阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個阻字是相同的，而另一個抗字呢？簡單地說，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗；周延一點地說，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱作良導(dǎo)體，電阻很大的物質(zhì)稱作非導(dǎo)體，而近在高科技領(lǐng)域中稱的超導(dǎo)體，則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會阻礙電流以外，電容及電感也會阻礙電流的流動，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題，具有向量上的關(guān)系式，因此才會說：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

　　信號傳輸過程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設(shè)備互連來說，例如信號源連放大器，前級連后級，只要后的輸入阻抗大于前的輸出阻抗5-10倍以上，就可認(rèn)為阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機應(yīng)選用與其輸出端標(biāo)稱阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無此限制，可以接任何阻抗的音箱。本文我們將介紹PCB設(shè)計知識中有關(guān)阻抗匹配的一些研究。

　　一  阻抗匹配的研究

　　在高速的設(shè)計中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量優(yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說是豐富多樣，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用，需要衡量多個方面的因素。例如我們在系統(tǒng)中設(shè)計中，很多采用的都是源段的串連匹配。對于什么情況下需要匹配，采用什么方式的匹配，為什么采用這種方式。例如：差分的匹配多數(shù)采用終端的匹配；時鐘采用源段匹配；

　　1、 串聯(lián)終端匹配

　　串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點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。串聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：

　　A 由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅(qū)動信號傳播時以其幅度的50%向負(fù)載端傳播；

　　B 信號在負(fù)載端的反射系數(shù)接近+1,因此反射信號的幅度接近原始信號幅度的50%.

　　C 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；

　　D 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；

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

　　相對并聯(lián)匹配來說，串聯(lián)匹配不要求信號驅(qū)動器具有很大的電流驅(qū)動能力。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。理想的信號驅(qū)動器的輸出阻抗為零，實際的驅(qū)動器總是有比較小的輸出阻抗，而且在信號的電平發(fā)生變化時，輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為+4.5V的CMOS驅(qū)動器，在低電平時典型的輸出阻抗為37?,在高電平時典型的輸出阻抗為45?[4];TTL驅(qū)動器和CMOS驅(qū)動一樣，其輸出阻抗會隨信號的電平大小變化而變化。因此，對TTL或CMOS電路來說，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。

　　2、 并聯(lián)終端匹配

　　并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點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。實現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。

　　并聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點：

　　A 驅(qū)動信號近似以滿幅度沿傳輸線傳播；

　　B 所有的反射都被匹配電阻吸收；

　　C 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。

　　在實際的電路系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗很高，因此對單電阻形式來說，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。假定傳輸線的特征阻抗為50?,則R值為50.如果信號的高電平為5V,則信號的靜態(tài)電流將達(dá)到100mA.由于典型的TTL或CMOS電路的驅(qū)動能力很小，這種單電阻的并聯(lián)匹配方式很少出現(xiàn)在這些電路中。

　　雙電阻形式的并聯(lián)匹配，也被稱作戴維南終端匹配，要求的電流驅(qū)動能力比單電阻形式小。這是因為兩電阻的并聯(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；

　?、啤?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。

　　并聯(lián)終端匹配優(yōu)點是簡單易行；顯而易見的缺點是會帶來直流功耗：單電阻方式的直流功耗與信號的占空比緊密相關(guān)；雙電阻方式則無論信號是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對功耗要求高的系統(tǒng)。另外，單電阻方式由于驅(qū)動能力問題在一般的TTL、CMOS系統(tǒng)中沒有應(yīng)用，而雙電阻方式需要兩個元件，這就對PCB的板面積提出了要求，因此不適合用于高密度印刷電路板。

　　二  將訊號的傳輸看成軟管送水澆花

　　1、 數(shù)位系統(tǒng)之多層板訊號線（Signal Line）中，當(dāng)出現(xiàn)方波訊號的傳輸時，可將之假想成為軟管（hose）送水澆花。一端于手握處加壓使其射出水柱，另一端接在水龍頭。當(dāng)握管處所施壓的力道恰好，而讓水柱的射程正確灑落在目標(biāo)區(qū)時，則施與受兩者皆歡而順利完成使命，豈非一種得心應(yīng)手的小小成就？

