什么是阻抗匹配

什么是阻抗匹配

什么是阻抗匹配？为什么我们需要阻抗匹配？

什么是阻抗？

在具有电阻，电感和电容的电路中，交流电的障碍称为阻抗。阻抗通常表示为 Z。

电路或组件对交流电的有效电阻，由欧姆电阻和电抗的综合效应引起。

阻抗由电阻、感抗和容抗组成，但它不是简单的三者相加。如果三者串联连接，并且交流电的频率f、电阻R、电感L和电容C是已知的，那么串联电路的阻抗。

阻抗的单位是欧姆。

对于特定电路，阻抗不是恒定的，而是随频率变化的。在电阻、电感、电容的串联电路中，电路的阻抗一般大于电阻。也就是说，阻抗降至最低。

在电感和电容的并联电路中，阻抗在谐振时增加到与串联电路相反的最大值。

什么是阻抗匹配？

阻抗匹配是微波电子学的一部分。在电子学中，阻抗匹配是设计电气负载的输入阻抗或其相应信号源的输出阻抗以最大化功率传输或最小化来自负载的信号反射的做法。

它主要应用于传输线上，达到将所有高频微波信号可以传输到负载点的目的，并且没有信号会反射回原点，从而提高能效。

阻抗匹配有两种类型，一种是改变阻抗（集总电路匹配），另一种是调整传输线的波长（传输线匹配）。

要匹配一组线，请将负载点的阻抗值除以传输线的特征阻抗值以进行归一化，然后在 Smith 控制图上绘制该值。

抗变化性

将电容器或电感与负载串联，以增加或减少负载的阻抗。图形上的点将沿着表示实际阻力的圆圈移动。

如果电容或电感接地，图上的点将首先从图的中心旋转180度，然后沿电阻圆移动，然后沿中心旋转180度。

重复上述方法，直到电阻值变为1，然后阻抗可以直接改变为零以完成匹配。

调整传输线

将传输线从负载点加长到源点。图形上的点将沿图形中心逆时针方向移动，直到到达电阻值为 1 的圆。您可以添加电容或电感以将阻抗调整为零以完成匹配。

阻抗匹配意味着大传输功率。对于电源来说，当其内阻等于负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。

最大功率传输定理，如果是高频，则意味着没有反射波。对于普通宽带放大器来说，输出阻抗为50Ω，在输电电路中需要考虑阻抗匹配，但如果信号波长远大于电缆长度，即可以忽略电缆长度，则不需要阻抗匹配。

阻抗匹配是指在能量传输过程中，要求负载阻抗等于传输线的特性阻抗。此时，传输不会产生反射，这表明所有的能量都被负载吸收了。相反，传输中存在能量损失。

为了防止高速PCB布线过程中的信号反射，要求电路的阻抗为50欧姆。这是一个近似数字。一般规定同轴电缆的基带为50欧姆，频带为75欧姆，绞线为100欧姆。它只是四舍五入，以便于匹配。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗相互适配以获得最大功率输出的工作状态。对于具有不同特性的电路，匹配条件是不同的。

在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源的内阻时，输出功率最大。这种工作状态称为匹配，否则称为不匹配。

当激励源的内阻抗和负载阻抗包含电抗分量时，为了从负载获得最大功率，负载阻抗和内阻必须满足共轭关系，即电阻分量相等，电抗分量仅在值上相等，符号上相反。

此匹配条件称为共轭匹配。

阻抗匹配研究

在高速设计中，阻抗匹配与信号质量有关。

串联端接匹配

串联端接匹配的理论出发点是，在信号源端阻抗低于传输线特性阻抗的条件下，在信号源端与传输线之间串联一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。抑制从负载端反射的信号再次被反射。

