原创 何為"阻抗匹配"?

　　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28 ohm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”（Signal Integrity，为讯号品质之专用术语）也才最好。

　　四.特性阻抗（Characteristic Impedance）

　　4.1 当某讯号方波，在传输线组合体的讯号线中，以高准位（High Level）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（等于正压讯号反向的回归路径Return Path），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（Instantanious Impedance），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

　　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都能管理妥善，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突然上升（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。例如浇花的软管突然被踩住，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问题。

　　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容易出错。

链状拓扑结构的信号网路不适合使用串联终端匹配，所有的负载必须接到传输线的末端。否则，接到传输线中间的负载接受到的波形就会象图3.2.5中C点的电压波形一样。可以看出，有一段时间负载端信号幅度为原始信号幅度的一半。显然这时候信号处在不定逻辑状态，信号的噪声容限很低。

　　串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗小，不会给驱动器带来额外的直流负载，也不会在信号和地之间引入额外的阻抗；而且只需要一个电阻元件。

　　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入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

　　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，芯片的输入阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载端的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。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。这是因为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问题在一般的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，因此不适合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（Signal Line）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，岂非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挣脱!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（Square Wave）讯号（Signal）在多层板传输线（Transmission Line，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Coaxial Cable，与微带线Microstrip Line或带线Strip Line等）看成软管，而握管处所施加的压力，就好比板面上“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（Characteristic Impedance），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”在传输线中飞驰旅行而到达终点，欲进入接受元件（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28 ohm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”（Signal Integrity，为讯号品质之专用术语）也才最好。

　　四.特性阻抗（Characteristic Impedance）

　　4.1 当某讯号方波，在传输线组合体的讯号线中，以高准位（High Level）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（等于正压讯号反向的回归路径Return Path），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（Instantanious Impedance），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

　　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都能管理妥善，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突然上升（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。例如浇花的软管突然被踩住，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问题。

　　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容易出错。

关于阻抗匹配有一篇很好的文章，作者武晔卿 《一个跨专业的设计理念—阻抗连续性》以阻抗不匹配的话引起应力集中的角度，进行讲述，感兴趣的话可以google。下面没有见过作者同意，贴到此处仅供学习。

阻抗连续是一个广义概念，它不仅仅指电学的电传输路径、，也包括产品结构的力流路径、风道的通风路径等。其基本要求是路径阻抗尽量保持一致，如果不得不有阻抗变换的情况，则须采取缓变过渡的设计形式（图1）。

       对于一个电路布线（图2），如果出现了急性过渡，则在急性过渡的两侧各取一小段dx的长度，其阻抗分别为R和r，同样材质的情况下，根据电阻的计算公式R=ρ*L / S，截面积大的电阻小，因此细的一段阻抗大为R，粗的一段阻抗小为r。当导线上通过电流I，则分别在R和r上产生热量为P_R=I²R，P_r=I²r，因此P_R>P_r，则两段的发热也不一样，温升也就会产生微小的差别，紧邻的两段导体，在温度不同时，将会在电场和温升的双重作用下，细端R段的导电载流子将会发生移动，而形成更多的空穴，载流子的减少导致电阻更加增大，于是形成一个R↑→P_R↑→温度T↑→载流子移动→R↑ 这样一个周而复始的正反馈过程，越来越加速，导致到现在过渡点的烧毁。电炉丝与电线接头处的烧断、PCB板上布线过流时，并不是整条线全部烧毁，而是某一小段烧毁，均可形象的说明此问题。常见的一种失效现象，导线受到ESD损伤（图3），在线缆上形成某个局部的损伤不能再导电，（图3）中的椭圆，于是，在损伤点的两侧与损伤点之间，就形成了一个阻抗机型过渡的环境，最后在这个过渡点发生如上的反应过程，最后在损伤处烧断，烧断后的表现现象为为过电应力热损伤（EOS，Electrical Over Stress），但其实质为ESD（Electro-Static discharge）静电损伤引起，常见的器件失效分析中，“疑似ESD损伤”的结论大都基于此。

          在嵌入式系统的结构设计方面，结构上的急性过渡，会导致出现应力集中点（图4），在力的传递过程中，在急性过渡点的两侧，力流路径的过渡，会将较宽一侧的多余部分所受到的力，全部集中于过渡的部位，从而导致此处成为故障点，在右侧加一个向下压的力时，在过渡处最先出现裂纹断开。