　　2、 然而一旦用力過度水注射程太遠(yuǎn)，不但騰空越過目標(biāo)浪費水資源，甚至還可能因強力水壓無處宣泄，以致往來源反彈造成軟管自龍頭上的掙脫！不僅任務(wù)失敗橫生挫折，而且還大捅紕漏滿臉豆花呢！

　　3、 反之，當(dāng)握處之?dāng)D壓不足以致射程太近者，則照樣得不到想要的結(jié)果。過猶不及皆非所欲，唯有恰到好處才能正中下懷皆大歡喜。

　　4、 上述簡單的生活細(xì)節(jié)，正可用以說明方波（Square Wave）訊號（Signal）在多層板傳輸線（Transmission Line,系由訊號線、介質(zhì)層、及接地層三者所共同組成）中所進(jìn)行的快速傳送。此時可將傳輸線（常見者有同軸電纜Coaxial Cable,與微帶線Microstrip Line或帶線Strip Line等）看成軟管，而握管處所施加的壓力，就好比板面上"接受端"（Receiver）元件所并聯(lián)到Gnd的電阻器一般，可用以調(diào)節(jié)其終點的特性阻抗（Characteristic Impedance），使匹配接受端元件內(nèi)部的需求。

　　三  傳輸線之終端控管技術(shù)（Termination）

　　以橫電磁 （TEM）模的方式傳送電能和（或）電信號的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。傳輸線的特點是其橫向尺寸遠(yuǎn)小于工作波長。主要結(jié)構(gòu)型式有平行雙導(dǎo)線、平行多導(dǎo)線、同軸線、帶狀線，以及工作于準(zhǔn)TEM模的微帶線等，它們都可借助簡單的雙導(dǎo)線模型進(jìn)行電路分析。各種傳輸TE模、TM模，或其混合模的波導(dǎo)都可認(rèn)為是廣義的傳輸線。波導(dǎo)中電磁場沿傳播方向的分布規(guī)律與傳輸線上的電壓、電流情形相似，可用等效傳輸線的觀點分析。

　　音箱系統(tǒng)中各設(shè)備間連接線，其質(zhì)量會直接影響音響系統(tǒng)的音質(zhì)和聲音還原質(zhì)量。傳輸線對聲音信號的影響不僅限于直流電阻，由于分布參數(shù)、趨膚效應(yīng)、多芯線失真等因素影響，隨之而來的渦流損耗和電磁感應(yīng)會對音質(zhì)起到一定的破壞作用，導(dǎo)致不同頻率信號通過導(dǎo)線時，阻抗不盡相同，相移量也有所沒。傳輸線對聲音信號的影響取決于導(dǎo)體導(dǎo)體材質(zhì)（如銅、無氧銅、金、鋁等）、線的幾何結(jié)構(gòu)（如線徑、股數(shù)、絞合方式、導(dǎo)線外絕緣材料）以及線的技術(shù)工藝等多方面。在滿足使用要求的前提下，傳輸線應(yīng)盡可能短且與設(shè)備接觸良好，并注意屏蔽和抗干擾問題，盡量減少聲音信號損失（包括幅度、頻率和相位三方面損失），常用的傳輸線有音頻屏蔽線、數(shù)字線和音箱線等。

　　1、 由上可知當(dāng)"訊號"在傳輸線中飛馳旅行而到達(dá)終點，欲進(jìn)入接受元件（如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作時，則該訊號線本身所具備的"特性阻抗",必須要與終端元件內(nèi)部的電子阻抗相互匹配才行，如此才不致任務(wù)失敗白忙一場。用術(shù)語說就是正確執(zhí)行指令，減少雜訊干擾，避免錯誤動作".一旦彼此未能匹配時，則必將會有少許能量回頭朝向"發(fā)送端"反彈，進(jìn)而形成反射雜訊（Noise）的煩惱。

　　2、 當(dāng)傳輸線本身的特性阻抗（Z0）被設(shè)計者訂定為28ohm時，則終端控管的接地的電阻器（Zt）也必須是28ohm,如此才能協(xié)助傳輸線對Z0的保持，使整體得以穩(wěn)定在28 ohm的設(shè)計數(shù)值。也唯有在此種Z0=Zt的匹配情形下，訊號的傳輸才會效率，其"訊號完整性"（Signal Integrity,為訊號品質(zhì)之專用術(shù)語）也才。

