阻抗不匹配产生反冲过冲的原因

　　一位头条朋友说：非常喜欢您的文章，每个都看点赞。上个文章也说了阻抗匹配，这个文章也说了，可是我还是不懂，阻抗不匹配为何会反冲过冲这些。平常只知道电池给负载，无论负载多大，电源都供电，这里面有没有什么阻抗匹配。需要理解一下什么是过冲。
　　问：为什么会出现过冲。
　　答：无论什么电路，连接线长和负载比起来短很多时，信号不会出现反射，信号不会出现过冲。同样无论什么电路，连接线长和负载比起来长很多时，信号会出现反射，信号叠加便要考虑信号不会出现过冲。这也是，高频高速电路几厘米传输时都要考虑阻抗匹配的问题。
　　问：问什么阻抗不匹配，信号会反射，造成信号叠加出现过冲的呢？
　　答：。..。..
　　1、我们来说一下，为什么要阻抗匹配
　　
　　图2、阻抗器件
　　阻抗从字面上看就与电阻不一样，通俗一点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。
　　在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻。但在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。
　　阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。
　　我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源，总是有内阻的，我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。
　　对于纯电阻电路，此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共轭匹配。例如天线再为一个负载时，他的阻抗为50欧姆，那么我们希望我们的传输线加源端内阻正好可以和它达成50欧姆的共轭匹配状态，以求天线的功率最大。

　　为什么要考虑传输线的线长和工作频率呢。
　　在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。
　　例如，正弦电源频率为1MHz时，电压波长为94.86m。加入连接线长度为1.5m，在如此短的尺度内，电压的空间变化是不明显的，整个导线的电压处处是一直的，基尔霍夫定律是使用的。假如把频率提高到10GHz时，情况便明显不同了，此时的波长降为0.949cm.加入传输线还是1.5cm。那么这么长的导线上的电压便处处不同了，空间位置就成了确定的信号了，基尔霍夫定律（集中参数理论）变无法适用了。
　　这边是集中参数理论与分布参数理论的区别：当电路元件的特征尺寸超过电磁波波长的十分之一时，基尔霍夫电路理论必须由分布参数的波动理论代替。
　　在高频电路中，我们一般考虑传输线的匹配问题，因为低频信号的波长相对于传输线来说很短，传输线无法看成是“长线”，反射就要考虑。在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配（相等）时，在负载端就会产生反射。

　　为什么阻抗不匹配时会产生反射。
　　长线是几何长度与工作波长可相比拟的传输线，需用分布参数电路。
　　短线是几何长度与工作波长相比可忽略不计的线，用集总参数电路表示。
　　3.1、何谓传输线特性阻抗
　　以微波工作的传输线，长度比波长长，传输线导体上存在损耗电阻R，导体间电容C，漏电导G。这些参数在高频时呈现出对能量和信号传输的影响，他们的影响分布在传输线的每一点，故称作分布参数。R，L.C.G分别叫分布电阻，分布电感，分布电容，分布电导。从均匀到非均匀均匀传输线，取一小段线元，视作集总参数电路，得到等效电路
　　图3、每一小段应用基尔霍夫定律
　　省去推导过程得到传输线方程：
　　公式1、每一小段的电压电流变化即线上任一点的电压电流关系
　　对以上求解，省去求解过程得；
　　公式2、传输线电压电流标示公式3、传播系数
　　电压除以电流达到每一小段的阻抗即为特性阻抗：
　　公式4/5、特性阻抗
　　特性阻抗可以认为事宜纯电阻仅仅与传输线的尺寸、形状、形式有关，而与频率无关。
　　3.2、反射系数
　　A1，A2为常数，其值决定于传输线始端与终端电压电流的条件。下面我们着重讨论在知道终端电压电流的条件时，讨论沿线电压电流的表达式。
　　图4、传输线压线电压电流
　　得到：
　　公式6、得A1，A2参数
　　最后推导可得：
　　公式7、传输线上任一点的电压电流方程
　　同时认为：
　　入射波分量和反射波分量、
　　当ZL=Z0时，即反射波=0，便不会与入射波重叠，即不会出现过冲欠冲。
　　最后传输线上可得任一点的电压电流：
　　公式8、传输线上任一点的电压电流
　　即是：
　　公式9、传输线上任一点的电压电流入射与反射的分量
　　反射系数表达式：
　　公式10、传输线上反射系数
　　带入已知条件得：
　　公式11、传输线上反射系数公式11、传输线功率传递
　　当：阻抗匹配时，即Zl=Z0时，效率最高。
　　从以上推导可得，
　　当：阻抗匹配时，即Zl=Z0时，效率最高，反射波=0，不会与入射波叠加即出现过冲或欠冲。
　　反射就是在传输线上的回波，如果传输线的长度满足长线时，且没有合适的终端匹配，那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射，从而引起非预期效应，使信号轮廓失真。反射是传输线的基本效应，即当信号沿着传输线传输时，碰到阻抗不连续时会发生反射。当信号在传输时，碰到了比目前高的阻抗时会发生正向发射，使得信号边沿的幅度增加，信号边沿会出现过冲。过冲就是指接收信号的第一个峰值或者谷值超过了设定电压，对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压；对于下降沿是指第一个谷值超过了最低电压。当信号在传输时碰到比目前阻抗低时，会产生负向反射，使得信号边沿的幅度减小，信号边沿出现台阶，即欠冲。严重时，可能会产生假时钟信号，导致系统的读写出现误读或者误写等操作。