阻抗匹配(這樣更容易理解阻抗匹配！)

阻抗匹配是指信號(hào)傳輸過(guò)程中負(fù)載阻抗與源阻抗之間的特定匹配關(guān)系。一臺(tái)設(shè)備的輸出阻抗與連接的負(fù)載阻抗之間應(yīng)滿足一定的關(guān)系，以避免負(fù)載連接后對(duì)設(shè)備本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響。對(duì)于低頻電路和高頻電路，阻抗匹配有很大的不同。

在了解阻抗匹配之前，我們必須先了解輸入阻抗和輸出阻抗。

一、輸入阻抗

輸入阻抗是指電路輸入的等效阻抗。在輸入端加一個(gè)電壓源U，測(cè)量輸入端的電流I，那么輸入阻抗Rin就是U/I，你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端，這個(gè)電阻的電阻就是輸入阻抗。

輸入阻抗與普通電抗元件沒(méi)有什么不同，它反映了電流阻斷效應(yīng)的大小。對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)電路，輸入阻抗越大，電壓源上的負(fù)載越輕，因此更容易驅(qū)動(dòng)，不會(huì)影響信號(hào)源。對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)電路，輸入阻抗越小，電流源的負(fù)載越輕。因此，我們可以認(rèn)為，如果由電壓源驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗越大越好；如果是電流源驅(qū)動(dòng)，阻抗越小越好(注意:只適合低頻電路，高頻電路也要考慮阻抗匹配)。此外，如果要獲得最大輸出功率，還應(yīng)考慮阻抗匹配。

二、輸出阻抗

無(wú)論是信號(hào)源、放大器還是電源，都存在輸出阻抗的問(wèn)題。輸出阻抗是信號(hào)源的內(nèi)阻。本來(lái)，對(duì)于理想的電壓源(包括電源)，內(nèi)阻應(yīng)該為零，或者理想電流源的阻抗應(yīng)該無(wú)窮大。但是現(xiàn)實(shí)中的電壓源做不到這一點(diǎn)。我們經(jīng)常使用與電阻R串聯(lián)的理想電壓源，以等效于實(shí)際電壓源。與理想電壓源串聯(lián)的電阻R是內(nèi)阻(信號(hào)源/放大器輸出/電源)。當(dāng)電壓源給負(fù)載供電時(shí)，電流I會(huì)流過(guò)負(fù)載，電阻上會(huì)出現(xiàn)I×r的壓降。這會(huì)導(dǎo)致電源的輸出電壓下降，從而限制最大輸出功率(限制最大輸出功率的原因請(qǐng)參考后面的“阻抗匹配”問(wèn)題)。同樣，理想電流源的輸出阻抗應(yīng)該是無(wú)窮大，但實(shí)際電路是不可能的。

三.感應(yīng)淬火

阻抗匹配是指信號(hào)源或傳輸線與負(fù)載之間合適的匹配方法。阻抗匹配可分為低頻和高頻。讓我們從驅(qū)動(dòng)負(fù)載的DC電壓源開(kāi)始。因?yàn)閷?shí)際電壓源總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源和一個(gè)理想電壓源等效串聯(lián)一個(gè)電阻R，假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源的電動(dòng)勢(shì)為U，內(nèi)阻為R，那么我們可以計(jì)算出流經(jīng)電阻R的電流為I=U/(R+r)，可以看出負(fù)載電阻R越小，輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為:Uo=IR=U/[1+(r/R)]?？梢钥闯觯?fù)載電阻R越大，輸出電壓Uo越高。讓我們?nèi)缦掠?jì)算電阻R消耗的功率:

p = I2×R =[U/(R+R)]2×R = U2×R/(R2+2×R×R+R2)

=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]

=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

對(duì)于給定的信號(hào)源，它的內(nèi)阻R是固定的，而負(fù)載電阻R是我們自己選擇的。注意在公式[(R-r)2/R]中，當(dāng)R=r時(shí)，[(R-r)2/R]可以得到最小值0，然后在負(fù)載電阻R上可以得到最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)，即當(dāng)負(fù)載電阻等于信號(hào)源內(nèi)阻時(shí)，負(fù)載可以得到最大輸出功率，這也是我們常說(shuō)的阻抗匹配之一。這個(gè)結(jié)論同樣適用于低頻電路和高頻電路。當(dāng)交流電路含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論就變了，即信號(hào)源的實(shí)部與負(fù)載阻抗應(yīng)相等，虛部應(yīng)相反，稱(chēng)為共軛匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配，只考慮信號(hào)源和負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長(zhǎng)與傳輸線相比非常長(zhǎng)，傳輸線可以視為“短線”，反射可以忽略不計(jì)(可以理解，即使線很短，也會(huì)和原始信號(hào)一樣)。