串联端接匹配后的信号传输具有以下特点

• 由于串联匹配电阻的作用，当驱动信号传播时，其幅度的50%传播到负载端;
• 负载端信号的反射系数接近+1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50%。
• 将反射信号与在源端传播的信号叠加，使负载端接收到的信号幅度与原始信号大致相同;
• 来自负载端的反射信号传播到源端，到达源端后被匹配电阻吸收;
• 在反射信号到达源端后，源端驱动电流降至0，直到下一个信号传输。
• 串联匹配是最常用的终端匹配方法。

其优点是功耗低，驱动器无需额外的直流负载，信号与地之间无额外阻抗;并且只需要一个电阻元件。

并联端接匹配

并联端接匹配的理论出发点是，当信号源的阻抗非常小时，通过增加并联电阻，使负载的输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，以达到消除负载反射的目的。实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。

并联端接匹配后的信号传输具有以下特点

• 驱动信号沿传输线近似以全振幅传播;
• 所有反射都被匹配电阻吸收;
• 负载端接收到的信号幅度与源端发送的信号幅度大致相同。

在实际的电路系统中，芯片的输入阻抗非常高，因此对于单电阻形式，负载端的并联电阻值必须接近或等于传输线的特性阻抗。

假设传输线的特性阻抗为50Ω，则R值为50Ω。如果信号的高电平为5V，则信号的静态电流将达到100mA。由于典型TTL或CMOS电路的驱动能力非常小，因此这种单电阻并联匹配方法在这些电路中很少出现。

信号传输

在数字系统的多层板信号线中，方波信号在多层板传输线上（传输线，由信号线、介质层和地层组成）快速传输进来。

此时，传输线（通常是同轴电缆，微带线或带线等）可以看作是一根软管，而保持管施加的压力就像板（接收器）的接收端，并联连接到元件Gnd的电阻器通常用于调整其端子的特性阻抗（特性阻抗），以匹配接收端元件的内部需求。

输电线路终端控制技术

信号在传输线内正确执行命令，减少杂乱信号的干扰，避免误动作。一旦它们不能相互匹配，就会有一点能量反弹回发送端，这就会引起反射噪声的麻烦。

当设计人员将传输线本身的特性阻抗（Z0）设置为28欧姆时，终端控制的接地电阻（Zt）也必须为28欧姆，以协助传输线保持Z0并将整体稳定在28欧姆，即欧姆的设计值。

