阻抗匹配及相关知识

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进阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，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：

　　A驱动信号近似以满幅度沿传输线传播；

　　B所有的反射都被匹配电阻吸收；

　　C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，芯片的输进阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载真个并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。假定传输线的特征阻抗 为50Ω，则R值为50Ω。假如信号的高电平为5V，则信号的静态电流将达到100mA。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。这是由于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：

　　⑴．两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相等；

　　⑵．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；

　　⑶．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题目在一般的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，因此不适适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。

二.将讯号的传输看成软管送水浇花

2.1数位系统之多层板讯号线（SignalLine）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，难道一种得心应手的 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摆脱!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，正可用以说明方波（SquareWave）讯号（Signal）在多层板传输线 （TransmissionLine，系由讯号线、介质层、及接地层三者所共同组成）中所进行的快速传送。此时可将传输线（常见者有同轴电缆 CoaxialCable，与微带线MicrostripLine或带线StripLine等）看成软管，而握管处所施加的压力，就比如板面上“接受端” （Receiver）元件所并联到Gnd的电阻器一般，可用以调节其终点的特性阻抗（CharacteristicImpedance），使匹配接受端元 件内部的需求。

三.传输线之终端控管技术（Termination）

3.1由上可知当“讯号”在传输线中飞奔旅行而到达终点，欲进进接受元件（如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作时，则该讯号线本 身所具备的“特性阻抗”，必须要与终端元件内部的电子阻抗相互匹配才行，如此才不致任务失败白忙一场。用术语说就是正确执行指令，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28ohm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。

四.特性阻抗（CharacteristicImpedance）

4.1当某讯号方波，在传输线组合体的讯号线中，以高准位（HighLevel）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（即是正压讯号反向的回回路径ReturnPath），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 （InstantaniousImpedance），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

由于高频讯号的“特性阻抗”（Z0）原词甚长，故一般均简称之为“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）并不完全相同。数位系统当整条传输线的Z0都能治理妥善，而控制在某一范围内（±10﹪ 或±5﹪）者，此品质良好的传输线，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忽然上升（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。例如浇花的软管忽然被踩住，造成软管两端都出现异常，正好可说明上述特 性阻抗匹配不良的题目。

4.3阻抗匹配不良造成杂讯上述部分讯号能量的反弹，将造成原来良好品质的方波讯号，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 讯愈多也愈轻易出错。