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  • 阻抗匹配是什么意思?阻抗匹配原理详解

    万次阅读 多人点赞 2019-06-12 20:00:53
    阻抗匹配是什么意思_阻抗匹配原理详解 -------本文轉載自<http://m.elecfans.com/article/671550.html>  本文主要详解什么是阻抗匹配,首先介绍了输入及输出阻抗是什么,其次介绍了阻抗匹配的原理,最后...

                           阻抗匹配是什么意思_阻抗匹配原理详解

                                             -------本文轉載自<http://m.elecfans.com/article/671550.html>

      本文主要详解什么是阻抗匹配,首先介绍了输入及输出阻抗是什么,其次介绍了阻抗匹配的原理,最后阐述了阻抗匹配的应用领域,具体的跟随小编一起来了解一下吧。

      一、输入阻抗

      输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的阻值,就是输入阻抗。

      输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样,它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。因此,我们可以这样认为:如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(注:只适合于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题),另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑 阻抗匹配问题

      二、输出阻抗

      无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来,对于一个理想的电压源(包括电源),内阻应该为0,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。但现实中的电压源,则不能做到这一点。我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r,就是(信号源/放大器输出/电源)内阻了。当这个电压源给负载供电时,就会有电流 I 从这个负载上流过,并在这个电阻上产生 I×r 的电压降。这将导致电源输出电压的下降,从而限制了最大输出功率(关于为什么会限制最大输出功率,请看后面的“阻抗匹配”一问)。同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际的电路是不可能的。

      三、阻抗匹配

      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。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。 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,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为:I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。负载R上的电压为:Uo=IR=U/[1+(r/R)],可以看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为:

      

      对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R],当R=r时,[(R-r)2/R]可取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即,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。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,这叫做共扼匹配。在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,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)。从以上分析我们可以得出结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我们也会叫做阻抗失配。

      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相等(即不匹配)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以及特征阻抗的求解方法,牵涉到二阶偏微分方程的求解,在这里我们不细说了,有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线,这在农村使用的电视天线架上比较常见,用来做八木天线的馈线。因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω,所以300Ω的馈线将与其不能匹配。

      实际中是如何解决这个问题的呢?不知道大家有没有留意到,电视机的附件中,有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器(一个塑料封装的,一端有一个圆形的插头的那个东东,大概有两个大拇指那么大)。它里面其实就是一个传输线变压器,将300Ω的阻抗,变换成75Ω的,这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点的是,特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念,它与传输线的长度无关,也不能通过使用欧姆表来测量。影響特征電阻的因素有很多,比如倒顯得材料和導線與地板之間的距離。为了不产生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等,这就是传输线的阻抗匹配,如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢?如果不匹配,则会形成反射,能量传递不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,辐射干扰等。

      当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢?第一,可以考虑使用变压器来做阻抗转换,就像上面所说的电视机中的那个例子那样。第二,可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用。第三,可以考虑使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低,可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配,例如高速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高,可以使用并联电阻的方法,来跟传输线匹配,例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。(始端串联匹配,终端并联匹配)

      为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题,我来举两个例子:假设你在练习拳击——打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包,你打上去会感觉很舒服。但是,如果哪一天我把沙包做了手脚,例如,里面换成了铁沙,你还是用以前的力打上去,你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况,会产生很大的反弹力。相反,如果我把里面换成了很轻很轻的东西,你一出拳,则可能会扑空,手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况

      四、阻抗匹配的原理

      阻抗匹配的基本原理:

      1、纯电阻电路

      在中学物理电学中曾讲述这样一个问题:把一个电阻为R的用电器,接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上,在什么条件下电源输出的功率最大呢?当外电阻等于内电阻时,电源对外电路输出的功率最大,这就是纯电阻电路的功率匹配。假如换成交流电路,同样也必须满足R=r这个条件电路才能匹配。

                                                   