只有在Z0=Zt的这种匹配情况下，信号传输才会最高效，其信号完整性（Signal Integrity）也会是最好的。

特性阻抗

当信号的方波在传输线组件的信号线中与高电平正压信号一起向前移动时，它将在最近的参考层（如接地层）中。

从理论上讲，电场感应的负压信号必须伴随其前进（等于正压信号的返回路径），这样就可以完成整个环路系统。

如果信号在前进时暂时冻结了信号的飞行时间，则可以想象信号线、介电层和参考层所呈现的瞬时阻抗。

这就是所谓的特性阻抗。特性阻抗应与信号线的线宽（w）、线厚（t）、介电厚度（h）和介电常数（Dk）有关。

阻抗匹配不良的后果

由于高频信号的特性阻抗（Z0）的原项很长，因此一般简称为阻抗。

这与低频交流交流电（60Hz）及其导线（不是传输线）中出现的阻抗值（Z）并不完全相同。

在数字系统中，当整个传输线的Z0可以得到妥善管理，并且如果将其控制在一定范围内（±10%或±5%）时，这种高质量的传输线将降低噪声并防止误操作。

但是，当上述微带线中Z0的四个变量（w，t，h，r）中的任何一个异常时，例如信号线中的间隙，原始Z0会突然上升（参见上述公式中的Z0和Z0）。W 是反比的）。

当它无法继续保持其应有的稳定性和均匀性（连续）时，信号的能量将不可避免地部分前进，部分反弹并反映反射不足。解释上述特性阻抗匹配不良的问题。

阻抗匹配不良会导致噪声

由于高频信号的特性阻抗（Z0）的原项很长，因此一般简称为阻抗。

这与低频交流交流电（60Hz）及其导线（不是传输线）中出现的阻抗值（Z）并不完全相同。

在数字系统中，当整个传输线的Z0可以得到妥善管理，并且如果将其控制在一定范围内（±10%或±5%）时，这种高质量的传输线将降低噪声并防止误操作。

但是，当上述微带线中Z0的四个变量（w，t，h，r）中的任何一个异常时，例如信号线中的间隙，原始Z0会突然上升（参见上述公式中的Z0和Z0）。W 是反比的）。

当它无法继续保持其应有的稳定性和均匀性（连续）时，信号的能量将不可避免地部分前进，部分反弹并反映反射不足。解释上述特性阻抗匹配不良的问题。

信号能量回升的上述部分会导致原来的优质方波信号立即异常变形（即高电平向上的过冲，低电平向下的下冲，以及随后的两者的振铃）。

当高频噪声严重时，会引起故障，脉冲速度越快，噪声越大，越容易出错。

何时应考虑阻抗匹配？

在普通宽带放大器中，由于输出阻抗为50Ω，因此有必要考虑功率传输电路中的阻抗匹配。然而，事实上，当电缆的长度对于信号的波长可以忽略不计时，就不需要阻抗匹配。

考虑信号频率为1MHz，其波长在空中为300m，在同轴电缆中约为200m。在常用的长度约为1m的同轴电缆中，它完全在可以忽略不计的范围内。

如果有阻抗，阻抗中就会出现功耗，所以如果不做阻抗匹配，放大器的输出功率就会被无用地浪费掉。

分析特性阻抗

近年来，高速设计领域一个日益重要的问题是电路板上阻抗可控的电路板和互连线路的特性阻抗的设计。

什么是传输线？

两个具有一定长度的导体形成一条传输线。

其中一个导体成为信号传播路径，另一个导体构成信号返回路径（接地）。

在多层电路板设计中，每条PCB互连线构成传输线中的导体，传输线使用相邻的参考平面作为传输线的第二导体或信号返回路径。

什么样的PCB互连线才是好的传输线？

通常，如果同一PCB互连线路上各处的特性阻抗一致，这样的传输线就会变成高质量的传输线。

什么样的电路板称为受控阻抗电路板？

受控阻抗电路板意味着PCB上所有传输线的特性阻抗都满足统一的目标规格。这通常意味着所有传输线的特性阻抗都在25Ω和70Ω之间。

信号视角

考虑特性阻抗的最有效方法是查看信号本身在沿传输线传播时所看到的内容。

为了简化对问题的讨论，假设传输线是微带型，当信号沿传输线传播时，传输线的横截面是一致的。

向传输线添加幅度为1V的步进信号。步进信号为1V电池，由前端连接，信号线与返回路径连接。

在电池接通的那一刻，信号电压波形将以光速在电介质中传播，通常约为6英寸/ns。

信号定义为信号线与返回路径之间的电压差，始终通过测量传输线上任意点与相邻信号返回路径之间的电压差来获得。

信号沿传输线以 6 英寸/ns 的速度转发。在第一个10ps时间间隔内，信号沿着传输线传播0.06英寸的距离。

假设锁定时间在此刻，请考虑传输线上发生的情况。在此行进距离上，信号的传输在传输线的这一部分和相应的相邻信号返回通道之间建立幅度为1V的稳定恒定信号。

