阻抗控制部分包括兩部分內(nèi)容：基本概念及阻抗匹配。本篇主要介紹阻抗控制相關(guān)的一些基本概念。

1、阻抗

在具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成，但不是三者簡(jiǎn)單相加。阻抗的單位是歐。在直流電中，物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。

在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會(huì)阻礙電流以外，電容及電感也會(huì)阻礙電流的流動(dòng)，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作容抗及感抗。它們的計(jì)量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外容抗和感抗還有相位角度的問(wèn)題，具有向量上的關(guān)系式，因此阻抗是電阻與電抗在向量上的和。對(duì)于一個(gè)具體電路，阻抗不是不變的，而是隨著頻率變化而變化。在電阻、電感和電容串聯(lián)電路中，電路的阻抗一般來(lái)說(shuō)比電阻大，也就是阻抗減小到最小值。在電感和電容并聯(lián)電路中，諧振的時(shí)候阻抗增加到最大值，這和串聯(lián)電路相反。

阻抗即電阻與電抗的總和，用數(shù)學(xué)形式表示為：

Z=R+jX

Z即阻抗，單位為歐姆Ω

R為電阻，單位為歐姆Ω

X為電抗，單位為歐姆Ω

當(dāng)X>0時(shí)，稱為感性電抗

當(dāng)X=0時(shí)，電抗為0

當(dāng)X<0時(shí)，稱為容性電抗

對(duì)電阻為0的理想純感抗或容抗元件，阻抗強(qiáng)度就是電抗的大小。一般電路的總電抗等于：

X=XL−Xc

其中XL為電路的感抗，Xc為電路的容抗。

感抗(XL)一般是因?yàn)殡娐分写嬖陔姼须娐罚ㄈ缇�圈等），由此產(chǎn)生的變化的電磁場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的阻礙電流流動(dòng)的電動(dòng)力。電流變化越大，即電路頻率越大，感抗越大；當(dāng)頻率變?yōu)?，即成為直流電時(shí)，感抗也變?yōu)?。感抗會(huì)引起電流與電壓之間的相位差。感抗可由下面公式計(jì)算而來(lái)：

XL=ωL=2×π×f×L

XL就是感抗，單位為歐姆Ω

ω是角頻率，單位為弧度/每秒rad/s

f是頻率，單位為赫茲Hz

容抗(Xc)的概念反映了交流電可以通過(guò)電容這一特性，交流電頻率越高，容抗越小，即電容的阻礙作用越小。容抗同樣會(huì)引起電流與電容兩端電壓的相位差。容抗可由下面公式計(jì)算而來(lái)：

Xc=1/(ω×C)=1/(2×π×f×C)

Xc是容抗，單位為歐姆Ω

ω是角頻率，單位為弧度/秒rad/s

f是頻率，單位為赫茲Hz

C是電容，單位為法拉F

2、輸入阻抗

輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(gè)電壓源U，測(cè)量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin=U/I。

輸入阻抗跟一個(gè)普通的電抗元件沒(méi)什么兩樣，它反映了對(duì)電流阻礙作用的大小。

對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路，輸入阻抗越大，表明放大器從信號(hào)源取的電流越小，放大器輸入端得到的信號(hào)電壓也越大，即信號(hào)源電壓衰減的少，對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響。理論基礎(chǔ)：Us=(Rs+Ri)×I。Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，Ri為放大器輸入電阻。因此作為測(cè)量信號(hào)電壓的示波器、電壓表等儀器的放大電路應(yīng)當(dāng)具有較大的輸入電阻。對(duì)于一般的放大電路來(lái)說(shuō)，輸入電阻當(dāng)然是越大越好。如果想從信號(hào)源取得較大的電流，則應(yīng)該使放大器具有較小的輸入電阻。

而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。如果是用電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，則阻抗越小越好(只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問(wèn)題)。另外如果要獲取最大輸出功率時(shí)，也要考慮阻抗匹配問(wèn)題。

3、輸出阻抗

無(wú)論信號(hào)源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問(wèn)題。輸出阻抗就是一個(gè)信號(hào)源的內(nèi)阻。本來(lái)，對(duì)于一個(gè)理想的電壓源（包括電源），內(nèi)阻應(yīng)該為0，或理想電流源的阻抗應(yīng)當(dāng)為無(wú)窮大。輸出阻抗在電路設(shè)計(jì)時(shí)最需要特別注意。

但現(xiàn)實(shí)中的電壓源，則不能做到這一點(diǎn)。我們常用一個(gè)理想電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻r的方式來(lái)等效一個(gè)實(shí)際的電壓源。這個(gè)跟理想電壓源串聯(lián)的電阻r，就是（信號(hào)源/放大器輸出/電源）的內(nèi)阻了。當(dāng)這個(gè)電壓源給負(fù)載供電時(shí)，就會(huì)有電流I從這個(gè)負(fù)載上流過(guò)，并在這個(gè)電阻上產(chǎn)生I×r的電壓降。這將導(dǎo)致電源輸出電壓的下降，從而限制了最大輸出功率。同樣的，一個(gè)理想的電流源，輸出阻抗應(yīng)該是無(wú)窮大，但實(shí)際的電路是不可能的。

