背景：為統籌電路設計較全面的知識點(diǎn)，本人將在近期推出電路設計中各種常用器件與設計理念，如基本元器件電阻、電容、電感、二極管保護，存儲器件SDRAM、FLASH，PCB設計工藝DCDC電源、PCB板布線(xiàn)設計工藝等，希望能為大家提供些許參考。

在電路設計中，經(jīng)常需要使用匹配電阻，如閉路電視同軸電纜、時(shí)鐘數據線(xiàn)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(guò)去，降低效率；會(huì )在傳輸線(xiàn)上形成駐波（簡(jiǎn)單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱），導致傳輸線(xiàn)的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至會(huì )損壞發(fā)射設備。

關(guān)于串聯(lián)匹配電阻其作用：

1、概述： 

高速信號線(xiàn)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：因為信號源的阻抗很低，跟信號線(xiàn)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 減少信號邊沿的陡峭程度：可以減少信號邊沿的陡峭程度，從而減少高頻噪聲以及過(guò)沖等。因為串聯(lián)的電阻，跟信號線(xiàn)的分布電容以及負載的輸入電容等形成一個(gè)RC 電路，這樣就會(huì )降低信號邊沿的陡峭程度大家知道，如果一個(gè)信號的邊沿非常陡峭，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(guò)沖。

2、 詳述（阻抗匹配） 

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線(xiàn)跟負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動(dòng)一個(gè)負載入手，由于實(shí)際的電壓源，總是有內阻的，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。假設負載電阻為R，電源電動(dòng)勢為U，內阻為r，那么我們可以計算出流過(guò)電阻R的電流為： 

I=U/(R+r)

可以看出，負載電阻R越小，則輸出電流越大。

負載R上的電壓為：

Uo=IR=U/[1+(r/R)]

負載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。

再來(lái)計算一下電阻R消耗的功率為： 

P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2R×r+r2)=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

對于一個(gè)給定的信號源，其內阻r是固定的，而負載電阻R則是由我們來(lái)選擇的注意式中[(R-r)2/R]，當R=r時(shí)，[(R-r)2/R]可取得最小值0，這時(shí)負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)即，當負載電阻跟信號源內阻相等時(shí)，負載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說(shuō)的阻抗匹配之一。對于純電阻電路，此結論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結論有所改變，就是需要信號源與負載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數，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(xiàn)的匹配問(wèn)題，只考慮信號源跟負載之間的情況，因為低頻信號的波長(cháng)相對于傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)很長(cháng)，傳輸線(xiàn)可以看成是“短線(xiàn)”，反射可以不考慮（可以這么理解：因為線(xiàn)短，即使反射回來(lái)，跟原信號還是一樣的）。

從以上分析我們可以得出結論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負載R；如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內阻匹配的電阻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載條件下設計的，如果負載條件改變了，則可能達不到原來(lái)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(wèn)題。當信號的頻率很高時(shí)，則信號的波長(cháng)就很短，當波長(cháng)短得跟傳輸線(xiàn)長(cháng)度可以比擬時(shí)，反射信號疊加在原信號上將會(huì )改變原信號的形狀。如果傳輸線(xiàn)的特征阻抗跟負載阻抗不相等（即不匹配）時(shí)，在負載端就會(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，在這里我們不細說(shuō)了，有興趣的可參看電磁場(chǎng)與微波方面書(shū)籍中的傳輸線(xiàn)理論傳輸線(xiàn)的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線(xiàn)的結構以及材料決定的，而與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度，以及信號的幅度、頻率等均無(wú)關(guān)。 

