為統(tǒng)籌電路設(shè)計(jì)較全面的知識(shí)點(diǎn)，本人將在近期推出電路設(shè)計(jì)中各種常用器件與設(shè)計(jì)理念，如基本元器件電阻、電容、電感、二極管保護(hù)，存儲(chǔ)器件SDRAM、FLASH，PCB設(shè)計(jì)工藝DCDC電源、PCB板布線設(shè)計(jì)工藝等，希望能為大家提供些許參考。

在電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要使用匹配電阻，如閉路電視同軸電纜、時(shí)鐘數(shù)據(jù)線等，如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢？如果不匹配，則會(huì)形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會(huì)在傳輸線上形成駐波（簡(jiǎn)單的理解，就是有些地方信號(hào)強(qiáng)，有些地方信號(hào)弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。

關(guān)于串聯(lián)匹配電阻其作用：

1、概述：

高速信號(hào)線中才考慮使用這樣的電阻，低頻情況下，一般是直接連接。這個(gè)電阻有兩個(gè)作用：

① 阻抗匹配：因?yàn)樾盘?hào)源的阻抗很低，跟信號(hào)線之間阻抗不匹配，串上一個(gè)電阻后，可改善匹配情況，以減少反射，避免振蕩等。

② 減少信號(hào)邊沿的陡峭程度：可以減少信號(hào)邊沿的陡峭程度，從而減少高頻噪聲以及過沖等。因?yàn)榇?lián)的電阻，跟信號(hào)線的分布電容以及負(fù)載的輸入電容等形成一個(gè)RC 電路，這樣就會(huì)降低信號(hào)邊沿的陡峭程度大家知道，如果一個(gè)信號(hào)的邊沿非常陡峭，含有大量的高頻成分，將會(huì)輻射干擾，另外，也容易產(chǎn)生過沖。

2、 詳述（阻抗匹配）

阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。

阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。

我們先從直流電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手，由于實(shí)際的電壓源，總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動(dòng)勢(shì)為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流過電阻R的電流為：

對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的注意式中［（R-r）2/R］，當(dāng)R=r時(shí)，［（R-r）2/R］可取得最小值0，這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/（4×r）即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。對(duì)于純電阻電路，此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論有所改變，就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共扼匹配。

匹配電阻下低頻電路與高頻電路的比較：

① 在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長(zhǎng)相對(duì)于傳輸線來說很長(zhǎng)，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這么理解：因?yàn)榫€短，即使反射回來，跟原信號(hào)還是一樣的）。

從以上分析我們可以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負(fù)載R；如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。

注：有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來的性能，這時(shí)我們也會(huì)叫做阻抗失配。

② 在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長(zhǎng)就很短，當(dāng)波長(zhǎng)短得跟傳輸線長(zhǎng)度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等（即不匹配）時(shí)，在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。

為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細(xì)說了，有興趣的可參看電磁場(chǎng)與微波方面書籍中的傳輸線理論傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長(zhǎng)度，以及信號(hào)的幅度、頻率等均無關(guān)。

例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω，而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Ω的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω，所以300Ω的饋線將與其不能匹配實(shí)際中是如何解決這個(gè)問題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機(jī)的附件中，有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器（一個(gè)塑料封裝的，一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東，大概有兩個(gè)大拇指那么大）它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線變壓器，將300Ω的阻抗，變換成75Ω的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念，它與傳輸線的長(zhǎng)度無關(guān)，也不能通過使用歐姆表來測(cè)量為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。

當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？

① 可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說的電視機(jī)中的那個(gè)例子那樣。

② 可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時(shí)常使用。

③ 可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法，一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號(hào)線，有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。

為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問題，我來舉兩個(gè)例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會(huì)感覺很舒服但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會(huì)受不了了——這就是負(fù)載過重的情況，會(huì)產(chǎn)生很大的反彈力相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會(huì)撲空，手也可能會(huì)受不了——這就是負(fù)載過輕的情況。

另一個(gè)例子，不知道大家有沒有過這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時(shí)上/下樓梯，當(dāng)你以為還有樓梯時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)“負(fù)載不匹配”這樣的感覺了當(dāng)然，也許這樣的例子不太恰當(dāng)，但我們可以拿它來理解負(fù)載不匹配時(shí)的反射情況

附：淺談四層板和33歐電阻

選用四層板不僅是電源和地的問題，高速數(shù)字電路對(duì)走線的阻抗有要求，二層板不好控制阻抗。33歐電阻一般加在驅(qū)動(dòng)器端，也是起阻抗匹配作用的；布線時(shí)要先布數(shù)據(jù)地址線，和需要保證的高速線。

在高頻的時(shí)候，PCB板上的走線都要看成傳輸線。傳輸線有其特征阻抗，學(xué)過傳輸線理論的都知道，當(dāng)傳輸線上某處出現(xiàn)阻抗突變（不匹配）時(shí)，信號(hào)通過就會(huì)發(fā)生反射，反射對(duì)原信號(hào)造成干擾，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)影響電路的正常工作采用四層板時(shí)，通常外層走信號(hào)線，中間兩層分別為電源和地平面，這樣一方面隔離了兩個(gè)信號(hào)層，更重要的是外層的走線與它們所靠近的平面形成稱為“微帶”（microstrip） 的傳輸線，它的阻抗比較固定，而且可以計(jì)算。對(duì)于兩層板就比較難以做到這樣。這種傳輸線阻抗主要與走線的寬度、到參考平面的距離、敷銅的厚度以及介電材料的特性有關(guān)，有許多現(xiàn)成的公式和程序可供計(jì)算。

33歐電阻通常串連放在驅(qū)動(dòng)的一端（其實(shí)不一定33歐，從幾歐到五、六十歐都有，視電路具體情況） ，其作用是與發(fā)送器的輸出阻抗串連后與走線的阻抗匹配，使反射回來（假設(shè)解收端阻抗沒有匹配） 的信號(hào)不會(huì)再次反射回去（吸收掉），這樣接收端的信號(hào)就不會(huì)受到影響。接收端也可以作匹配，例如采用電阻并聯(lián)，但在數(shù)字系統(tǒng)比較少用，因?yàn)楸容^麻煩，而且很多時(shí)候是一發(fā)多收，如地址總線，不如源端匹配易做。

注：這里所說的高頻，不一定是時(shí)鐘頻率很高的電路，是不是高頻不止看頻率，更重要是看信號(hào)的上升下降時(shí)間。通常可以用上升（或下降） 時(shí)間估計(jì)電路的頻率，一般取上升時(shí)間倒數(shù)的一半，比如如果上升時(shí)間是1ns，那么它的倒數(shù)是1000MHz，也就是說在設(shè)計(jì)電路是要按500MHz的頻帶來考慮。有時(shí)候要故意減慢邊緣時(shí)間，許多高速IC其驅(qū)動(dòng)器的輸出斜率是可調(diào)的。