從上面的分析可以得出結(jié)論，如果需要大的輸出電流，應(yīng)該選擇小負(fù)載R；如果我們需要大的輸出電壓，選擇大負(fù)載R；如果我們需要最大輸出功率，選擇與信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時(shí)阻抗不匹配還有另一層含義。例如，一些儀器輸出是在特定負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的。如果負(fù)載條件發(fā)生變化，可能無(wú)法達(dá)到原來(lái)的性能。這時(shí)，我們也稱(chēng)之為阻抗失配。

在高頻電路中，我們還必須考慮反射。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，信號(hào)的波長(zhǎng)很短。當(dāng)波長(zhǎng)與傳輸線的長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，反射信號(hào)在原始信號(hào)上的疊加會(huì)改變?cè)夹盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特性阻抗與負(fù)載阻抗不相等(即不匹配)，負(fù)載端就會(huì)發(fā)生反射。

阻抗失配時(shí)為什么會(huì)發(fā)生反射以及特征阻抗的求解方法涉及到二階偏微分方程的求解。這里不贅述，但可以參考電磁場(chǎng)和微波方面書(shū)籍中的傳輸線理論，以引起興趣。

傳輸線的特性阻抗(也稱(chēng)特征阻抗)由傳輸線的結(jié)構(gòu)和材料決定，與傳輸線的長(zhǎng)度、信號(hào)的幅度和頻率等無(wú)關(guān)。比如常見(jiàn)的CCTV同軸電纜的特性阻抗為75ω，而一些射頻設(shè)備中常用的是50ω同軸電纜的特性阻抗。另一種常見(jiàn)的傳輸線是特征阻抗為300ω的扁平平行線，常見(jiàn)于農(nóng)村地區(qū)使用的電視天線架，用作八木天線的饋線。因?yàn)殡娨暀C(jī)射頻輸入端的輸入阻抗是75ω，所以300ω饋線不會(huì)匹配。如何在實(shí)踐中解決這個(gè)問(wèn)題？不知道大家有沒(méi)有注意到，電視機(jī)的配件中有一個(gè)300ω到75ω的阻抗轉(zhuǎn)換器(一端有圓形插頭的塑料包裝，大概兩個(gè)拇指大小)。

它實(shí)際上是一個(gè)傳輸線變壓器，將300 ω的阻抗轉(zhuǎn)換為75 ω，這樣就可以匹配了。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，特征阻抗不是我們通常理解的與電阻相關(guān)的概念，它與傳輸線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，也不能用歐姆表來(lái)測(cè)量。

為了避免反射，負(fù)載阻抗應(yīng)等于傳輸線的特征阻抗，即傳輸線的阻抗匹配。阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果？如果它們不匹配，就會(huì)形成反射，能量傳輸就不會(huì)通過(guò)，效率就會(huì)降低。傳輸線上會(huì)形成駐波(簡(jiǎn)單理解，信號(hào)有的地方強(qiáng)，有的地方弱)，導(dǎo)致傳輸線有效功率容量降低；電力無(wú)法發(fā)射，甚至發(fā)射設(shè)備也會(huì)損壞。如果電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、輻射干擾等。

當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，有哪些方法使其匹配？首先，考慮使用變壓器進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面提到的電視機(jī)中的例子一樣。其次，我們可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感，這是射頻電路調(diào)試中經(jīng)常用到的。第三，我們可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻。一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗相對(duì)較低，因此可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來(lái)匹配傳輸線，例如高速信號(hào)線，有時(shí)可以串聯(lián)幾十歐姆的電阻。但是有些接收機(jī)的輸入阻抗比較高，可以采用并聯(lián)電阻的方法來(lái)匹配傳輸線。例如，485總線接收器通常在數(shù)據(jù)線端并聯(lián)一個(gè)120歐姆的匹配電阻。(始端串聯(lián)匹配，終端并聯(lián)匹配)

為了幫助大家理解阻抗失配時(shí)的反射問(wèn)題，我舉兩個(gè)例子:假設(shè)你在練拳擊——打沙袋。如果是重量和硬度合適的沙袋，你會(huì)覺(jué)得很舒服。但是，如果有一天我把沙袋弄亂了，比如沙袋換成了鐵砂，你還是用之前的力打它，你的手可能會(huì)受不了——這就是過(guò)載的情況，會(huì)產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我換成很輕的東西，你可能會(huì)跳空而且你的手可能一拳就受不了——這就是輕載的情況。

