阻抗不匹配的现象及解决办法

将阻抗匹配之前，先给大家引入几个名词：

传输线：由两条有一定长度的导线组成，比如同轴电缆、微带线、带状线（PCB板子中的铜走线）等等。

均匀传输线：如果导线上任一处的横截面都相同，比如同轴电缆，这样的传输线为均匀传输线，即阻抗处处相等。

瞬时阻抗：信号从在传输线上进行传输时，电流经过每一个地方所受到的阻抗为瞬时阻抗，对于均匀传输线，当材料相同，横截面积相同，则信号受到的瞬时阻抗也是恒定的。

特性阻抗：对于均匀传输线，信号在上面传播时，在任何一处受到的瞬时阻抗都是相同的，这个瞬时阻抗称为传输线的特性阻抗。

传输线的时延TD：通俗易懂的理解为信号从传输线的源端到终端所用的时间

以上基本概念介绍完了，我们开始步入正题。

我们大家在测试信号波形中遇到很多过冲，下冲，振铃现象，这些都属于信号完整性的问题。当然，这些现象产生的原因就是因为阻抗不匹配，因为有反射信号来回反弹。

阻抗不匹配的现象例如图1：

图1

那小编想问一下大家：为什么有反射信号？

根本原因：为了维持系统的平衡，边界处不可能出现电压不连续，否则会出现一个无限大的电场，也不可能出现电流不连续，否则会先交界面出产生净电荷。

下图2中：

Z1：左边的阻抗   Z2：右边的阻抗

Vinc:入射信号

Vtrans:穿过交界面的传输信号

Vrefl:反射信号

其中，ρ为反射系数

图2

信号在传输过程中，如果遇到了阻抗不匹配，如图2则会出现反射信号，入射信号的一部分穿过突变处进入Z2，一部分反射回源端。

交界面两侧电压相同的条件为：Vinc+Vrefl=Vtrans

交界面两侧电流相同的条件为：Iinc-Irefl=Itrans

那么为什么我上面提到：出现阻抗突变时，为什么会出现反射信号，我们用公式来证明

一下：

假如没有产生反射电压，并且要保持电压电流连续，是不是会有V1=V2，I1=I2

Z1=V1/I1 ，Z2=V2/I2，那么如果出现了阻抗突变，即阻抗不匹配，那么Z1≠Z2，那么此时V1还等于V2吗？I1还等于I2吗？显然，肯定不相等。为了继续保持这种系统平衡，就出现了反射电压。

以上我就把为什么出现振铃的原因，为什么出现反射信号的原因解释清楚了。

小编还想给大家从原理上分析一下为什么会出现图1中的忽高忽低的波形。

先给大家上一个反弹图，如图4：

图4

图4中10R为驱动器内阻，我们常见的驱动器内部一般都是TTL电路，它的内阻或者说输出电阻很小，一般十几欧姆。

图4中50R为传输线的特性阻抗，就是说传输线上阻抗处处为50R

图4中R=-0.67，指的是信号从末端反射回源端的反射系数R=10-50/10+50=-0.67

图4中R=1,此图是我们没有加任何端接电阻，末端我们理解为开路，即阻抗无穷大。

R=无穷/无穷=1，即全反射。

我们入射信号为1V，即A点的信号幅值为1V，信号从A点到B点后会发生反射，因为B点处出现了阻抗突变，传输线为50R，终端为无穷大，因此发生了全反射，那么B点电压=入射信号+反射信号，其中反射信号为1V*R（R=1）=1V，入射信号为1V，那么B点第一次出现的电压为2V。

B点处的反射信号1V返回A点后又会遇到阻抗突变，因为驱动器内阻10R和传输线50R不相等，那么反射回B点的电压为：1V*(-0.67)=-0.67V，-0.67V电压又会到B点，在B点遇到阻抗突变，又会出现全反射，-0.67V又反射回A点，那么此时B点电压为：Vb=之前的2V+反射电压+入射电压=2-0.67-0.67=0.66V，以此类推。

大家将Vb点波形在时间-幅度坐标中画一下，就会发现为什么振铃是忽高忽低的波形了。就是这个反射信号的原因。

那么接下来我就给大家讲一下出现这种现象的时候，怎么解决，或者通常有几种解决方法。

Layou工程师解决+硬件工程师解决

Layout工程师能在尽可能优化的前提下：走线时尽量少打孔以及换层走线，因为打孔，就一定会出现阻抗不匹配，并且走线的时候尽量走Fly-by或者菊花链拓扑型走线。见图5

图5

菊花链走线或者Fly-by走线缺点就是不容易做等长，比如DDR走线，T型容易做等长，这个就需要根据自己实际问题去选择。

走线不要出现直角，锐角，这个为什么不能这样干，这两种方式走线，在拐角处一定会出现阻抗不匹配，大家在纸上画一下就很容易理解，就当是做初中数学题了。

硬件工程师：加端接电阻

端接电阻：有5种（源端串联端接、终端并联端接、戴维南并联、RC端接、二极管端接）。我在工作中比较常用的是源端串联端接，RC端接，二极管端接。我们大家可能最常用的其实就是第一种，下期给大家讲一下这五种端接方法，各自的特点以及应用的场合。

编辑：黄飞