阻抗impedance.docx

1、阻抗 impedance在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用 Z 表示，是一个复数，实部称为电阻，虚部称为电抗，其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗 ,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗，电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。 阻抗的单位是欧。阻 抗 是 电 阻 与 电 抗 在 向 量 上 的 和 。正 弦 交 变 电 路 中 阻 抗 大 小 表 达 式在 电 流 中在 电 流 中 ， 物 体 对 电 流 阻 碍 的 作 用 叫 做 电 阻 。 除 了 超 导 体 外 ， 世 界 上 所 有 的 物 质 都 有 电 阻 ， 只

2、 是 电 阻 值的 大 小 差 异 而 已 。 电 阻 很 小 的 物 质 称 作 良 导 体 ， 如 金 属 等 ； 电 阻 极 大 的 物 质 称 作 绝 缘 体 ， 如 木 头 和 塑 料等 。 还 有 一 种 介 于 两 者 之 间 的 导 体 叫 做 半 导 体 ， 而 超 导 体 则 是 一 种 电 阻 值 等 于 零 的 物 质 ， 不 过 它 要 求 在足 够 低 的 温 度 和 足 够 弱 的 磁 场 下 ， 其 电 阻 率 才 为 零 。在 直 流 电 和 交 流 电 中 ， 电 阻 对 两 种 电 流 都 有 阻 碍 作 用 ； 作 为 常 见 元 器 件 ， 除 了 电

3、 阻 还 有 电 容 和 电 感 ， 这两 者 对 交 流 电 和 直 流 电 的 作 用 就 不 像 电 阻 那 样 都 有 阻 碍 作 用 了 。 电 容 是 “隔 直 通 交 ”， 就 是 对 直 流 电 有 隔断 作 用 ， 就 是 直 流 不 能 通 过 ， 而 交 流 电 可 以 通 过 ， 而 且 随 着 电 容 值 的 增 大 或 者 交 流 电 的 增 大 ， 电 容 对 交流 电 的 阻 碍 作 用 越 小 ， 这 种 阻 碍 作 用 可 以 理 解 为 “电 阻 ”， 但 是 不 等 同 于 电 阻 ， 这 是 一 种 电 抗 的 ， 电 抗 和电 阻 单 位 一 样 ，

4、 合 称 “阻 抗 ”。 当 然 ， 准 确 的 说 ， “阻 抗 ”应 该 有 三 个 部 分 ， 除 了 这 两 个 ， 就 是 “感 抗 ”。 感抗 就 是 电 感 对 电 流 的 阻 碍 作 用 ， 和 电 容 不 同 ， 电 感 对 直 流 电 无 阻 碍 作 用 （ 如 果 严 谨 的 研 究 的 话 ， 在 通 电达 到 饱 和 之 前 的 那 个 短 暂 的 几 毫 秒 的 暂 态 内 ， 也 是 有 阻 碍 的 ） 对 交 流 有 阻 碍 作 用 ， 感 抗 的 单 位 和 容 抗 以及 电 阻 的 单 位 都 一 样 是 欧 姆 。电 容 及 电 感 的 电 抗 分 别 称

5、 作 电 容 抗 及 电 感 抗 ， 简 称 容 抗 及 感 抗 。 它 们 的 计 量 单 位 与 电 阻 一 样 是 欧 姆 ， 而其 值 的 大 小 则 和 交 流 电 的 频 率 有 关 系 ， 频 率 愈 高 则 容 抗 愈 小 感 抗 愈 大 ， 频 率 愈 低 则 容 抗 愈 大 而 感 抗 愈 小 。此 外 电 容 抗 和 电 感 抗 还 有 相 位 角 度 的 问 题 ， 具 有 向 量 上 的 关 系 式 ， 因 此 才 会 说 ： 阻 抗 是 电 阻 与 电 抗 在 向量 上 的 和 。 对 于 一 个 具 体 电 路 ， 阻 抗 不 是 不 变 的 ， 而 是 随 着