       2、电抗电路

      电抗电路要比纯电阻电路复杂,电路中除了电阻外还有电容和电感。元件,并工作于低频或高频交流电路。在交流电路中,电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻抗,用字母Z表示其中,电容和电感对交流电的阻碍作用,分别称为容抗及和感抗而。容抗和感抗的值除了与电容和电感本身大小有关之外,还与所工作的交流电的频率有关。值得注意的是,在电抗电路中,电阻R,感抗而与容抗双的值不能用简单的算术相加,而常用阻抗三角形法来计算(见图 2)。因而电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些,除了输人和输出电路中的电阻成分要求相等外,还要求电抗成分大小相等符号相反(共轭匹配);或者电阻成分和电抗成分均分别相等(无反射匹配)。这里指的电抗X即感抗XL和容抗XC之差(仅指串联电路来讲,若并联电路则 计算更为复杂)。满足上述条件即称为阻抗匹配,负载即能得到最大的功率。

      阻抗匹配的关键是前级的输出阻抗与后级的输人阻抗相等。而输人阻抗与输出阻抗广泛 存在于各级电子电路、各类测量仪器及各种电子元器件中。那么什么是输人阻抗和输出阻抗呢?输人阻抗是指电路对着信号源讲的阻抗。如图3所示的放大器,它的输人阻抗就是去掉信号源E及内电阻r时,从AB两端看进去的等效阻抗。其值为Z=UI/I1, 即输人电压与输人电流之比。对于信号源来讲,放大器成为其负载。从数值上看,放大器的等效负载值即为输人阻抗值。输人阻抗值的大小,对于不同的电路要求不 一样。

      例如:万用表中电压挡的输人阻抗(称为电压灵敏度)越高,对被测电路的分流就越小,测量误差也就小。而电流挡的输人阻抗越低,对被测电路的分压就越 小,因而测量误差也越小。对于功率放大器,当信号源的输出阻抗与放大电路的输人阻抗相等时即称阻抗匹配,这时放大电路就能在输出端获得最大功率。输出阻抗 是指电路对着负载讲的阻抗。如图4中,将电路输人端的电源短路,输出端去掉负载后,从输出端CD看进去的等效阻抗称为输出阻抗。如果负载阻抗与输出阻抗不相等,称阻抗不匹配,负载就不能获得最大的功率输出。输出电压U2和输出电流I2之 比即称为输出阻抗。输出阻抗的大小视不同的电路有不同的要求。

      例如:电压源要求输出阻抗要低,而电流源的输出阻抗要高。对于放大电路来讲,输出阻抗的值表 示其承担负载的能力。通常输出阻抗小,承担负载的能力就强。如果输出阻抗与负载不能匹配时,可加接变压器或网络电路来达到匹配。例如:晶体管放大器与扬声 器之间通常接有输出变压器,放大器的输出阻抗与变压器的初级阻抗相匹配,变压器的次级阻抗与扬声器的阻抗相匹配。而变压器通过初次级绕组的匝数比来变换阻 抗比。在实际的电子电路中,常会遇到信号源与放大电路或放大电路与负载的阻抗不相等的情况,因而不能把它们直接相连。解决的办法是在它们之间加人一个匹配 电路或匹配网络。最后要说明一点,阻抗匹配仅适用于电子电路。因为电子电路中传输的信号功率本身较弱,需用匹配来提高输出功率。而在电工电路中一般不考虑 匹配,否则会导致输出电流过大,损坏用电器。

      五、阻抗匹配的应用

      对于一般的高频信号领域,比如时钟信号,总线信号,甚至高达几百兆的DDR信号等,一般器件的收发端的感抗和容抗都比较小,相对电阻(即阻抗中的实部) 来说可以忽略不记,这时,阻抗匹配就只需要考虑实数部分就可以了。

      在射频领域,很多器件如天线,功放等其输入输出阻抗是非实数的(非纯电阻),并且其虚部(容抗或者感抗) 很大以至于不可忽略,这时就要采用共轭匹配的方法。

                                                                                                           

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  • 阻抗匹配原理

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    阻抗匹配原理
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    阻抗匹配原理解释:

    一个比较容易理解的阻抗匹配原理解释 - 北极星 - xiebingsuccess的博客

    一个比较容易理解的阻抗匹配原理解释 - 北极星 - xiebingsuccess的博客

      一个比较容易理解的阻抗匹配原理解释 - 北极星 - xiebingsuccess的博客

    一些基础知识:

    内阻对电源到底有啥影响?真相只有一个!

