阻抗匹配的基本原理和設計方法（你知道為什麼要進行阻抗匹配）

2023-05-31 09:06:41 1

電子工程師經常會遇到阻抗匹配問題。什麼是阻抗匹配，為什麼要進行阻抗匹配?本文帶您一探究竟!

一、什麼是阻抗

在電學中，常把對電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，是一個複數Z= R i( ωL–1/(ωC))。具體說來阻抗可分為兩個部分，電阻(實部)和電抗(虛部)。其中電抗又包括容抗和感抗，由電容引起的電流阻礙稱為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。

圖1 複數表示方法

二、阻抗匹配的重要性

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間達到一種適合的搭配。阻抗匹配主要有兩點作用，調整負載功率和抑制信號反射。

1、調整負載功率

假定激勵源已定，那麼負載的功率由兩者的阻抗匹配度決定。對於一個理想化的純電阻電路或者低頻電路，由電感、電容引起的電抗值基本可以忽略，此時電路的阻抗來源主要為電阻。如圖2所示，電路中電流I=U/(r R)，負載功率P=I*I*R。由以上兩個方程可得當R=r時P取得最大值，Pmax=U*U/(4*r)。

圖2 負載功率調整

2、抑制信號反射

當一束光從空氣射向水中時會發生反射，這是因為光和水的光導特性不同。同樣，當信號傳輸中如果傳輸線上發生特性阻抗突變也會發生反射。波長與頻率成反比，低頻信號的波長遠遠大於傳輸線的長度，因此一般不用考慮反射問題。高頻領域，當信號的波長與傳輸線長出於相同量級時反射的信號易與原信號混疊，影響信號質量。通過阻抗匹配可有效減少、消除高頻信號反射。

圖3 正常信號

圖4 異常信號(反射引起超調)

三、阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有兩個，一是改變組抗力，二是調整傳輸線。

改變阻抗力就是通過電容、電感與負載的串並聯調整負載阻抗值，以達到源和負載阻抗匹配。

調整傳輸線是加長源和負載間的距離，配合電容和電感把阻抗力調整為零。此時信號不會發生發射，能量都能被負載吸收。高速PCB布線中，一般把數位訊號的走線阻抗設計為50歐姆。一般規定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對絞線(差分)為85-100歐姆。

四、阻抗匹配的應用

1、功放與音箱

無論是定阻抗式還是定電壓式輸出的功放，只有喇叭的總功率和功放的總功率相等時才能得到最佳的工作狀態。音箱系統若要完全達到匹配是非常困難的，它的音頻成分總是在不停的變化，好在音箱系統對阻抗匹配度要求並不高。最常見到的喇叭阻抗的標示值是8歐姆，它表示當輸入1KHz的正弦波信號，它呈現的阻抗值是八歐姆;或者是在喇叭的工作頻率響應範圍內，平均阻抗為8歐姆。

圖5 音箱

2、PCB走線

高頻領域中，信號頻率對PCB走線的阻抗值影響非常大。一般來說當數位訊號邊沿時間小於1ns或者模擬信號頻率超過300M時就要考慮阻抗問題。PCB走線阻抗主要來自寄生的電容、電阻、電感係數，主要因素有材料介電常數、線寬、線厚乃至焊盤的厚度等。PCB 阻抗的範圍是 25 至120 歐姆，USB、 LVDS、 HDMI、 SATA等一般要做85-100歐姆阻抗控制。

圖6 走線匹配阻抗

3、天線設計

研究天線阻抗的主要目的是為實現天線和饋線間的匹配。發射信號時應使發射天線與饋線的特性阻抗相等，以獲得最好的信號增益。接收信號時天線與負載應做共軛匹配，接收機(負載)阻抗一般認為只有實數部分，因此需要用匹配網絡來除去天線的電抗部分並使它們的電阻部分相等。圖7為天線阻抗匹配時常用的π型網絡，使用網絡分析儀測量阻抗以確定 C1、C2、C3 的取值，完成阻抗匹配。

圖7 π型電路

4、終端匹配電阻

在設計CAN總線、485總線時常需要在差分線兩端加終端電阻(匹配電阻)，以減少由特性阻抗突變造成的信號反射。如下圖CAN總線網絡，雙絞線特性阻抗為120歐姆，若不加終端電阻兩端直接懸空，空氣的特性阻抗為無窮大。此時，極易出現圖4所示的信號反射。

圖8 CAN總線網絡

對於CAN總線來說，由於收發器對信號電平判斷的採樣點位置普遍靠後，因此信號反射一般不會影響通信錯誤率。反射會影響產品的EMI特性，最直接的表現就是眼圖實驗效果差，存在兩個異常凸起。

圖9 CAN總線眼圖

致遠電子的 M6G2C-256LI 核心板，主要器件由 MPU、 DDR、 Flash、 power 四部分構成，看似簡單的架構又是如何保證核心板的穩定性呢?差分蛇形走線、等長控制、阻抗匹配、 PCB 分層設計、高速信號參考地等設計來保證產品的設計合理性，再配合信號完整性、信號眼圖、信號脈衝等等儀器測試為產品穩定性保駕護航。