輸出電阻用來(lái)衡量放大器在不同負(fù)載條件下維持輸出信號(hào)電壓（或電流）恒定能力的強(qiáng)弱，稱為其帶負(fù)載能力。當(dāng)放大器將放大了的信號(hào)輸出給負(fù)載電阻RL時(shí)，對(duì)負(fù)載RL來(lái)說(shuō)，放大器可以等效為具有內(nèi)阻Ro的信號(hào)源，由這個(gè)信號(hào)源向RL提供輸出信號(hào)電壓和輸出信號(hào)電流。Ro稱為放大器的輸出電阻，它是從放大器輸出端向放大器本身看入的交流等效電阻。如果輸出電阻Ro很小，滿足Ro<<RL條件，則當(dāng)RL在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，就可基本維持輸出信號(hào)電壓的恒定。反之，如果輸出電阻Ro很大，滿足Ro>>RL條件，則當(dāng)RL在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，就可維持輸出信號(hào)電流的恒定。如手機(jī)電池，它的內(nèi)阻可以等效看作輸出電阻，用了幾年后，內(nèi)阻高了，也就要報(bào)廢了，因?yàn)閹Р粍?dòng)外面的東西。

• CMOS電路的輸出阻抗一般為17歐姆or 10歐姆（輸出高電平和輸出低電平不一樣！！！輸出高電平時(shí)輸出阻抗為R_PMOS，輸出低電平時(shí)輸出阻抗為R_NMOS，由于R_PMOS大于R_NMOS，這是由MOS管的工藝決定的）。
• TTL電路輸出電阻大概為13歐姆左右。

4、奇模/偶模、差分/共模、奇模阻抗/共模阻抗、差分阻抗/共模阻抗

針對(duì)上述幾個(gè)基本概念解釋定義如下：

• 奇模和偶模是指差分對(duì)的特殊的固有模態(tài)。當(dāng)差分線上有相反的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)的模態(tài)稱為奇模；當(dāng)差分線上有相同的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)的模態(tài)稱為偶模。
• 差分和共模是指加在差分對(duì)上的特殊信號(hào)。任意信號(hào)之間的差分分量是指兩信號(hào)線之間的電壓差，共模分量是指兩信號(hào)線之間電壓的平均值。對(duì)于差分對(duì)而言，差分信號(hào)以奇模方式傳播，以奇模方式傳播的電壓分量Vodd就是信號(hào)的差分分量；共模信號(hào)以偶模方式傳播，以偶模方式傳播的電壓分量Veven就是信號(hào)的共模分量。
• 奇模（偶模）阻抗是指當(dāng)差分對(duì)被驅(qū)動(dòng)成奇模（偶模）模態(tài)時(shí)的阻抗。奇模電壓分量和偶模電壓分量在傳輸線中傳播的過(guò)程是完全能獨(dú)立的，沒(méi)有相互作用，兩個(gè)信號(hào)分量在每條信號(hào)走線及其返回路徑之間會(huì)看到不同的阻抗，即奇模阻抗和偶模阻抗。
• 差分阻抗是指差分信號(hào)沿差分對(duì)傳播時(shí)受到的阻抗，共模阻抗是指共模信號(hào)沿差分對(duì)傳播時(shí)受到的阻抗。

奇模和偶模是相對(duì)于地來(lái)說(shuō)的，以地作為參考面。而差分線是相對(duì)于2根線之間的關(guān)系來(lái)說(shuō)的。

對(duì)于差分信號(hào)來(lái)說(shuō)，差分阻抗是奇模阻抗的2倍。

對(duì)于共模信號(hào)來(lái)說(shuō)，共模阻抗是偶模阻抗的一半。

5、特征阻抗（Characteristic Impedance）
特征阻抗是指信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，信號(hào)看到的瞬時(shí)阻抗的值。特征阻抗與PCB導(dǎo)線所在的板層、PCB所用的材質(zhì)（介電常數(shù)）、走線寬度、導(dǎo)線與平面的距離等因素有關(guān)，與走線長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。特征阻抗可以用Polar Si9000軟件計(jì)算。高速PCB布線中，一般把數(shù)字信號(hào)的走線阻抗設(shè)計(jì)為50歐姆，這是個(gè)大約的數(shù)字。一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，雙絞線（差分）為100歐姆。

下表是一些常見的單端/差分信號(hào)特征阻抗值。

在高速信號(hào)中，我們經(jīng)常把差分阻抗控制在100歐姆，單端控制在50歐姆，為何不是其他的阻值呢？有人說(shuō)，是因?yàn)樾酒�匹配要求的。那么芯片為何要把匹配做�?0歐姆（100歐姆）呢？

因?yàn)椋�特征阻抗�?0歐姆的時(shí)候，頻率響應(yīng)特性很好，但是傳輸損耗比較大。而75歐姆的特性阻抗的情況下，傳輸損耗比較小，但是頻率特性比較差。于是最終折中到50歐姆上。

這就可以理解2M同軸線、155M同軸線都是75歐姆，而不是50歐姆的原因，是為了減少損耗，提高傳輸距離。