    在学习电流源和电压源时,关于电源内阻的问题经常会困惑很多人,只记得电压源与外界负载连接时认为内阻是和外界负载串联;电流源与外界负载连接时认为内阻是和外界负载并联,使用时要求电压源内阻越小越好,电流源内阻越大越好!并不理解为什么?内阻这个东西到底对电源的影响是什么?为什么要内阻和外界负载相匹配电源输出才能达到最大功率?

    一、基本概念

    1、电路由电源和负载构成;

    2、电路分成内电路和外电路两部分,电源电路就是内电路;

    3、电流通过电源内电路时也有电阻,这个电阻叫内电阻;

    4、电流在内电阻上同样要消耗电能发热;

    5、作为电源,内阻上的消耗不仅是一种的浪费,而且会使电源本身温升,严重时会损坏电源!

    6、电源的内阻是实实在在导体电阻!

    二、内阻和外界负载相匹配电源输出才能达到最大功率,为什么?

    1、电源的功能有两种情况:

    一是作为负载的能源,既我们说的电力电源;

    二是作为负载的信息源,既我们说的“信号源”;作为电力电源,我们希望电源内阻越小越好,即内阻消耗小而输出高,也就是效率要高;例如供电系统,作为电源的发电机、变压器等要内阻小。作为信号源,我们要求输出的信号功率越大越好,例如我们要喇叭的声音“洪亮”;

    2、什么时候信号源的输出功率最大,既喇叭最响?

    (1)在信号源内阻一定的情况下,当负载的电阻大于内阻时,且越来越大时,虽然内阻消耗的能量小于负载,但总信号功率下降,负载得到的信号功率要下降,用数学的观点说就是“减函数”;

    (2)在信号源内阻一定的情况下,当负载的电阻小于内阻时,且越来越小时,虽然总信号功率上升,但内阻消耗的能量大于负载,负载得到的信号功率要下降,用数学的观点说就是“增函数”;

    (3)在信号源内阻一定的情况下,只有当负载的电阻等于内阻时,内阻消耗的能量等于负载的能量,负载得到的信号功率最大,是总信号功率的50%,用数学的观点说就是“最大值”;

    三、电压源要求内阻越小越好,电流源要求内阻越大越好!

    1、在对复杂电路分析求解时,我们要把实际电源电路等效化间成理想电源;实际电源的主要参数就是内阻和电动势;而理想化的电源有两种:

    (1)一种是电压源,在电路中有不变的端电压,又叫恒压源;

    (2)一种是电流源,在电路中有不变的电流,又叫恒流源;把电路中的实际电源直接换成理想电源,是不等效的;可以把实际电源等效变化成一个电压源串联一个内阻,或者等效成一个电流源并联一个电阻;经过等效变化,使电路的各元件之间的关系变成间单的串并联关系,从而把复杂电路化成简单电路;

    2、如何理解“理想的恒压源、恒流源”呢?我们大家都知道实际电源:

    (1)有内阻;

    (2)有不变的电动势;

    (3)在电路中端电压、端电流随负载而变化;

    3、在什么情况下可以把实际电源等效化成“理想的恒压源、恒流源”?

    (1)当电路的负载电阻与内阻相比大的多,或者说内阻小的多可以忽略不计时,可以看成端电压恒定的电压源;

    (2)当电路的负载电阻与内阻相比小的多,或者说内阻大的多到无穷大时,可以看成端电流恒定的电流源;举例说,在三极管放大电路中,集电极电流与负载大小无关,可以看成电流源;

    4、“电压源要求内阻越小越好,电流源要求内阻越大越好”的说法不妥,应该说成:

    (1)内阻越小的实际电源越接近恒压源;

    (2)内阻越大的实际电源越接近恒流源;

    (3)或者说恒压源可以理解成内阻越小越好的实际电源;

    (4)或者说恒流源可以理解成内阻越大越好的实际电源;

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  • 这就是电子电路阻抗匹配的基本原理阻抗匹配概念 阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中,当负载电阻等于...
  • 天线阻抗匹配原理

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    阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态,它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系
  • 1. 目的:設計、製作及量測一微帶傳輸線阻抗匹配電路,如圖 5.1 所示, 其中 Zin=50Ω
  • 耳机阻抗匹配原理

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    这就是电子电路阻抗匹配的基本原理。  测量阻抗,可以用来判断某些场合的电路连接的通断。比如USB的D+D-对地都是有一定的阻抗的,延长USB线之后,如果由于没有测试点的原因无法确认延长的通路是否有断开,...
    