　　四  特性阻抗（Characteristic Impedance）

　　假設(shè)一根均勻電纜無限延伸，在發(fā)射端的在某一頻率下的阻抗稱為"特性阻抗".測量特性阻抗時，可在電纜的另一端用特性阻抗的等值電阻終接，其測量結(jié)果會跟輸入信號的頻率有關(guān)。特性阻抗的測量單位為歐姆。在高頻段頻率不斷提高時，特性阻抗會漸近于固定值。例如同軸線將會是50或75歐姆；而雙絞線（用于電話及網(wǎng)絡(luò)通訊）將會是100歐姆（在高于1MHz時）。粗同軸電纜與細(xì)同軸電纜是指同軸電纜的直徑大還是小。粗纜適用于比較大型的局部網(wǎng)絡(luò)，它的標(biāo)準(zhǔn)距離長、可靠性高。由于安裝時不需要切斷電纜，因此可以根據(jù)需要靈活調(diào)整計算機的入網(wǎng)位置。但粗纜網(wǎng)絡(luò)必須安裝收發(fā)器和收發(fā)器電纜，安裝難度大，所以總體造價高。相反，細(xì)纜安裝則比較簡單，造價低，但由于安裝過程要切斷電纜，兩頭須裝上基本網(wǎng)絡(luò)連接頭（BNC），然后接在T型連接器兩端，所以當(dāng)接頭多時容易產(chǎn)生接觸不良的隱患，這是目前運行中的以太網(wǎng)所發(fā)生的常見故障之一。

　　1、 當(dāng)某訊號方波，在傳輸線組合體的訊號線中，以高準(zhǔn)位（High Level）的正壓訊號向前推進(jìn)時，則距其近的參考層（如接地層）中，理論上必有被該電場所感應(yīng)出來的負(fù)壓訊號伴隨前行（等于正壓訊號反向的回歸路徑Return Path），如此將可完成整體性的回路（Loop）系統(tǒng)。該"訊號"前行中若將其飛行時間暫短加以凍結(jié)，即可想象其所遭受到來自訊號線、介質(zhì)層與參考層等所共同呈現(xiàn)的瞬間阻抗值（Instantanious Impedance），此即所謂的"特性阻抗".  是故該"特性阻抗"應(yīng)與訊號線之線寬（w）、線厚（t）、介質(zhì)厚度（h）與介質(zhì)常數(shù)（Dk）都扯上了關(guān)系。

　　2、 阻抗匹配不良的后果  由于高頻訊號的"特性阻抗"（Z0）原詞甚長，故一般均簡稱之為"阻抗".讀者千萬要小心，此與低頻AC交流電（60Hz）其電線（并非傳輸線）中，所出現(xiàn)的阻抗值（Z）并不完全相同。數(shù)位系統(tǒng)當(dāng)整條傳輸線的Z0都能管理妥善，而控制在某一范圍內(nèi)（±10﹪或 ±5﹪）者，此品質(zhì)良好的傳輸線，將可使得雜訊減少，而誤動作也可避免。  但當(dāng)上述微帶線中Z0的四種變數(shù)（w、t、h、 r）有任一項發(fā)生異常，例如訊號線出現(xiàn)缺口時，將使得原來的Z0突然上升（見上述公式中之Z0與W成反比的事實），而無法繼續(xù)維持應(yīng)有的穩(wěn)定均勻（Continuous）時，則其訊號的能量必然會發(fā)生部分前進(jìn)，而部分卻反彈反射的缺失。如此將無法避免雜訊及誤動作了。例如澆花的軟管突然被踩住，造成軟管兩端都出現(xiàn)異常，正好可說明上述特性阻抗匹配不良的問題。

　　3、 阻抗匹配不良造成雜訊  上述部分訊號能量的反彈，將造成原來良好品質(zhì)的方波訊號，立即出現(xiàn)異常的變形（即發(fā)生高準(zhǔn)位向上的Overshoot,與低準(zhǔn)位向下的Undershoot,以及二者后續(xù)的Ringing）。此等高頻雜訊嚴(yán)重時還會引發(fā)誤動作，而且當(dāng)時脈速度愈快時雜訊愈多也愈容易出錯。

　　五、  結(jié)束語

　　阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到功率輸出的一種工作狀態(tài)。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(fù)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為，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(fù)載阻抗含有電抗成份時，為使負(fù)載得到功率，負(fù)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。