阻抗匹配设计原理及方法

方式。

二、将信号的传输看成软管送水浇花

2.1、数位系统之多层板信号线（Signal Line）中，当出现方波信号的传输时，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）信号（Signal）在多层板传输线（Transmission Line，系由信号线、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 Impedance），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"信号"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，则该信号线本身所具备的"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。用术语说就是正确执行指令，减少噪声干扰，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，进而形成反射噪声（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。也唯有在此种Z0=Zt的匹配情形下，信号的传输才会最具效率，其"信号完整性"（Signal Integrity，为信号品质之专用术语）也才最好。

四、特性阻抗（Characteristic Impedance）

4.1、当某信号方波，在传输线组合体的信号线中，以高准位（High Level）的正压信号向前推进时，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应出来的负压信号伴随前行（等于正压信号反向的回归路径Return Path），如此将可完成整体性的回路（Loop）系统。该"信号"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信号线、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"应与信号线之线宽（w）、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信号的"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 ±5﹪）者，此品质良好的传输线，将可使得噪声减少，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，例如信号线出现缺口时，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，则其信号的能量必然会发生部分前进，而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避免噪声及误动作了。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、阻抗匹配不良造成噪声上述部分信号能量的反弹，将造成原来良好品质的方波信号，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）。此等高频噪声严重时还会引发误动作，而且当时脉速度愈快时噪声愈多也愈容易出错。

5、长线传输的阻抗匹配设计

对于高频信号来说，如果时钟脉冲信号的脉宽足够长，那么出现在该时钟脉冲信号上的反射能量和振铃能量，将由原来的一个变成两个或者更多，因而导致系统的时钟脉冲信号出现异常。此外，反射还会使逻辑器件的噪声容限变差。在该系统设计中，由于雷达输出信号为1 kΩ阻抗，因而不利于长线传输，并产生信号反射现象。反射结果对模拟的正弦波信号形成驻波，数字信号则表现为上升沿