    转自:http://blog.csdn.net/zhandoushi1982/article/details/6101590

    电功率的计算公式

            用电压乘以电流,这个公式是电功率的定义式,永远正确,适用于任何情况。对于纯电阻电路,如电阻丝、灯炮等,可以用“电流的平方乘以电阻”“电压的平方除以电阻”的公式计算,这是由欧姆定律推导出来的(其中的电流和电压都是有效值(有效值就是均方根值,对于正弦波,有效值等于峰值/1.414,注意是峰值不是峰峰值))。
            但对于非纯电阻电路,如电动机等,只能用“电压乘以电流”这一公式,因为对于电动机等,欧姆定律并不适用,也就是说,电压和电流不成正比。这是因为电动机在运转时会产生“反电动势”。例如,外电压为8伏,电阻为2欧,反电动势为6伏,此时的电流是(8-6)/2=1(安),而不是4安。因此功率是8×1=8(瓦)。
            另外说一句焦耳定律,就是电阻发热的那个公式,发热功率为“电流平方乘以电阻”,这也是永远正确的。还拿上面的例子来说,电动机发热的功率是1×1×2=2(瓦),也就是说,电动机的总功率为8瓦,发热功率为2瓦,剩下的6瓦用于做机械功了。

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    关于声音失真

            比如:对于1K HZ的正弦波测试声音时,在具体应用时,直接测试喇叭的输出PIN即可作为判断声音指标的依据,不管是失真还是幅值,当然波形失真跟功放输入级和输出级都有关,如果输入失真了那么输出一定会失真,所以判断时都要测试。失真即波形被削去了顶部或者底部。8欧姆的喇叭,要达到2W的功率,需要4V的有效值电压,这个电压一般般是远远达不到的,声音会偏小;如果换成4欧姆的喇叭,只需要2点多伏的有效值电压即可,对应地电阻变小发热也会增加。

           关于TDA1517的GAIN是20DB,对应的放大倍数是10倍(对数公式算出来的)。要到4V的有效值输出,进入1517的有效值应该是0.4V左右才行,否则偏小。这样可以处理输入级跟输出级的关系来作处理。D2025的功率接8欧负载最大只有1.3瓦,那我们在使用时如果算得的功率大于这个值,就有可能出现异常现象,比如喇叭爆音。

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    耳机阻抗匹配

            具有电阻、电感和电容的电路里,对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成,但不是三者简单相加,阻抗的单位是欧。有个现象就是,视频CVBS输入端本来75欧姆的电阻换成了10K欧姆的电阻,阻抗会增大,导致PAL和CVBS成像亮度减小。

           耳机的阻抗是交流阻抗的简称,阻抗越小,耳机越容易出声、越容易驱动。在台式机或功放、VCD、DVD电视等有耳机插孔输出的机器上,一般使用中高阻抗的耳机比较适宜。如果使用低阻耳机,一定先要把音量调低再插上耳机,再一点点把音量调上去,防止耳机过载将耳机烧坏或是音圈变形错位造成破音。低阻抗的耳机一般比较容易推动,因此随身听、MP3等便携、省电的机器应选择低阻抗耳机。当然,阻抗越高的耳机搭配输出功率大的音源时声音效果更好。

            耳机的电路设计是保证插入耳机时,让功放处于MUTE状态,需要专门的电路来处理;如果是不带MUTE的功放,接入耳机时要断开喇叭,由插座完成。和耳机类似的是PC音频输入,该电路设计必须保证攻防输入接AUDIO IN时,传输AUDIO信号;不接入信号时跟地联通。

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             下图中R为负载电阻,r为电源E的内阻,E为电压源。由于r的存在,当R很大时,电路接近开路状态;而当R很少时接近短路状态。显然负载在开路及短路状态都不能获得最大功率。

    ,根据公式,从上式可看出,当R=r时式中的分母最小,此时负载所获取的功率最大。所以,当负载电阻等于电源内阻时,负载将获得最大功率。这就是电子电路阻抗匹配的基本原理。

