传输线阻抗匹配的方法

　　传输线简介

　　传输线（transmission line）输送电磁能的线状结构的设备。它是电信系统的重要组成部分，用来把载有信息的电磁波，沿着传输线规定的路由自一点输送到另一点。

　　以横电磁 （TEM）模的方式传送电能和（或）电信号的导波结构。传输线的特点是其横向尺寸远小于工作波长。主要结构型式有平行双导线、平行多导线、同轴线、带状线，以及工作于准TEM模的微带线等，它们都可借助简单的双导线模型进行电路分析。各种传输TE模、TM模，或其混合模的波导都可认为是广义的传输线。波导中电磁场沿传播方向的分布规律与传输线上的电压、电流情形相似，可用等效传输线的观点分析。

　　传输线的特性

　　传输线的均匀性

　　传输导体横截面的形状、使用的材料、导体间的间隔和导体周围的介质，在线路的全部长度上都保持均匀不变的，称为均匀传输线。否则便 叫做不均匀传输线。均匀传输线的一次参数均匀地分 布于整个传输线上，其数值不随考察点的位置而变化。

　　传输线在制造和建筑过程中可能出现的偏差，都规定有必要的允许范围。如果出现的不均匀性偏差不 超过这些规定，都可以看作是均匀传输线。

　　性能参数

　　通常用衰减系数、相移系数、特性阻抗，或与之相对应的其它参数来描述。其数值仅与传输线的结构、几何尺寸、制造传输线使用的材料、工作波长（或工作频率）有关，见表。

　　

　　传输线阻抗匹配的方法

　　匹配阻抗的端接有多种方式，包括并联终端匹配、串联终端匹配、戴维南终端匹配、AC终端匹配、肖特基二极管终端匹配。

　　1、并联终端匹配

　　并联终端匹配是最简单的终端匹配技术，通过一个电阻R将传输线的末端接到地或者接到VCC上。电阻R的值必须同传输线的特征阻抗Z0匹配，以消除信号的反射。终端匹配到VCC可以提高驱动器的源的驱动能力，而终端匹配到地则可以提高电流的吸收能力。

　　并联终端匹配技术突出的优点就是这种类型终端匹配技术的设计和应用简便易行，在这种终端匹配技术中仅需要一个额外的元器件；这种技术的缺点在于终端匹配电阻会带来直流功率消耗。另外并联终端匹配技术也会使信号的逻辑高输出电平的情况退化。将TTL输出终端匹配到地会降低VOH的电平值，从而降低了接收器输入端对噪声的免疫能力。

　　

　　对长走线进行并联终端匹配后仿真，波形如下：

　　

　　2、串联终端匹配

　　串联终端匹配技术是在驱动器输出端和信号线之间串联一个电阻，是一种源端的终端匹配技术。驱动器输出阻抗R0以及电阻R值的和必须同信号线的特征阻抗Z0匹配。对于这种类型的终端匹配技术，由于信号会在传输线、串联匹配电阻以及驱动器的阻抗之间实现信号电压的分配，因而加在信号线上的电压实际只有一半的信号电压。

　　而在接收端，由于信号线阻抗和接收器阻抗的不匹配，通常情况下，接收器的输入阻抗更高，因而会导致大约同样幅度值信号的反射，称之为附加的信号波形。因而接收器会马上看到全部的信号电压（附加信号和反射信号之和），而附加的信号电压会向驱动端传递。然而不会出现进一步的信号反射，这是因为串联的匹配电阻在接收器端实现了反射信号的终端匹配。

　　串联终端匹配技术的优点是这种匹配技术仅仅为系统中的每一个驱动器增加一个电阻元件，而且相对于其它的电阻类型终端匹配技术来说，串联终端匹配技术中匹配电阻的功耗是最小的，而且串联终端匹配技术不会给驱动器增加任何额外的直流负载，也不会在信号线与地之间引入额外的阻抗。

　　由于许多的驱动器都是非线性的驱动器，驱动器的输出阻抗随着器件逻辑状态的变化而变化，从而导致串联匹配电阻的合理选择更加复杂。所以，很难应用某一个简单的设计公式为串联匹配电阻来选择一个最合适的值。

　　

　　对长走线进行串联终端匹配后仿真，波形如下：

　　