例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω，而一些射頻設備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見(jiàn)的傳輸線(xiàn)是特性阻抗為300Ω的扁平平行線(xiàn)，這在農村使用的電視天線(xiàn)架上比較常見(jiàn)，用來(lái)做八木天線(xiàn)的饋線(xiàn)因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω，所以300Ω的饋線(xiàn)將與其不能匹配實(shí)際中是如何解決這個(gè)問(wèn)題的呢？不知道大家有沒(méi)有留意到，電視機的附件中，有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉換器（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(xiàn)變壓器，將300Ω的阻抗，變換成75Ω的，這樣就可以匹配起來(lái)了。這里需要強調一點(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(xiàn)的長(cháng)度無(wú)關(guān)，也不能通過(guò)使用歐姆表來(lái)測量為了不產(chǎn)生反射，負載阻抗跟傳輸線(xiàn)的特征阻抗應該相等，這就是傳輸線(xiàn)的阻抗匹配。如果是電路板上的高速信號線(xiàn)與負載阻抗不匹配時(shí)，會(huì )產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。

當阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？

① 可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉換，就像上面所說(shuō)的電視機中的那個(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，一些驅動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來(lái)跟傳輸線(xiàn)匹配，例如高速信號線(xiàn)，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(lái)跟傳輸線(xiàn)匹配，例如，485總線(xiàn)接收器，常在數據線(xiàn)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(wèn)題，我來(lái)舉兩個(gè)例子：假設你在練習拳擊??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(jué)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??這就是負載過(guò)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??這就是負載過(guò)輕的情況。

另一個(gè)例子，不知道大家有沒(méi)有過(guò)這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時(shí)上/下樓梯，當你以為還有樓梯時(shí)，就會(huì )出現“負載不匹配”這樣的感覺(jué)了當然，也許這樣的例子不太恰當，但我們可以拿它來(lái)理解負載不匹配時(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(wèn)題，高速數字電路對走線(xiàn)的阻抗有要求，二層板不好控制阻抗。33歐電阻一般加在驅動(dòng)器端，也是起阻抗匹配作用的；布線(xiàn)時(shí)要先布數據地址線(xiàn)，和需要保證的高速線(xiàn)。

在高頻的時(shí)候，PCB板上的走線(xiàn)都要看成傳輸線(xiàn)。傳輸線(xiàn)有其特征阻抗，學(xué)過(guò)傳輸線(xiàn)理論的都知道，當傳輸線(xiàn)上某處出現阻抗突變(不匹配)時(shí)，信號通過(guò)就會(huì )發(fā)生反射，反射對原信號造成干擾，嚴重時(shí)就會(huì )影響電路的正常工作采用四層板時(shí)，通常外層走信號線(xiàn)，中間兩層分別為電源和地平面，這樣一方面隔離了兩個(gè)信號層，更重要的是外層的走線(xiàn)與它們所靠近的平面形成稱(chēng)為“微帶”(microstrip) 的傳輸線(xiàn)，它的阻抗比較固定，而且可以計算。對于兩層板就比較難以做到這樣。這種傳輸線(xiàn)阻抗主要與走線(xiàn)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)，有許多現成的公式和程序可供計算。

33歐電阻通常串連放在驅動(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(xiàn)的阻抗匹配，使反射回來(lái)(假設解收端阻抗沒(méi)有匹配) 的信號不會(huì )再次反射回去(吸收掉)，這樣接收端的信號就不會(huì )受到影響。接收端也可以作匹配，例如采用電阻并聯(lián)，但在數字系統比較少用，因為比較麻煩，而且很多時(shí)候是一發(fā)多收，如地址總線(xiàn)，不如源端匹配易做。 

注：這里所說(shuō)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，更重要是看信號的上升下降時(shí)間。通?？梢杂蒙仙?或下降) 時(shí)間估計電路的頻率，一般取上升時(shí)間倒數的一半，比如如果上升時(shí)間是1ns，那么它的倒數是1000MHz，也就是說(shuō)在設計電路是要按500MHz的頻帶來(lái)考慮。有時(shí)候要故意減慢邊緣時(shí)間，許多高速I(mǎi)C其驅動(dòng)器的輸出斜率是可調的。