            测量阻抗,可以用来判断某些场合的电路连接的通断。比如USB的D+D-对地都是有一定的阻抗的,延长USB线之后,如果由于没有测试点的原因无法确认延长的通路是否有断开,可以用万用表(二极管档)在延长端继续测试对地阻抗,如果断开的,电阻是无穷大。

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            一直以为单喇叭只能输出单声道,后来经过一个案子的研发才发现不是这样。单喇叭首先要保证可以单独输出单左、单右的声音,如果AUDIO输出里面做了L+R的mixer,那么单喇叭也要能输出同时带左右声道的声音,这个可以通过播放特殊乐曲来测出。至于双喇叭立体声或者耳机,是输出源就有两个,这两路可以叠加,不会抵消,比如很早以前的VCD就是一个声道是背景乐另一个声道是歌词。


     

    参考原文:http://www.elecfans.com/dianzichangshi/200604163527.html

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  • 前言:本文主要详解什么是阻抗匹配,首先介绍了输入及输出阻抗是什么,其次介绍了阻抗匹配原理,最后阐述了阻抗匹配的应用领域,具体的跟随小编一起来了解一下吧。  一、输入阻抗  输入阻抗是指一个电路输入端...

            前言:本文主要详解什么是阻抗匹配,首先介绍了输入及输出阻抗是什么,其次介绍了阻抗匹配的原理,最后阐述了阻抗匹配的应用领域,具体的跟随小编一起来了解一下吧。

      一、输入阻抗

      输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的阻值,就是输入阻抗。

      输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样,它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。因此,我们可以这样认为:如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(注:只适合于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题),另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑 阻抗匹配问题

      二、输出阻抗

      无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来,对于一个理想的电压源(包括电源),内阻应该为0,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。但现实中的电压源,则不能做到这一点。我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r,就是(信号源/放大器输出/电源)内阻了。当这个电压源给负载供电时,就会有电流 I 从这个负载上流过,并在这个电阻上产生 I×r 的电压降。这将导致电源输出电压的下降,从而限制了最大输出功率(关于为什么会限制最大输出功率,请看后面的“阻抗匹配”一问)。同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际的电路是不可能的。

      三、阻抗匹配

      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阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。 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,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为:I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。负载R上的电压为:Uo=IR=U/[1+(r/R)],可以看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为:

      

      对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R],当R=r时,[(R-r)2/R]可取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即,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。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,这叫做共扼匹配。在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,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)。从以上分析我们可以得出结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我们也会叫做阻抗失配。

      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相等(即不匹配)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以及特征阻抗的求解方法,牵涉到二阶偏微分方程的求解,在这里我们不细说了,有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线,这在农村使用的电视天线架上比较常见,用来做八木天线的馈线。因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω,所以300Ω的馈线将与其不能匹配。

      实际中是如何解决这个问题的呢?不知道大家有没有留意到,电视机的附件中,有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器(一个塑料封装的,一端有一个圆形的插头的那个东东,大概有两个大拇指那么大)。它里面其实就是一个传输线变压器,将300Ω的阻抗,变换成75Ω的,这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点的是,特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念,它与传输线的长度无关,也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等,这就是传输线的阻抗匹配,如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢?如果不匹配,则会形成反射,能量传递不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,辐射干扰等。

      当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢?第一,可以考虑使用变压器来做阻抗转换,就像上面所说的电视机中的那个例子那样。第二,可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用。第三,可以考虑使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低,可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配,例如高速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高,可以使用并联电阻的方法,来跟传输线匹配,例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。(始端串联匹配,终端并联匹配)

      为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题,我来举两个例子:假设你在练习拳击——打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包,你打上去会感觉很舒服。但是,如果哪一天我把沙包做了手脚,例如,里面换成了铁沙,你还是用以前的力打上去,你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况,会产生很大的反弹力。相反,如果我把里面换成了很轻很轻的东西,你一出拳,则可能会扑空,手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况

      四、阻抗匹配的原理

      阻抗匹配的基本原理:

      1、纯电阻电路

      在中学物理电学中曾讲述这样一个问题:把一个电阻为R的用电器,接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上,在什么条件下电源输出的功率最大呢?当外电阻等于内电阻时,电源对外电路输出的功率最大,这就是纯电阻电路的功率匹配。假如换成交流电路,同样也必须满足R=r这个条件电路才能匹配。