6、频 率 变 化 而 变 化 。 在 电 阻 、 电 感 和 电 容 串 联电 路 中 ， 电 路 的 阻 抗 一 般 来 说 比 电 阻 大 。 当 该 串 联 电 路 达 到 谐 振 的 时 候 ， 也 就 是 阻 抗 减 小 到 最 小 值 。 在电 感 和 电 容 并 联 电 路 中 ， 谐 振 的 时 候 阻 抗 增 加 到 最 大 值 ， 这 和 串 联 电 路 相 反 。在 音 响 器 材 中在 音 响 器 材 中 ， 扩 音 机 与 喇 叭 的 阻 抗 多 设 计 为 8 欧 姆 ， 因 为 在 这 个 阻 抗 值 下 ， 机 器 有 最 佳 的 工 作 状 态 。其 实 喇 叭

7、 的 阻 抗 是 随 着 频 率 高 低 的 不 同 而 变 动 的 ， 喇 叭 规 格 中 所 标 示 的 通 常 是 一 个 大 略 的 平 均 值 ， 现 在市 面 上 的 产 品 大 都 是 四 欧 姆 、 六 欧 姆 或 八 欧 姆 。耳 机 阻 抗耳 机 的 阻 抗 是 其 交 流 阻 抗 的 简 称 ， 单 位 为 欧 姆 ()。 一 般 来 说 ， 阻 抗 越 小 ， 耳 机 就 越 容 易 出 声 、 越 容 易驱 动 。 耳 机 的 阻 抗 是 随 其 所 重 放 的 音 频 信 号 的 频 率 而 改 变 的 ， 一 般 耳 机 阻 抗 在 低 频 最 大 ， 因 此 对

8、 低 频 的衰 减 要 大 于 高 频 的 ； 对 大 多 数 耳 机 而 言 ， 增 大 输 出 阻 抗 会 使 声 音 更 暗 更 混 (此 时 功 放 对 耳 机 驱 动 单 元 的控 制 也 会 变 弱 )， 但 某 些 耳 机 却 需 要 在 高 阻 抗 下 才 更 好 听 。 如 果 耳 机 声 音 尖 锐 刺 耳 ， 可 以 考 虑 增 大 耳 机插 孔 的 有 效 输 出 阻 抗 ； 如 果 耳 机 声 音 暗 淡 浑 浊 ， 并 且 是 通 过 功 率 放 大 器 驱 动 的 ， 则 可 以 考 虑 减 小 有 效 输出 电 阻 。不 同 阻 抗 的 耳 机 主 要 用 于

9、不 同 的 场 合 ， 在 台 式 机 或 功 放 、 VCD、 DVD、 电 视 、 电 脑 等 设 备 上 ， 常 用 到的 是 高 阻 抗 耳 机 ， 有 些 专 业 耳 机 阻 抗 甚 至 会 在 200 欧 姆 以 上 ， 这 是 为 了 与 专 业 机 上 的 耳 机 插 口 匹 配 ，此 时 如 果 使 用 低 阻 抗 耳 机 ， 一 定 先 要 把 音 量 调 低 再 插 上 耳 机 ， 再 一 点 点 把 音 量 调 上 去 ， 防 止 耳 机 过 载 将耳 机 烧 坏 或 是 音 圈 变 形 错 位 造 成 破 音 。 而 对 于 各 种 便 携 式 随 身 听 ， 例 如

10、 CD、 MD 或 MP3， 一 般 会 使 用低 阻 抗 耳 机 (通 常 都 在 50 欧 姆 以 下 )， 这 是 因 为 这 些 低 阻 抗 耳 机 比 较 容 易 驱 动 ， 同 时 还 要 注 意 灵 敏 度 要高 ， 对 随 身 听 、 MP3 来 说 灵 敏 度 指 标 更 加 重 要 。 当 然 ， 阻 抗 越 高 的 耳 机 搭 配 输 出 功 率 大 的 音 源 时 声 音效 果 更 好 。阻 抗 公 式 ： Z= R+i( L1/（ C） )说 明负 载 是 电 阻 、 电 感 的 感 抗 、 电 容 的 容 抗 三 种 类 型 的 复 物 ， 复 合 后 统 称 “阻

