高速信號阻抗匹配的重要性

1.概述

阻抗匹配（Impedance Matching）主要用于傳輸線上，以此來達到所有高速、高頻信號均能傳遞至負載點的目的，而且?guī)缀醪粫行盘柗瓷浠貋碓袋c，從而提升傳輸效益。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。

當(dāng)激勵源內(nèi)阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份只數(shù)值相等而符號相反，這種匹配條件稱為共扼匹配。

2.阻抗匹配的重要性

阻抗匹配主要有兩點作用，調(diào)整負載功率和抑制信號反射。

● 調(diào)整負載功率

假定激勵源已定，那么負載的功率由兩者的阻抗匹配度決定。對于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。

● 抑制信號反射

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

信號源與傳輸線之間的匹配，分為兩種情況，一種是信號源無反射，方法是接入信號源與傳輸線之間接入匹配裝置；另一種是信號共軛匹配，方法是信號源與被匹配電路之間接入匹配裝置，這種情況下多屬于有源電路設(shè)計。

如下圖所示，其最理想的模型是希望信號源Source端的輸出電阻為50歐姆，傳輸線的阻抗為50歐姆，負載Load端的輸入阻抗也是50歐姆。然而實際情況是源端阻抗不會是50歐姆，負載端阻抗也不會是50歐姆，這時候就需要若干個阻抗匹配電路。

3.阻抗匹配方式

● 串聯(lián)終端匹配

串行連接終端匹配技術(shù)是在源端的一種終端匹配技術(shù)，和其他類型的終端匹配技術(shù)不同。它是由連接在驅(qū)動器輸出端和信號線之間的一個電阻組成，驅(qū)動器輸出阻抗R?以及電阻R的和必須與信號線的特征阻抗匹配。

優(yōu)點：

1.器件單一，只需要一個電阻元件；

2.抑制振鈴，減少過沖；

3.增強信號完整性，產(chǎn)生更小的EMI；

4.適用于集總線型負載和單一負載。

缺點：

1.接收端的反向反射依然存在；

2.影響信號上升時間并增加信號延時；

3.分布式負載不適用，因為在走線路徑的中間，電壓僅為源電壓的一半；

4.當(dāng)TTL、CMOS器件出現(xiàn)在相同網(wǎng)絡(luò)時，串聯(lián)匹配不是最佳選擇。

● 并聯(lián)終端匹配

并聯(lián)終端匹配是最簡單的阻抗匹配技術(shù), 通過一個電阻R將傳輸線的末端（可能是開路，也可能是負載）接到地或者接到VCC上，電阻的值必須同傳輸線的特征Z?阻抗匹配，以消除信號的反射。

優(yōu)點：

1.器件單一，只需要一個電阻元件；

2.適用于分布式負載；

3.反射幾乎可以完全消除；

4.電阻阻值易于選擇。

缺點：

1.該電阻會增加系統(tǒng)電路的功耗；

2.降低了噪聲容限(比如將TTL輸出終端匹配到地會降低V??的電平值，從而降低接收器輸入端的抗噪聲能力)。

● 戴維南終端匹配

戴維南終端匹配技術(shù)也叫做雙終端匹配技術(shù)也就是雙電阻形式的并聯(lián)匹配，它采用兩個電阻R?和R?來實現(xiàn)終端匹配，要求的電流驅(qū)動能力比單電阻形式小，這是由于R?和R?的并聯(lián)值與傳輸線的特性阻抗相匹配，每個電阻都比傳輸線的特性阻抗大。

根據(jù)戴維南終端匹配設(shè)計規(guī)則，R?通過從VCC向負載注入電流來幫助驅(qū)動器更容易到達邏輯高狀態(tài)；R?幫助通過向地吸收電流來將驅(qū)動器下拉到邏輯低狀態(tài)。當(dāng)R?和R?的并聯(lián)同信號線的特征阻抗Z?匹配時可以加強驅(qū)動器的扇出能力，并且減小由于信號占空比的變化導(dǎo)致的功耗的改變。

匹配設(shè)計規(guī)則：1.兩個電阻的并聯(lián)值必須與傳輸線的特性阻抗相等；2.與電源VCC連接的電阻不能太小。需保證驅(qū)動器的I??電流在驅(qū)動器的性能指標(biāo)范圍內(nèi)，以免信號為低電平時灌電流過大，損壞器件；3.與地連接的電阻不能太小，需保證驅(qū)動器的I??電流在驅(qū)動器的性能指標(biāo)范圍以內(nèi)，以免信號為高電平時拉電流過大，損壞器件。

優(yōu)點：

1.終端匹配電阻采用上下拉的方式，有效抑制信號過沖；

2.信號擺幅降低，加強了系統(tǒng)的噪聲容限；

3.增強驅(qū)動器的驅(qū)動能力，在5V和3.3V的CMOS和BiCMOS的系統(tǒng)中顯得尤為有益。

缺點：

1.存在靜態(tài)直流功耗；

2.戴維南電壓接近于器件的開關(guān)閾值電壓，對于CMOS邏輯器件來說會導(dǎo)致更高的功耗。

RC終端匹配

RC終端匹配技術(shù)也稱之為AC終端匹配技術(shù)，它是由一個電阻R和一個電容C組成的，電阻R和電容C連接在傳輸線的負載一端。

RC終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢在于終端匹配電容阻斷了直流通路，因此節(jié)省了可觀的功率消耗，同時恰當(dāng)?shù)剡x取匹配電容的值，可以確保負載端的信號波形接近理想的方波，同時信號的過沖與下沖又都很小。

RC終端匹配技術(shù)的一個缺點是信號線上的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)時間上的抖動，這取決于在此之前的數(shù)據(jù)模式。

● 肖特基二極管終端匹配

肖特基二極管終端匹配技術(shù)也稱之為二極管終端匹配技術(shù)，由兩個肖特基二極管組成，此法不屬于阻抗匹配的思路，而是通過二極管的鉗位來減小過沖和下沖；傳輸線末端的信號反射，導(dǎo)致負載輸入端上的電壓升高超過VCC和二極管D1的正向偏值電壓，使得該二極管正向?qū)ㄟB接到VCC上，從而將信號的過沖嵌位在VCC和二極管的閾值電壓的和上，同樣，連接到地的二極管D2也可以將信號的下沖限制在二極管的正向偏置電壓上；因為二極管不會吸收任何的能量，僅僅只是將能量導(dǎo)向電源或者地，傳輸線上就會出現(xiàn)多次的信號反射。由于能量會通過二極管到電源和二極管到地的消耗，信號的反射會逐漸衰減，能量的損耗限制了信號反射的幅度，以維持信號的完整性。

4.阻抗匹配在PCB走線中的應(yīng)用

高頻領(lǐng)域中，信號頻率對PCB走線的阻抗值影響非常大。一般來說當(dāng)數(shù)字信號邊沿時間小于1ns或者模擬信號頻率超過100M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、電感系數(shù)，主要因素有材料介電常數(shù)、線寬、線厚乃至焊盤的厚度等。PCB 阻抗的范圍是25至120歐姆，USB、LVDS、HDMI、SATA、MIPI等一般要做85至100歐姆阻抗控制。