     

      2、电抗电路

      电抗电路要比纯电阻电路复杂,电路中除了电阻外还有电容和电感。元件,并工作于低频或高频交流电路。在交流电路中,电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻抗,用字母Z表示。其中,电容和电感对交流电的阻碍作用,分别称为容抗及和感抗而。容抗和感抗的值除了与电容和电感本身大小有关之外,还与所工作的交流电的频率有关。值得注意的是,在电抗电路中,电阻R,感抗而与容抗双的值不能用简单的算术相加,而常用阻抗三角形法来计算(见图 2)。因而电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些,除了输人和输出电路中的电阻成分要求相等外,还要求电抗成分大小相等符号相反(共轭匹配);或者电阻成分和电抗成分均分别相等(无反射匹配)。这里指的电抗X即感抗XL和容抗XC之差(仅指串联电路来讲,若并联电路则 计算更为复杂)。满足上述条件即称为阻抗匹配,负载即能得到最大的功率。

      阻抗匹配的关键是前级的输出阻抗与后级的输人阻抗相等。而输人阻抗与输出阻抗广泛 存在于各级电子电路、各类测量仪器及各种电子元器件中。那么什么是输人阻抗和输出阻抗呢?输人阻抗是指电路对着信号源讲的阻抗。如图3所示的放大器,它的输人阻抗就是去掉信号源E及内电阻r时,从AB两端看进去的等效阻抗。其值为Z=UI/I1, 即输人电压与输人电流之比。对于信号源来讲,放大器成为其负载。从数值上看,放大器的等效负载值即为输人阻抗值。输人阻抗值的大小,对于不同的电路要求不 一样。

      例如:万用表中电压挡的输人阻抗(称为电压灵敏度)越高,对被测电路的分流就越小,测量误差也就小。而电流挡的输人阻抗越低,对被测电路的分压就越 小,因而测量误差也越小。对于功率放大器,当信号源的输出阻抗与放大电路的输人阻抗相等时即称阻抗匹配,这时放大电路就能在输出端获得最大功率。输出阻抗 是指电路对着负载讲的阻抗。如图4中,将电路输人端的电源短路,输出端去掉负载后,从输出端CD看进去的等效阻抗称为输出阻抗。如果负载阻抗与输出阻抗不相等,称阻抗不匹配,负载就不能获得最大的功率输出。输出电压U2和输出电流I2之 比即称为输出阻抗。输出阻抗的大小视不同的电路有不同的要求。

      例如:电压源要求输出阻抗要低,而电流源的输出阻抗要高。对于放大电路来讲,输出阻抗的值表 示其承担负载的能力。通常输出阻抗小,承担负载的能力就强。如果输出阻抗与负载不能匹配时,可加接变压器或网络电路来达到匹配。例如:晶体管放大器与扬声 器之间通常接有输出变压器,放大器的输出阻抗与变压器的初级阻抗相匹配,变压器的次级阻抗与扬声器的阻抗相匹配。而变压器通过初次级绕组的匝数比来变换阻 抗比。在实际的电子电路中,常会遇到信号源与放大电路或放大电路与负载的阻抗不相等的情况,因而不能把它们直接相连。解决的办法是在它们之间加人一个匹配 电路或匹配网络。最后要说明一点,阻抗匹配仅适用于电子电路。因为电子电路中传输的信号功率本身较弱,需用匹配来提高输出功率。而在电工电路中一般不考虑 匹配,否则会导致输出电流过大,损坏用电器。

      五、阻抗匹配的应用

      对于一般的高频信号领域,比如时钟信号,总线信号,甚至高达几百兆的DDR信号等,一般器件的收发端的感抗和容抗都比较小,相对电阻(即阻抗中的实部) 来说可以忽略不记,这时,阻抗匹配就只需要考虑实数部分就可以了。

      在射频领域,很多器件如天线,功放等其输入输出阻抗是非实数的(非纯电阻),并且其虚部(容抗或者感抗) 很大以至于不可忽略,这时就要采用共轭匹配的方法。

    注:本文轉載自<http://m.elecfans.com/list/1075.html>

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