11、 抗 ”， 写 成 数 学 公 式 即 是 ： 阻 抗Z= R+i( L1/（ C） )。 其 中 R 为 电 阻 ， L 为 感 抗 ， 1/（ C） 为 容 抗 。 如 果 ( L1/C) 0， 称 为“感 性 负 载 ”； 反 之 ， 如 果 ( L1/C) 0 称 为 “容 性 负 载 ”。匹 配概 述阻 抗 匹 配 （ Impedance matching） 在 高 频 设 计 中 是 一 个 常 用 的 概 念 ， 是 微 波 电 子 学 里 的 一 部 分 ， 主 要 用于 传 输 线 上 ， 来 达 至 所 有 高 频 的 微 波 信 号 皆 能 传 至 负 载 点 的 目 的

12、 ， 不 会 有 信 号 反 射 回 到 源 点 ， 从 而 提 升能 源 效 益 。大 体 上 ， 阻 抗 匹 配 有 两 种 ， 一 种 是 通 过 改 变 阻 抗 力 （ lumped-circuit matching） ， 另 一 种 则 是 调 整 传 输线 的 波 长 （ transmission line matching） 。要 匹 配 一 组 线 路 ， 首 先 把 负 载 点 的 阻 抗 值 ， 除 以 传 输 线 的 特 性 阻 抗 值 来 归 一 化 ， 然 后 把 数 值 划 在 史 密 斯图 表 上 。改 变 阻 抗 力把 电 容 或 电 感 与 负 载 串 联 起

13、 来 ， 即 可 增 加 或 减 少 负 载 的 阻 抗 值 ， 在 图 表 上 的 点 会 沿 着 代 表 实 数 电 阻 的 圆圈 走 动 。 如 果 把 电 容 或 电 感 接 地 ， 首 先 图 表 上 的 点 会 以 图 中 心 旋 转 180 度 ， 然 后 才 沿 电 阻 圈 走 动 ， 再沿 中 心 旋 转 180 度 。 重 复 以 上 方 法 直 至 电 阻 值 变 成 1， 即 可 直 接 把 阻 抗 力 变 为 零 完 成 匹 配 。调 整 传 输 线由 负 载 点 至 来 源 点 加 长 传 输 线 ， 在 图 表 上 的 圆 点 会 沿 着 图 中 心 以 逆 时

14、针 方 向 走 动 ， 直 至 走 到 电 阻 值 为1 的 圆 圈 上 ， 即 可 加 电 容 或 电 感 把 阻 抗 力 调 整 为 零 ， 完 成 匹 配 。阻 抗 匹 配 则 传 输 功 率 大 ， 对 于 一 个 电 源 来 讲 ， 当 它 的 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 的 话 ， 就 是 无 反 射 波 。 对 于 普 通 的 宽 频 放 大 器 ， 输 出 阻 抗 50， 功 率传 输 电 路 中 需 要 考 虑 阻 抗 匹 配 ， 可 是 如 果 信 号 波 长

15、远 远 大 于 电 缆 长 度 ， 即 缆 长 可 以 忽 略 的 话 ， 就 无 须 考虑 阻 抗 匹 配 了 。 阻 抗 匹 配 是 指 在 能 量 传 输 时 ， 要 求 负 载 阻 抗 要 和 传 输 线 的 特 征 阻 抗 相 等 ， 此 时 的 传 输 不会 产 生 反 射 ， 这 表 明 所 有 能 量 都 被 负 载 吸 收 了 。 反 之 则 在 传 输 中 有 能 量 损 失 。 高 速 PCB 布 线 时 ， 为 了防 止 信 号 的 反 射 ， 要 求 是 线 路 的 阻 抗 为 50 欧 姆 。 这 是 个 大 约 的 数 字 ， 一 般 规 定 同 轴 电 缆 基