　　3、戴维南终端匹配

　　戴维南终端匹配技术也叫做双电阻终端匹配技术，采用两个电阻来实现终端匹配，R1和R2的并联组合要求同信号线的特征阻抗Z0匹配。R2的作用是帮助驱动器更加容易地到达逻辑高状态，这通过从VCC向负载注入电流来实现。与此相类似，R1的作用是帮助驱动器更加容易地到达逻辑低状态，这通过R2向地释放电流来实现。

　　在这种匹配方式下，终端匹配电阻同时还作为上拉电阻和下拉电阻来使用，因而提高了系统的噪声容限。戴维南终端匹配技术同样通过向负载提供额外的电流从而有效地减轻了驱动器的负担，另外这种终端匹配技术还能够有效地抑制信号过冲。

　　戴维南终端匹配的一个缺点就是无论逻辑状态是高还是低，在VCC到地之间都会有一个常量的直流电流存在，因而会导致终端匹配电阻中有静态的直流功耗。这种终端匹配技术同样也要求两个匹配电阻之间存在一定的比例关系，同时也存在额外的到电源和地的线路连接。负载电容和电阻（Z0、R1和R2的并联组合）会对信号的上升时间产生影响，提升驱动器的输出电压。

　　

　　对长走线进行戴维南终端匹配后仿真，波形如下：

　　

　　4、终端匹配

　　AC终端匹配技术也称之为RC终端匹配技术，由一个电阻R和一个电容C组成，电阻R和电容C连接在传输线的负载一端。电阻R的值必须同传输线的特征阻抗Z0的值匹配才能消除信号的反射，电容值的选择却十分复杂，这是因为电容值太小会导致RC时间常数过小，这样一来该RC电路就类型于一个尖锐信号沿发生器，从而引入信号的过冲与下冲，另一方面，较大的电容值会带来更大的功率消耗。通常情况下，要确保RC时间常数大于该传输线负载延时的两倍。终端匹配元器件上的功率消耗是频率、信号占空比、以及过去数据位模式的函数。所有这些因素都将影响终端匹配电容的充电和放电特性，从而影响功率消耗。 AC终端匹配技术的优势在于终端匹配电容阻隔了直流通路，因此节省了可观的功率消耗，同时恰当地选取匹配电容的值，可以确保负载端的信号波形接近理想的方波，同时信号的过冲与下冲又都很小。

　　AC终端匹配技术的一个缺点是信号线上的数据可能出现时间上的抖动，这主要取决于在此之前的数据位模式。举例来说，一个较长的类似的位串数据会导致信号传输线和电容充电到驱动器的最高输出电平值。然后，如果紧接着的是一个相位相反的数据位就需要花比正常情况更长的时间来确保信号跨越接收器逻辑阈值电平，这是因为接收器端的电压起自一个很高的电位。

　　

　　对长走线进行RC终端匹配后仿真，波形如下

　　

　　5、肖特基二极管终端匹配

　　肖特基二极管终端匹配技术也称之为二极管终端匹配技术，由两个肖特基二极管组成。传输线末端任何的信号反射，如果导致接收器输入端上的电压超过VCC和二极管的正向偏值电压，该二极管就会正向导通连接到VCC上。该二极管导通从而将信号的过冲箝位到VCC和二极管的阈值电压的和上。

　　同样连接到地上的二极管也可以将信号的下冲限制在二极管的正向偏置电压上。然而该二极管不会吸收任何的能量，而仅仅只是将能量导向电源或者是地。这种工作方式的结果是，传输线上就会出现多次的信号反射。信号的反射会逐渐衰减，主要是因为能量会通过二极管在电源和地之间实现能量的交换，以及传输线上的电阻性损耗。能量的损耗限制了信号反射的幅度，确保信号的完整性。

　　不同于传统的终端匹配技术，二极管终端匹配技术的一个优势就是，肖特基二极管终端匹配无须考虑真正意义上的匹配。所以，当传输线的特征阻抗Z0不清楚时，比较适合采用这种终端匹配技术。同时，在肖特基二极管上的动态导通电阻上消耗的功率远远小于任何电阻类型终端匹配技术的功率消耗。事实上，反射功率的一部分会通过正向偏置的二极管反馈回到VCC或者地，同样也可以在传输线上任何可能引发信号反射的位置加入肖特基二极管。二极管终端匹配技术的缺点是多次信号反射的存在可能会影响后续信号的行为。