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  • 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,负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配...
  • PCB的阻抗匹配

    2021-03-27 08:59:46
    阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。阻抗匹配主要有两点作用,调整负载功率和抑制信号反射。 一束光从空气射向水中时会发生反射,这是因为光和水的光导特性不同。同样,信号传输中如果...

    一、什么是阻抗?

    在一般状态下,导体多少都存有阻止电流流动的作用,其阻止程度可用电阻表示,单位是欧姆。在交流电路中,除电阻外,还有还有电感和电容等器件,皆有阻碍电流流动的作用。通常将阻碍交流电流作用的部分总称为阻抗

    阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。阻抗匹配主要有两点作用,调整负载功率抑制信号反射

    当一束光从空气射向水中时会发生反射,这是因为光和水的光导特性不同。同样,当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变也会发生反射。波长与频率成反比低频信号的波长远远大于传输线的长度,因此一般不用考虑反射问题。高频领域,当信号的波长与传输线长出于相同量级时,反射的信号易与原信号混叠,影响信号质量。通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射。

    二、阻抗匹配的方法?

    阻抗匹配的方法主要有两个,一是改变阻抗力二是调整传输线

    ● 改变阻抗力就是通过电容、电感与负载串并联,来调整负载阻抗值,以达到源和负载阻抗之间的匹配。

    ● 调整传输线是加长源和负载间的距离,配合电容和电感把阻抗力调整为零。此时信号不会发生发射,能量都能被负载吸收。高速PCB布线中,一般把数字信号的走线阻抗设计为50欧姆。一般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线(差分)为85-100欧姆。

    在PCB走线时:高频领域中,信号频率对PCB走线的阻抗值影响非常大。一般来说当数字信号边沿时间小于1ns或者模拟信号频率超过300M时就要考虑阻抗问题。

    PCB走线阻抗主要来自寄生的电容、电阻、电感系数,主要因素有材料介电常数、线宽、线厚乃至焊盘的厚度等。PCB 阻抗的范围是25至120欧姆,USB、LVDS、HDMI、SATA等一般要做85-100欧姆阻抗控制。

    三、什么是输入/输出阻抗?

    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,它反映了对电流阻碍作用的大小。

    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。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。

    假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r:

     

    电阻R上的电流:

     

    电阻R上的电压:

    电阻R的功率为:

    当R=r时,可取得最小值为0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率。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。

    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;

    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)

    当传输路径上阻抗不连续时,会有反射发生,阻抗匹配的作用就是通过端接元器件,时传输路线上的阻抗连续以去除传输链路上产生的反射。常见的阻抗匹配有如下几种:

    一、串联端接方式 

    靠近输出端的位置串联一个电阻,要达到匹配效果,串联电阻和驱动端输出阻抗的总和应等于传输线的特征阻抗Z0。

     

     

    在通常的数字信号系统中,器件的输出阻抗通常是十几欧姆到二十几欧姆,

    传输线的阻抗通常会控制在50Ω,所以始端匹配电阻常见为33Ω电阻。

    当然要达到好的匹配效果,驱动端输出到串联电阻这一段的传输路径最好较短,短到可以忽略这一段传输线的影响。

    串联电阻优缺点如下:

       (1)优点

               1、只需要一个电阻;

               2、没有多余的直流功耗;

               3、消除驱动端的二次反射;

               4、不受接收端负载变化的影响;

       (2)缺点

               1、接收端的一次发射依然存在;

               2、信号边沿会有一些变化;

               3、电阻要靠近驱动端放置,不适合双向 传输信号;

               4、在线上传输的电压是驱动电压的一半,不适合菊花链的多型负载结构。

    二、并联端接方式 

    并联端接又叫终端匹配,要达到阻抗匹配的要求,端接的电阻应该和传输线的特征阻抗Z0相等。

     

    在通常的数字信号传输系统里,接收端的阻抗范围为几兆到十几兆,终端匹配电阻如果和传输线的特征阻抗相等,其和接收端阻抗并联后的阻抗大致还是在传输线的特征阻抗左右,那么终端的反射系数为0。不会产生反射,消除的是终端的一次反射。