16、带 50 欧 姆 ，频 带 75 欧 姆 ， 对 绞 线 则 为 100 欧 姆 ， 只 是 取 个 整 而 已 ， 为 了 匹 配 方 便 。阻 抗 从 字 面 上 看 就 与 电 阻 不 一 样 ， 其 中 只 有 一 个 阻 字 是 相 同 的 ， 而 另 一 个 抗 字 呢 ？ 简 单 地 说 ， 阻 抗 就 是电 阻 加 电 抗 ， 所 以 才 叫 阻 抗 ； 周 延 一 点 地 说 ， 阻 抗 就 是 电 阻 、 电 容 抗 及 电 感 抗 在 向 量 上 的 和 。 在 直 流 电的 世 界 中 ， 物 体 对 电 流 阻 碍 的 作 用 叫 做 电 阻 ， 世 界 上 所 有

17、的 物 质 都 有 电 阻 ， 只 是 电 阻 值 的 大 小 差 异 而 已 。电 阻 小 的 物 质 称 作 良 导 体 ， 电 阻 很 大 的 物 质 称 作 非 导 体 ， 而 最 近 在 高 科 技 领 域 中 称 的 超 导 体 ， 则 是 一 种电 阻 值 几 近 于 零 的 东 西 。 但 是 在 交 流 电 的 领 域 中 则 除 了 电 阻 会 阻 碍 电 流 以 外 ， 电 容 及 电 感 也 会 阻 碍 电 流的 流 动 ， 这 种 作 用 就 称 之 为 电 抗 ， 意 即 抵 抗 电 流 的 作 用 。 电 容 及 电 感 的 电 抗 分 别 称 作 电 容 抗 及

18、 电 感 抗 ，简 称 容 抗 及 感 抗 。 它 们 的 计 量 单 位 与 电 阻 一 样 是 欧 姆 ， 而 其 值 的 大 小 则 和 交 流 电 的 频 率 有 关 系 ， 频 率 愈高 则 容 抗 愈 小 感 抗 愈 大 ， 频 率 愈 低 则 容 抗 愈 大 而 感 抗 愈 小 。 此 外 电 容 抗 和 电 感 抗 还 有 相 位 角 度 的 问 题 ，具 有 向 量 上 的 关 系 式 ， 因 此 才 会 说 ： 阻 抗 是 电 阻 与 电 抗 在 向 量 上 的 和 。阻 抗 匹 配 是 指 负 载 阻 抗 与 激 励 源 内 部 阻 抗 互 相 适 配 ， 得 到 最 大

19、 功 率 输 出 的 一 种 工 作 状 态 。 对 于 不 同 特 性的 电 路 ， 匹 配 条 件 是 不 一 样 的 。在 纯 电 阻 电 路 中 ， 当 负 载 电 阻 等 于 激 励 源 内 阻 时 ， 则 输 出 功 率 为 最 大 ， 这 种 工 作 状 态 称 为 匹 配 ， 否 则 称为 失 配 。 当 激 励 源 内 阻 抗 和 负 载 阻 抗 含 有 电 抗 成 份 时 ， 为 使 负 载 得 到 最 大 功 率 ， 负 载 阻 抗 与 内 阻 必 须 满 足 共 扼 关系 ， 即 电 阻 成 份 相 等 ， 电 抗 成 份 只 数 值 相 等 而 符 号 相 反 。 这

