載點的目的，而且幾乎不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。信號源內阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態，簡稱為〝阻抗匹配〞。

阻抗匹配的條件：

負載阻抗等于信號源內阻抗，即它們的電阻與阻抗相等，電阻可視為相位為零時的阻抗，也就是 jx=XL-XC =0，這時在負載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。

負載阻抗等于信號源內阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和等于零，這時在負載阻抗上可以得到最大功率，這種匹配叫共軛匹配。

在純電阻電路中，負載電阻等于激勵源內阻時，則輸出功率最大，這種狀態稱作匹配；當激勵源內阻抗與負載阻抗含有電抗成份時，為使時負載得到最大功率，負載阻抗與激勵源內阻抗則必須滿足共軛關系，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反，稱為共軛匹配。

3.2、反射與反射系數：

反射的定義：

信號沿傳輸線傳播時，感受到的瞬態阻抗發生了改變，部分信號將沿著與原傳播方向相反的方向反射，另一部分將繼續傳播，但幅度有所改變。反射會使信號產生過沖、振鈴、形成駐波。

上沖又叫過沖，它指的是沿著信號邊沿的跳變方向，信號波形中超出穩定的“1”或“0”狀態電平的部分。

下沖又叫反沖，它指的是信號在過沖后，又沿著跳變方向的反方向，信號波形越過穩定的“1”或“0”狀態電平的部分。

振鈴是指信號發生連續多次的上沖和下沖所形成的震蕩，一般其振幅應是一次比一次小逐漸趨于零。

反射系數：

為量化信號反射，引入反射系數指標。反射系數計算公式是

?? ?

反射的三種極端情況：

3.3、阻抗匹配的形式：

阻抗匹配有兩種，一種是通過改變阻抗力（Lumped-CircuitMatching），另一種則是調整傳輸線的波長（TransmissionLineMatching）。要匹配一組線路，首先把負載點的阻抗值，除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化，然后把數值劃在史密斯圖上。

改變阻抗力：

把電容或電感與負載串聯起來，即可增加或減少負載的阻抗值，在圖表上的點會沿著代表實數電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點會以圖中心旋轉180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉180度。重復以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變為零完成匹配。阻抗匹配：簡單的說就是「特性阻抗」等于「負載阻抗」

調整傳輸線波長：

由負載點至來源點加長傳輸線，在圖表上的圓點會沿著圖中心以逆時針方向走動，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整為零完成匹配。

3.4、阻抗匹配的端接方法：

源端串聯匹配：

源端串聯匹配的理論出發點是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號的源端和傳輸線之間串接一個電阻 R，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，抑制從負載端反射回來的信號發生再次反射。

源端串聯匹配的特點：

反射信號與源端傳播的信號疊加，使負載端接受到的信號與原始信號的幅度近似相同。

負載端反射信號向源端傳播，到達源端后被匹配電阻吸收。

反射信號到達源端后，源端驅動電流降為0，直到下一次信號傳輸。

源端串聯匹配不適合鏈狀拓撲結構的信號網絡。

選擇串聯終端匹配電阻值的原則很簡單， 就是要求匹配電阻值與驅動器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。

負載端并聯匹配：

負載端并聯匹配的理論出發點是在信號源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯電阻使負載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達到消除負載端反射的目的。實現形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。

負載端并聯匹配的特點：

驅動信號近似以滿幅度沿傳輸線傳播。

所有的反射都被匹配電阻吸收。

負載端接受到的信號幅度與源端發送的信號幅度近似相同。

并聯終端匹配優點是簡單易行，顯而易見的缺點是會帶來直流功耗。單電阻

方式的直流功耗與信號的占空比緊密相關，雙電阻方式無論信號是高電平

是低電平都有直流耗。

負載端并聯匹配總結：

單電阻形式的負載端并聯匹配要求負載端的并聯電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等；而雙電阻形式的負載端并聯匹配也叫戴維南終端匹配，要求的電流驅動能力比單電阻形式小。這是因為兩電阻的并聯值與傳輸線的特征阻抗相匹配，每個電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅動能力，兩個電阻值的選擇必須遵循三個原則：兩電阻的并聯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，以免信號為低電平時驅動電流過大；與地連接的電阻值不能太小，以免信號為高電平時驅動電流過大。

負載端RC并聯匹配：

不論單電阻形式還是雙電阻形式的負載端并聯匹配都會帶來直流損耗的問題，為解決此問題負載端RC并聯匹配應時而生，由于電容具有〝隔直通交〞的特性，交流信號通過時電容相當于短路，負載端阻抗與傳輸線阻抗相等，可以有效抑制信號反射，而直流信號流過時，電容相當于開路，匹配電阻相當于不存在，對直流幾乎無損耗。

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