    并联端接优缺点

         (1)优点

         1、适用于多个负载

         2、只需要一个电阻并且阻值容易选取

         (2)缺点

         1、增加了直流功耗

         2、并联端接可以上拉到电源或者下拉到地,是的低电平升高或者高电平降低,减小噪声容限。

    三、AC并联端接 

    并联端接为消除直流功耗,可以采用如下所示的AC并联端接(AC终端匹配)。要达到匹配要求,端接的电阻应该和传输线的特征阻抗Z0相等。

     

    AC并联端接优缺点描述如下:

    (1)优点 

    1、适用于多个负载

    2、无直流功耗增加

    (2)缺点 

    1、需要两个器件

    2、增加了终端的容性负载,增加了RC电路造成的延时

    3、对周期性的信号有效(如时钟),不适合于非周期信号(如数据)

     

    四、戴维南端接 

    戴维南端接同终端匹配,如下图,要达到匹配要求,终端的电阻并联值要和传输线的特征阻抗Z0相等。

     

    戴维南端接优缺点描述:

    (1)优点 

    1、适用于多个负载

    2、很适用于SSTL/HSTL电平上拉或下拉输出阻抗很好平衡的情况。

    (2)缺点 

    1、直流功耗增加

    2、需要两个器件

    3、端接电阻上拉到电源或下拉到地,会使得低电平升高或高电平降低

    4、电阻值较难选择,电阻值取值小会使低电平升高,高电平降低更加恶劣;电阻值取大有可能造成不能完全匹配,使反射增大,可以通过仿真来确定。

     

    PCB走线中的阻抗匹配:

    在进行PCB布线时,经常会发生这样的情况:走线通过某一区域时,由于该区域布线空间有限,不得不使用更细的线条,通过这一区域后,线条再恢复原来的宽度。走线宽度变化会引起阻抗变化,因此发生反射,对信号产生影响。

    那么什么情况下可以忽略这一影响,又在什么情况下我们必须考虑它的影响?

    有三个因素和这一影响有关:

    1、阻抗变化的大小;

    2、信号上升时间;

    3、窄线条上信号的时延

     

     

     

     

     

    24G/77G毫米波雷达高频PCB板材

     

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  • 认识特性阻抗也是一样的,在我们认识特性阻抗之前,先认识跟特性阻抗比较相关的一个物理量—电阻。 电阻是一个实实在在的物理元器件,通过欧姆定律我们可以知道,电压、电流和电阻三者之间的关系,U=I*R 我们通过一...

    转载:http://rf.eefocus.com/module/forum/thread-610391-1-1.html

    人认识事物总是有一个过程,一般都是从具体到抽象。认识特性阻抗也是一样的,在我们认识特性阻抗之前,先认识跟特性阻抗比较相关的一个物理量—电阻。

    电阻是一个实实在在的物理元器件,通过欧姆定律我们可以知道,电压、电流和电阻三者之间的关系,U=I*R
    我们通过一个具体的电路来分析这三者之间的具体关系,请看下面的一张最简单的电路图。这个电路图只有一个电源一个电阻和一些导线组成。
    在这里插入图片描述

    当然这个电阻的阻值也可以通过用万用表来直接测量。

    特性阻抗就不一样了,用万用表测量一根50欧姆特性阻抗时,将会发现是短路的。这就需要我们从概念上区分电阻(哪怕是刚好是50欧姆的电阻)和特性阻抗是两码事。就像温度上面的度(摄氏度)和角度上的度一样,不是一个东西。

    电阻这个物理量大家都懂,这里就不解释了。我们来分析一下这个特性阻抗到底是何方神圣,是在什么条件下才会用这个东西的。

    其实特性阻抗是和射频紧密相隔的一个物理量,在认识特性阻抗之前先认识一下射频。我们知道电台,手机通讯信号,wifi等都是向外部发射信号能量的装置,也就是说能量是从天线射出去,能量不再回来到天线了,可以想像就像机枪向外面扫射一样,子弹打出去就不回来了。