20、 种 匹 配 条 件 称 为 共 扼 匹 配 。阻 抗 匹 配 的 研 究在 高 速 的 设 计 中 ， 阻 抗 的 匹 配 与 否 关 系 到 信 号 的 质 量 优 劣 。 阻 抗 匹 配 的 技 术 可 以 说 是 丰 富 多 样 ， 但 是 在具 体 的 系 统 中 怎 样 才 能 比 较 合 理 的 应 用 ， 需 要 衡 量 多 个 方 面 的 因 素 。 例 如 我 们 在 系 统 中 设 计 中 ， 很 多 采用 的 都 是 源 段 的 串 连 匹 配 。 对 于 什 么 情 况 下 需 要 匹 配 ， 采 用 什 么 方 式 的 匹 配 ， 为 什 么 采 用 这 种 方 式

21、 。例 如 ： 差 分 的 匹 配 多 数 采 用 终 端 的 匹 配 ； 时 钟 采 用 源 段 匹 配 ； 1 串 联 终 端 匹 配串 联 终 端 匹 配 的 理 论 出 发 点 是 在 信 号 源 端 阻 抗 低 于 传 输 线 特 征 阻 抗 的 条 件 下 ， 在 信 号 的 源 端 和 传 输 线 之间 串 接 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 回 来 的 信 号 发 生再 次 反 射 。 串 联 终 端 匹 配 后 的 信 号 传 输 具 有 以 下 特 点 ：A 由 于 串

22、 联 匹 配 电 阻 的 作 用 ， 驱 动 信 号 传 播 时 以 其 幅 度 的 50%向 负 载 端 传 播B 信 号 在 负 载 端 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%。C 反 射 信 号 与 源 端 传 播 的 信 号 叠 加 ， 使 负 载 端 接 受 到 的 信 号 与 原 始 信 号 的 幅 度 近 似 相 同D 负 载 端 反 射 信 号 向 源 端 传 播 ， 到 达 源 端 后 被 匹 配 电 阻 吸 收E 反 射 信 号 到 达 源 端 后 ， 源 端 驱 动 电 流 降 为 0， 直 到

23、下 一 次 信 号 传 输 。相 对 并 联 匹 配 来 说 ， 串 联 匹 配 不 要 求 信 号 驱 动 器 具 有 很 大 的 电 流 驱 动 能 力 。选 择 串 联 终 端 匹 配 电 阻 值 的 原 则 很 简 单 ， 就 是 要 求 匹 配 电 阻 值 与 驱 动 器 的 输 出 阻 抗 之 和 与 传 输 线 的 特 征阻 抗 相 等 。 理 想 的 信 号 驱 动 器 的 输 出 阻 抗 为 零 ， 实 际 的 驱 动 器 总 是 有 比 较 小 的 输 出 阻 抗 ， 而 且 在 信 号 的电 平 发 生 变 化 时 ， 输 出 阻 抗 可 能 不 同 。 比 如 电 源

24、电 压 为 +4.5V 的 CMOS 驱 动 器 ， 在 低 电 平 时 典 型 的 输出 阻 抗 为 37， 在 高 电 平 时 典 型 的 输 出 阻 抗 为 454； TTL 驱 动 器 和 CMOS 驱 动 一 样 ， 其 输 出 阻 抗 会随 信 号 的 电 平 大 小 变 化 而 变 化 。 因 此 ， 对 TTL 或 CMOS 电 路 来 说 ， 不 可 能 有 十 分 正 确 的 匹 配 电 阻 ， 只能 折 中 考 虑 。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 。

25、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

26、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 大 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 具 有 以 下 特 点 ： 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

27、 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 50， 则 R 值 为 50。 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

28、 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 ： 两 电 阻 的 并 联 值 与 传 输 线 的 特 征 阻 抗 相 等 与 电 源 连 接

29、 的 电 阻 值 不 能 太 小 ， 以 免 信 号 为 低 电 平 时 驱 动 电 流 过 大 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

30、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

31、 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

32、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（ Transmissio

33、n 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 Im

34、pedance） ， 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

35、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

36、 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

37、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） 、

38、 线 厚 （ t） 、 介 质 厚 度 （ h） 与 介 质 常 数 （ Dk） 都 扯 上 了 关 系 。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