附:阻抗匹配的四種處理方法

當(dāng)傳輸路徑上的阻抗不連續(xù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射。阻抗匹配的功能是通過(guò)端接元件來(lái)消除傳輸鏈路上的反射。的常見(jiàn)阻抗匹配如下:

一、串聯(lián)終止方式

一個(gè)電阻串聯(lián)在輸出端附近。為了達(dá)到匹配效果，串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)器端的輸出阻抗之和應(yīng)該等于傳輸線的特性阻抗Z0。

在通常的數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中，器件的輸出阻抗通常在十幾歐姆到二十幾歐姆之間，傳輸線的阻抗通?？刂圃?0歐姆，因此開(kāi)始時(shí)的匹配電阻通常為33歐姆。

當(dāng)然，為了達(dá)到良好的匹配效果，從驅(qū)動(dòng)器輸出到串聯(lián)電阻的傳輸路徑應(yīng)該足夠短，以忽略這條傳輸線的影響。

串聯(lián)電阻的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

(1)優(yōu)勢(shì)

1.只需要一個(gè)電阻；

2.無(wú)冗余DC功耗；

3.消除驅(qū)動(dòng)端的二次反射；

4.不受接收端負(fù)載變化的影響；

(2)缺點(diǎn)

1.來(lái)自接收器的一個(gè)傳輸仍然存在；

2.信號(hào)邊沿會(huì)有一些變化；

3.電阻應(yīng)靠近驅(qū)動(dòng)端放置，不適合雙向信號(hào)傳輸；

4.線上傳輸?shù)碾妷菏球?qū)動(dòng)電壓的一半，不適合菊花鏈的多類(lèi)型負(fù)載結(jié)構(gòu)。

二、并行終止模式

并行端接也稱(chēng)為終端匹配。為了滿足阻抗匹配的要求，終端電阻應(yīng)等于傳輸線的特性阻抗Z0。

在通常的數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，接收端的阻抗范圍從幾兆字節(jié)到十幾兆字節(jié)。如果終端匹配電阻等于傳輸線的特性阻抗，與接收端阻抗并聯(lián)后的阻抗大致在傳輸線的特性阻抗附近，那么終端的反射系數(shù)為0。不會(huì)發(fā)生反射，但是終端的初級(jí)反射將被消除。

并聯(lián)終端的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

(1)優(yōu)勢(shì)

1、適用于多種負(fù)載

2.只需要一個(gè)電阻，電阻值容易選擇。

(2)缺點(diǎn)

1.DC功耗增加

2.并聯(lián)終端可以上拉至電源，也可以下拉至地。如果是低電平增加或高電平降低，噪聲容限將會(huì)降低。

三.交流并聯(lián)終端

并聯(lián)終端為了消除DC功耗，可以采用如下所示的交流并聯(lián)終端(交流終端匹配)。為了滿足匹配要求，終端電阻應(yīng)等于傳輸線的特性阻抗Z0。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)描述如下:

(1)優(yōu)勢(shì)

1、適用于多種負(fù)載

2.DC電力消耗沒(méi)有增加

(2)缺點(diǎn)

1.需要兩個(gè)設(shè)備。

2.終端的容性負(fù)載增加，由RC電路引起的延遲增加。

3.對(duì)周期信號(hào)(如時(shí)鐘)有效，不適用于非周期信號(hào)(如數(shù)據(jù))。

第四，大衛(wèi)在南端相遇。

大衛(wèi)的南方終端與終端匹配，如下圖所示。為了滿足匹配要求，終端的電阻并聯(lián)值應(yīng)等于傳輸線的特性阻抗Z0。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)描述:

(1)優(yōu)勢(shì)

1、適用于多種負(fù)載

2.非常適合SSTL/HSTL電平上拉或下拉輸出阻抗平衡良好的情況。

(2)缺點(diǎn)

1.DC電力消耗增加

2.需要兩個(gè)設(shè)備。

3.如果終端電阻上拉至電源或下拉至地，低電平將升高或高電平將降低。

4.電阻值很難選擇。如果電阻值小，低電平會(huì)增加，高電平會(huì)下降得更厲害。電阻值大可能會(huì)導(dǎo)致匹配不完全，增加反射，這可以通過(guò)仿真來(lái)確定。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的阻抗匹配（这样理解阻抗匹配比较容易懂！）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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