阻抗知識介紹

一、什么是阻抗：

具有電阻、電容、電感的電路里，對交流電所起的阻礙作用叫阻抗，阻抗常用字母Z表示，單位是歐姆。阻抗是一個復(fù)數(shù)，實(shí)部為電阻，虛部為電抗，其中電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗，電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗，電容和電感在電路中對交流電引起的阻礙作用總稱為電抗。

1.1、阻抗計(jì)算公式：

Z= R+j(XL–XC)其中R為電阻，XL為感抗，XC為容抗。如果( XL–XC) > 0的情況下，稱為“感性負(fù)載”，如果( XL –XC) < 0的情況下，稱為“容性負(fù)載”。

1.2、阻抗相位：

如果阻抗的相位角為負(fù)值，此電路是容性的，如果阻抗相位角為正值，那么此電路是感性的。如果相位角是+90℃，那么電路是純感性的，如果相位角是-90℃，那么電路是純?nèi)菪缘?，如果相位角?℃，那么電路是純電阻值的。

二、瞬時阻抗與特性阻抗：

2.1、特性阻抗（Characteristic Impedance）：

信號在傳輸過程中，信號線與參考平面間由于電場的建立，則會產(chǎn)生一個瞬間電流，如果信號的輸出電平為V，在信號傳輸過程中，傳輸線就會等效成一個阻抗，即V/I，把這個等效阻抗稱為傳輸線的特性阻抗。

特性阻抗的計(jì)算：

2.2、瞬時阻抗：

信號在傳輸過程中，每個瞬間感受到的阻抗，我們稱做瞬時阻抗。信號傳輸過程中的瞬時阻抗是影響高速差分信號EMC輻射的重要因素之一。

瞬時阻抗與特性阻抗之間的聯(lián)系：

對于均勻傳輸線，信號傳輸過程中每點(diǎn)感受到的瞬時阻抗均相等，瞬時阻抗相等時的阻抗我們稱著特性阻抗。特性阻抗在數(shù)值上與均勻傳輸線的瞬態(tài)阻抗相等，它是傳輸線的固有特性，且僅與材料特性、介電常數(shù)、和單位長度電容量有關(guān)，而與傳輸線長度無關(guān)。

2.3、影響PCB特性阻抗的因素：

影響PCB特性阻抗的因素：

PCB布線的線寬

PCB布線敷銅厚度

PCB介質(zhì)的介電常數(shù)

PCB介質(zhì)的厚度

參考平面的距離

元件焊盤的寬度與厚度

三、阻抗匹配（Impedance matching）：

3.1、什么是阻抗匹配：

阻抗匹配主要用于傳輸線上，以此達(dá)到所有高頻的微波信號均能傳遞至負(fù)載點(diǎn)的目的，而且?guī)缀醪粫行盘柗瓷浠貋碓袋c(diǎn)，從而提升能源效益。信號源內(nèi)阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負(fù)載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為〝阻抗匹配〞。

阻抗匹配的條件：

負(fù)載阻抗等于信號源內(nèi)阻抗，即它們的電阻與阻抗相等，電阻可視為相位為零時的阻抗，也就是 jx=XL-XC =0，這時在負(fù)載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。

負(fù)載阻抗等于信號源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和等于零，這時在負(fù)載阻抗上可以得到最大功率，這種匹配叫共軛匹配。

在純電阻電路中，負(fù)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率最大，這種狀態(tài)稱作匹配；當(dāng)激勵源內(nèi)阻抗與負(fù)載阻抗含有電抗成份時，為使時負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)阻抗則必須滿足共軛關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反，稱為共軛匹配。

3.2、反射與反射系數(shù)：

反射的定義：

信號沿傳輸線傳播時，感受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生了改變，部分信號將沿著與原傳播方向相反的方向反射，另一部分將繼續(xù)傳播，但幅度有所改變。反射會使信號產(chǎn)生過沖、振鈴、形成駐波。

上沖又叫過沖，它指的是沿著信號邊沿的跳變方向，信號波形中超出穩(wěn)定的“1”或“0”狀態(tài)電平的部分。

下沖又叫反沖，它指的是信號在過沖后，又沿著跳變方向的反方向，信號波形越過穩(wěn)定的“1”或“0”狀態(tài)電平的部分。

振鈴是指信號發(fā)生連續(xù)多次的上沖和下沖所形成的震蕩，一般其振幅應(yīng)是一次比一次小逐漸趨于零。

反射系數(shù)：

為量化信號反射，引入反射系數(shù)指標(biāo)。反射系數(shù)計(jì)算公式是

?? ?