    好了,明白射频这个东西之后,我们再来到具体的传输射频能量的导线上面来。导线上面传输的射频信号也是一样的,希望它传过去就不要反传回来了,要是有能量反传回来就说明传输的效果差了。

    为了更具体的说明特性阻抗这个东西 我这里打一个比方:

    同一个电路板上面有2根导线(假设都是很长的两根线,你能想像它有多长就有多长),因为同一个板,那么2根导线的铜皮厚度都是一样的。两根导线,长(无限长)和厚度是一样的,只能唯一不同的是宽度了,假设1号导线宽度是1(单位),2号导线是2(单位)。也就是说2号线宽度是1号线的两倍。

    下面的图可以具体看到两根导线的示意图。
    在这里插入图片描述
    如上图所示,假如同时都接的是一样的射频发射源,同样的一小段时间T,那么我们看看这两根导线会有什么区别。同一个发射源,那么两根线的输出射频电压是一样的,射频传输的距离是一样的(假设都是光速,实际比光速少)。

    唯一不同的是线宽,而2号线的线比1号线宽一倍,那么2号线需要1号线2倍的电量来填满多出的线宽面积(其实是导线铜皮与底面产生的电容效应)。也就是说: Q2=两倍的Q1

    因为 i = Q/T (射频电流=电量/时间),那么可以知道2号线的射频电流是1号线的两倍(因为时间是一样的,2号线电量是1号线的两倍)。

    好了,我们知道了 i2=两倍的i1

    到了这里,我们找出个神秘的特性阻抗就不远了,为什么呢,因为我们知道电阻=电压/电流。其实特性阻抗也有这种关系:特性阻抗=射频电压/射频电流。

    从上面我们知道,射频电压一样的,电流关系为 i2=两倍的i1

    则2号线的特性阻抗只有1号线的一半!

    这就是我们所说的线越是宽,特性阻抗越小。

    上面是我举个例子说明特性阻抗与电阻的区别,以及为什么同样一个板子,特性阻抗与线宽有关系,与长度没有关系。

    实际上影响特性阻抗的因素很多,包括材料,导线与底板地间距等等很多因素相关。

    导线的特性阻抗用通俗的话来描述(只是比喻),就是导线对其上面传输的射频能量阻碍力的大小。

    认识传输线的反射

    上面我们是假设导线是无限长的,而实际上的导线长度是有限。当射频信号到达导线末端,能量没有办法释放,就会沿着导线反传回来。就跟我们对着墙喊,声音碰到墙反传回来产生回音。也就是说我们想像中的射频信号发射出去就没有反射回来的情况在现实是不存在的。

    在这里插入图片描述

    如上图所示,假如我们在线的末端接上一个电阻来消耗(或者接收)线上传输过来的射频能量。

    有人会问,为什么导线的特性阻抗的电阻不消耗能量,非要接个电阻才能消耗呢?其实啊,导线只是传输能量的,导线本身并不消耗能量或者近似于不损耗能量(有点想电容或者电感的属性)。电阻则是一个损耗能量的元件。

    我们发现有三种特殊情况:

    当R=RO 时,传输过来的能量刚刚好被末端的电阻R吸收完,没有能量反射回去。可看成这导线是无线长。

    当R=∞时(开路),能量全部反射回去,而且在线的末端点会产生2倍于发射源的电压。

    当R=0时,末端点会产生一个-1倍于源电压反射回去。

    认识阻抗匹配

    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。

    阻抗匹配是针对射频等而言的,对于功率电路则不适用的,否则会烧掉东西。

    我们常常听说特性阻抗50欧姆,75欧姆等等,这个50欧姆是怎么来的,为什么是50欧姆 而不是51欧姆呢,或者45欧姆呢?

    这个是约定来的,50欧姆应该说对于一般射频电路传输效果更好。也就是说,我们的导线,电缆要做50欧姆,是因为电路负载已经相当于50欧姆的电阻。你做别的阻抗值导线,就和负载不匹配。偏离越远,传输的效果就会越差!

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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...

            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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