这意味着额外的正电荷和额外的负电荷已经累积在传输线的这一部分以及相应的返回路径上，以建立该稳定电压。

正是这些电荷的差异在两个导体之间建立并保持稳定的1 V电压信号，并且导体之间的稳定电压信号在两个导体之间建立电容。

抵抗是一个真正的物理组成部分。通过欧姆定律，我们可以知道电压、电流和电阻之间的关系，U=I*R

我们通过特定的电路分析这三者之间的具体关系，请看下面最简单的电路图。该电路图仅由一个电源、一个电阻器和一些导线组成。

该电阻的电阻也可以用万用表直接测量。

实际上，特性阻抗是与射频紧密分离的物理量。在了解特性阻抗之前，我们先了解一下射频。

我们知道，无线电台、手机通信信号、wifi等都是向外传输信号能量的设备，也就是说，能量是从天线发出的，能量不会返回天线。

在传输射频能量的电线上传输的射频信号也是相同的。我希望它不会在过去被传回过去。如果有能量回传回去，则意味着传输效果较差。

我们知道电阻=电压/电流。事实上，特性阻抗也有这样的关系：特性阻抗=射频电压/射频电流。

对于相同的RF电压，电流关系为i2=2次i1。线路越宽，特性阻抗越小。

特性阻抗和电阻的差值，对于同一块板，特性阻抗与线宽有关，但与长度无关。

事实上，影响特性阻抗的因素有很多，包括材料、导线与底板之间的距离等诸多因素。

导线的特征阻抗是导线对其上传输的射频能量的电阻大小。

识别传输线上的反射

上面我们假设导线是无限长的，但实际的导线长度是有限的。当射频信号到达导线的末端时，没有办法释放能量，它会沿着导线返回。

电阻是消耗能量的成分。

我们发现有三种特殊情况。

当R=RO时，传输的能量只是被末端的电阻R吸收，没有能量被反射回来。可以看出，这根电线是无线的。

当R=∞（开路）时，所有的能量都被反射回来，线路的端点将产生两倍于发射源的电压。

当 R=0 时，端点将反射回源电压的 -1 倍。

了解阻抗匹配

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗相互适配以获得最大功率输出的工作状态。

阻抗匹配是针对射频等，但不适用于电源电路，否则，东西就会被烧毁。

我们经常听到特性阻抗是50欧姆，75欧姆等。这50欧姆是怎么来的？为什么是50欧姆而不是51欧姆，或者45欧姆？

这是一个协议，50欧姆应该说对一般射频电路有更好的传输效果。

电线电缆需要50欧姆，因为电路负载相当于50欧姆电阻。如果用其他阻抗值制造导线，它将与负载不匹配。偏差越远，传输效果就越差！

在PCB设计过程中，在布线之前，我们一般会根据厚度、基材、层数等信息，对要设计的物品进行堆叠，并计算阻抗。计算后，一般可得到下图。

叠加信息示意图

从上图可以看出，上面的单端网络设计一般由50欧姆控制，所以很多人会问，为什么需要按50欧姆而不是25欧姆或80欧姆来控制？

首先，默认选择50欧姆，连接到各种电缆的PCB也按照50欧姆阻抗标准进行阻抗匹配。

其次，通用标准的制定将基于对PCB生产工艺和设计性能和可行性的全面考虑。

从PCB生产加工技术来看，考虑到大多数现有PCB厂家的设备，生产阻抗为50欧姆的PCB相对容易。

从阻抗计算过程中可以看出，阻抗过低需要更宽的线宽，而薄的介质或较大的介电常数，这在当前高密度板材的空间方面更难满足;

太高的阻抗需要更薄的线宽，更厚的介质，或更小的介电常数，这不利于抑制EMI和串扰。同时，对于多层板材和从批量生产的角度来看，加工的可靠性会受到较差的影响。

控制50欧姆阻抗。在使用普通板（FR4等）和共芯板的环境下，生产具有共同板厚度（如1mm，1.2mm等）的产品。可以设计常见的线宽（4~10mil）。工厂加工非常方便，对其加工的设备要求不是很高。

从PCB设计的角度来看，50欧姆也是经过综合考虑后选择的。从PCB走线的性能来看，低阻抗一般都比较好。对于给定线宽的传输线，与平面的距离越近，相应的EMI将降低，串扰也会减小。

但是，从全信号路径的角度来看，需要考虑最关键的因素之一，即芯片的驱动能力。早期，大多数芯片无法驱动阻抗小于50欧姆的传输线，阻抗较高的传输线不方便实现。因此，使用50欧姆阻抗作为折衷方案。

因此，一般选择50欧姆作为正常时间单端信号控制阻抗的默认值。

原文: https://ctrfantennasinc.com/what-is-impedance-matching