反射的三種極端情況：

3.3、阻抗匹配的形式：

阻抗匹配有兩種，一種是通過改變阻抗力（Lumped-CircuitMatching），另一種則是調(diào)整傳輸線的波長（TransmissionLineMatching）。要匹配一組線路，首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值，除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化，然后把數(shù)值劃在史密斯圖上。

改變阻抗力：

把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重復(fù)以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹Ｗ杩蛊ヅ洌汉唵蔚恼f就是「特性阻抗」等于「負(fù)載阻抗」

調(diào)整傳輸線波長：

由負(fù)載點(diǎn)至來源點(diǎn)加長傳輸線，在圖表上的圓點(diǎn)會沿著圖中心以逆時針方向走動，直至走到電阻值為1的圓圈上，即可加電容或電感把阻抗力調(diào)整為零完成匹配。

3.4、阻抗匹配的端接方法：

源端串聯(lián)匹配：

源端串聯(lián)匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號的源端和傳輸線之間串接一個電阻 R，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，抑制從負(fù)載端反射回來的信號發(fā)生再次反射。

源端串聯(lián)匹配的特點(diǎn)：

反射信號與源端傳播的信號疊加，使負(fù)載端接受到的信號與原始信號的幅度近似相同。

負(fù)載端反射信號向源端傳播，到達(dá)源端后被匹配電阻吸收。

反射信號到達(dá)源端后，源端驅(qū)動電流降為0，直到下一次信號傳輸。

源端串聯(lián)匹配不適合鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號網(wǎng)絡(luò)。

選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡單， 就是要求匹配電阻值與驅(qū)動器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。

負(fù)載端并聯(lián)匹配：

負(fù)載端并聯(lián)匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。實(shí)現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。

負(fù)載端并聯(lián)匹配的特點(diǎn)：

驅(qū)動信號近似以滿幅度沿傳輸線傳播。

所有的反射都被匹配電阻吸收。

負(fù)載端接受到的信號幅度與源端發(fā)送的信號幅度近似相同。

并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，顯而易見的缺點(diǎn)是會帶來直流功耗。單電阻

方式的直流功耗與信號的占空比緊密相關(guān)，雙電阻方式無論信號是高電平

是低電平都有直流耗。

負(fù)載端并聯(lián)匹配總結(jié)：

單電阻形式的負(fù)載端并聯(lián)匹配要求負(fù)載端的并聯(lián)電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等；而雙電阻形式的負(fù)載端并聯(lián)匹配也叫戴維南終端匹配，要求的電流驅(qū)動能力比單電阻形式小。這是因?yàn)閮呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配，每個電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅(qū)動能力，兩個電阻值的選擇必須遵循三個原則：兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等；與電源連接的電阻值不能太小，以免信號為低電平時驅(qū)動電流過大；與地連接的電阻值不能太小，以免信號為高電平時驅(qū)動電流過大。

負(fù)載端RC并聯(lián)匹配：

不論單電阻形式還是雙電阻形式的負(fù)載端并聯(lián)匹配都會帶來直流損耗的問題，為解決此問題負(fù)載端RC并聯(lián)匹配應(yīng)時而生，由于電容具有〝隔直通交〞的特性，交流信號通過時電容相當(dāng)于短路，負(fù)載端阻抗與傳輸線阻抗相等，可以有效抑制信號反射，而直流信號流過時，電容相當(dāng)于開路，匹配電阻相當(dāng)于不存在，對直流幾乎無損耗。

本條內(nèi)容來自微信公眾號“風(fēng)陵渡口話EMC”，由“星空yzg”選編。如有任何反饋，請留言給我們。