39、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

40、 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）

41、 。 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 。那 么 是 否 什 么 时 候 都 要 考 虑 阻 抗 匹 配 ？在 普 通 的 宽 频 带 放 大 器 中 ， 因 为 输 出 阻 抗 为 50， 所 以 需 要 考 虑 在 功 率 传 输 电 路 中 进 行 阻 抗 匹 配 。 但是 ， 实 际 上 当 电 缆 的 长 度 对 于 信 号 的 波 长 来 说 可 以 忽 略 不 计 时 ， 就 勿 需 阻 抗 匹 配 的 。考 虑 信 号 频 率 为 1MHz， 其 波 长 在 空 气

42、 中 为 300m， 在 同 轴 电 缆 中 约 为 200m。 在 通 常 使 用 的 长 度 为 1m左 右 的 同 轴 电 缆 中 ， 是 在 完 全 可 忽 略 的 范 围 之 内 。输 入 输 出一 、 输 入 阻 抗输 入 阻 抗 是 指 一 个 电 路 输 入 端 的 等 效 阻 抗 。 在 输 入 端 上 加 上 一 个 电 压 源 U， 测 量 输 入 端 的 电 流 I， 则 输入 阻 抗 Rin 就 是 U/I。 你 可 以 把 输 入 端 想 象 成 一 个 电 阻 的 两 端 ， 这 个 电 阻 的 阻 值 ， 就 是 输 入 阻 抗 。 电 机 转 子 交 流 阻

43、抗 测 试 仪输 入 阻 抗 跟 一 个 普 通 的 电 抗 元 件 没 什 么 两 样 ， 它 反 映 了 对 电 流 阻 碍 作 用 的 大 小 。 对 于 电 压 驱 动 的 电 路 ，输 入 阻 抗 越 大 ， 则 对 电 压 源 的 负 载 就 越 轻 ， 因 而 就 越 容 易 驱 动 ， 也 不 会 对 信 号 源 有 影 响 ； 而 对 于 电 流 驱动 型 的 电 路 ， 输 入 阻 抗 越 小 ， 则 对 电 流 源 的 负 载 就 越 轻 。 因 此 ， 我 们 可 以 这 样 认 为 ： 如 果 是 用 电 压 源 来驱 动 的 ， 则 输 入 阻 抗 越 大 越 好

44、； 如 果 是 用 电 流 源 来 驱 动 的 ， 则 阻 抗 越 小 越 好 （ 注 ： 只 适 合 于 低 频 电 路 ，在 高 频 电 路 中 ， 还 要 考 虑 阻 抗 匹 配 问 题 。 ） 另 外 如 果 要 获 取 最 大 输 出 功 率 时 ， 也 要 考 虑 阻 抗 匹 配 问 题 。二 、 输 出 阻 抗无 论 信 号 源 或 放 大 器 还 有 电 源 ， 都 有 输 出 阻 抗 的 问 题 。 输 出 阻 抗 就 是 一 个 信 号 源 的 内 阻 。 本 来 ， 对 于 一个 理 想 的 电 压 源 （ 包 括 电 源 ） ， 内 阻 应 该 为 0， 或 理 想 电

45、 流 源 的 阻 抗 应 当 为 无 穷 大 。 输 出 阻 抗 在 电 路 设计 最 特 别 需 要 注 意 。但 现 实 中 的 电 压 源 ， 则 不 能 做 到 这 一 点 。 我 们 常 用 一 个 理 想 电 压 源 串 联 一 个 电 阻 r 的 方 式 来 等 效 一 个 实际 的 电 压 源 。 这 个 跟 理 想 电 压 源 串 联 的 电 阻 r， 就 是 （ 信 号 源 /放 大 器 输 出 /电 源 ） 的 内 阻 了 。 当 这 个 电压 源 给 负 载 供 电 时 ， 就 会 有 电 流 I 从 这 个 负 载 上 流 过 ， 并 在 这 个 电 阻 上 产 生

