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什么是"阻抗匹配"?阻抗匹配不良的后果你知道吗? 1

什么是"阻抗匹配"?阻抗匹配不良的后果你知道吗? 1

二、将讯号的传输看成软管送水浇花

2.1数位系统之多层板讯号线(SignalLine)中,当出现方波讯号的传输时,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(SquareWave)讯号(Signal)在多层板传输线(TransmissionLine,系由讯号线、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CoaxialCable,与微带线MicrostripLine或带线StripLine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(CharacteristicImpedance),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“讯号”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,则该讯号线本身所具备的“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,减少杂讯干扰,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,进而形成反射杂讯(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28ohm的设计数值。也唯有在此种Z0=Zt的匹配情形下,讯号的传输才会最具效率,其“讯号完整性”(SignalIntegrity,为讯号品质之专用术语)也才最好。

四、特性阻抗(CharacteristicImpedance)

4.1当某讯号方波,在传输线组合体的讯号线中,以高准位(HighLevel)的正压讯号向前推进时,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讯号伴随前行(等于正压讯号反向的回归路径ReturnPath),如此将可完成整体性的回路(Loop)系统。该“讯号”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讯号线、介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值(InstantaniousImpedance),此即所谓的“特性阻抗”。是故该“特性阻抗”应与讯号线之线宽(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讯号的“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,将可使得杂讯减少,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,例如讯号线出现缺口时,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,则其讯号的能量必然会发生部分前进,而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避免杂讯及误动作了。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阻抗匹配不良造成杂讯上述部分讯号能量的反弹,将造成原来良好品质的方波讯号,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)。此等高频杂讯严重时还会引发误动作,而且当时脉速度愈快时杂讯愈多也愈容易出错。
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