46、Ir 的 电 压 降 。 这 将 导 致 电源 输 出 电 压 的 下 降 ， 从 而 限 制 了 最 大 输 出 功 率 （ 关 于 为 什 么 会 限 制 最 大 输 出 功 率 ， 请 看 后 面 的 “阻 抗 匹配 ”一 问 ） 。 同 样 的 ， 一 个 理 想 的 电 流 源 ， 输 出 阻 抗 应 该 是 无 穷 大 ， 但 实 际 的 电 路 是 不 可 能 的 。三 、 阻 抗 匹 配阻 抗 匹 配 是 指 信 号 源 或 者 传 输 线 跟 负 载 之 间 的 一 种 合 适 的 搭 配 方 式 。 阻 抗 匹 配 分 为 低 频 和 高 频 两 种 情 况讨 论 。 我

47、们 先 从 直 流 电 压 源 驱 动 一 个 负 载 入 手 。 由 于 实 际 的 电 压 源 ， 总 是 有 内 阻 的 （ 请 参 看 输 出 阻 抗 一问 ） ， 我 们 可 以 把 一 个 实 际 电 压 源 ， 等 效 成 一 个 理 想 的 电 压 源 跟 一 个 电 阻 r 串 联 的 模 型 。 假 设 负 载 电 阻为 R， 电 源 电 动 势 为 U， 内 阻 为 r， 那 么 我 们 可 以 计 算 出 流 过 电 阻 R 的 电 流 为 ： I=U/(R+r)， 可 以 看 出 ，负 载 电 阻 R 越 小 ， 则 输 出 电 流 越 大 。 负 载 R 上 的 电

48、 压 为 ： Uo=IR=U/1+(r/R)， 可 以 看 出 ， 负 载 电 阻 R越 大 ， 则 输 出 电 压 Uo 越 高 。 再 来 计 算 一 下 电 阻 R 消 耗 的 功 率 为 ：P=I2R=U/(R+r)2R=U2R/(R2+2Rr+r2) =U2R/(R-r)2+4Rr =U2/(R-r)2/R+4r 对 于 一 个 给 定 的 信 号 源 ， 其 内 阻 r 是 固 定 的 ， 而 负 载 电 阻 R 则 是 由 我 们 来 选 择 的 。 注 意 式 中 (R-r)2/R，当 R=r 时 ， (R-r)2/R可 取 得 最 小 值 0， 这 时 负 载 电 阻 R 上

49、 可 获 得 最 大 输 出 功 率 Pmax=U2/(4r)。 即 ，当 负 载 电 阻 跟 信 号 源 内 阻 相 等 时 ， 负 载 可 获 得 最 大 输 出 功 率 ， 这 就 是 我 们 常 说 的 阻 抗 匹 配 之 一 。 对 于 纯电 阻 电 路 ， 此 结 论 同 样 适 用 于 低 频 电 路 及 高 频 电 路 。 当 交 流 电 路 中 含 有 容 性 或 感 性 阻 抗 时 ， 结 论 有 所 改变 ， 就 是 需 要 信 号 源 与 负 载 阻 抗 的 的 实 部 相 等 ， 虚 部 互 为 相 反 数 ， 这 叫 做 共 扼 匹 配 。 在 低 频 电 路 中 ， 我们 一 般 不 考 虑 传 输 线 的 匹 配 问 题 ， 只 考 虑 信 号 源 跟 负 载 之 间 的 情 况 ， 因 为 低 频 信 号 的 波 长 相 对 于 传 输 线来 说 很 长 ， 传 输 线 可 以 看 成 是 “短 线 ”， 反 射 可 以 不 考 虑 （ 可 以 这 么 理 解 ： 因 为 线 短 ， 即 使 反 射 回 来 ， 跟原 信 号 还 是 一 样 的 ） 。 从 以 上 分 析 我 们 可 以 得 出