在理解阻抗匹配前，先要搞明白輸入阻抗和輸出阻抗。

 

一、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，測量輸入端的電流I，則輸入阻抗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)電阻的阻值，就是輸入阻抗。

 

輸入阻抗跟一個(gè)普通的電抗元件沒(méi)什么兩樣，它反映了對電流阻礙作用的大小。對于電壓驅動(dòng)的電路，輸入阻抗越大，則對電壓源的負載就越輕，因而就越容易驅動(dòng)，也不會(huì )對信號源有影響；而對于電流驅動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對電流源的負載就越輕。因此，我們可以這樣認為：如果是用電壓源來(lái)驅動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來(lái)驅動(dòng)的，則阻抗越小越好（注：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

 

二、輸出阻抗

 

無(wú)論信號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)信號源的內阻。本來(lái)，對于一個(gè)理想的電壓源（包括電源），內阻應該為0，或理想電流源的阻抗應當為無(wú)窮大。但現實(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（信號源/放大器輸出/電源）內阻了。當這個(gè)電壓源給負載供電時(shí)，就會(huì )有電流 I 從這個(gè)負載上流過(guò)，并在這個(gè)電阻上產(chǎn)生 I×r 的電壓降。這將導致電源輸出電壓的下降，從而限制了最大輸出功率（關(guān)于為什么會(huì )限制最大輸出功率，請看后面的“阻抗匹配”一問(wèn)）。同樣的，一個(gè)理想的電流源，輸出阻抗應該是無(wú)窮大，但實(shí)際的電路是不可能的。

 

三、阻抗匹配

 

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線(xiàn)跟負載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。 我們先從直流電壓源驅動(dòng)一個(gè)負載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內阻的，我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設負載電阻為R，電源電動(dòng)勢為U，內阻為r，那么我們可以計算出流過(guò)電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負載電阻R越小，則輸出電流越大。負載R上的電壓為：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，負載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來(lái)計算一下電阻R消耗的功率為：

 

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}

 

對于一個(gè)給定的信號源，其內阻r是固定的，而負載電阻R則是由我們來(lái)選擇的。注意式中[(R-r)2/R]，當R=r時(shí)，[(R-r)2/R]可取得最小值0，這時(shí)負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即，當負載電阻跟信號源內阻相等時(shí)，負載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說(shuō)的阻抗匹配之一。此結論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結論有所改變，就是需要信號源與負載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數，這叫做共扼匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線(xiàn)的匹配問(wèn)題，只考慮信號源跟負載之間的情況，因為低頻信號的波長(cháng)相對于傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)很長(cháng)，傳輸線(xiàn)可以看成是“短線(xiàn)”，反射可以不考慮（可以這么理解：因為線(xiàn)短，即使反射回來(lái)，跟原信號還是一樣的）。

 

從以上分析我們可以得出結論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負載R；如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內阻匹配的電阻R。有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設計的，如果負載條件改變了，則可能達不到原來(lái)的性能，這時(shí)我們也會(huì )叫做阻抗失配。

 

在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問(wèn)題。當信號的頻率很高時(shí)，則信號的波長(cháng)就很短，當波長(cháng)短得跟傳輸線(xiàn)長(cháng)度可以比擬時(shí)，反射信號疊加在原信號上將會(huì )改變原信號的形狀。如果傳輸線(xiàn)的特征阻抗跟負載阻抗不相等（即不匹配）時(shí)，在負載端就會(huì )產(chǎn)生反射。

 

為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì )產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細說(shuō)了，有興趣的可參看電磁場(chǎng)與微波方面書(shū)籍中的傳輸線(xiàn)理論。

 

傳輸線(xiàn)的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線(xiàn)的結構以及材料決定的，而與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度，以及信號的幅度、頻率等均無(wú)關(guān)。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω，而一些射頻設備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見(jiàn)的傳輸線(xiàn)是特性阻抗為300Ω的扁平平行線(xiàn)，這在農村使用的電視天線(xiàn)架上比較常見(jiàn)，用來(lái)做八木天線(xiàn)的饋線(xiàn)。因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω，所以300Ω的饋線(xiàn)將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個(gè)問(wèn)題的呢？不知道大家有沒(méi)有留意到，電視機的附件中，有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉換器（一個(gè)塑料封裝的，一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東，大概有兩個(gè)大拇指那么大）。

 

它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線(xiàn)變壓器，將300Ω的阻抗，變換成75Ω的，這樣就可以匹配起來(lái)了。這里需要強調一點(diǎn)的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念，它與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度無(wú)關(guān)，也不能通過(guò)使用歐姆表來(lái)測量。

 

為了不產(chǎn)生反射，負載阻抗跟傳輸線(xiàn)的特征阻抗應該相等，這就是傳輸線(xiàn)的阻抗匹配，如果阻抗不匹配會(huì )有什么不良后果呢？如果不匹配，則會(huì )形成反射，能量傳遞不過(guò)去，降低效率；會(huì )在傳輸線(xiàn)上形成駐波（簡(jiǎn)單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱），導致傳輸線(xiàn)的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至會(huì )損壞發(fā)射設備。如果是電路板上的高速信號線(xiàn)與負載阻抗不匹配時(shí)，會(huì )產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。

 

當阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉換，就像上面所說(shuō)的電視機中的那個(gè)例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調試射頻電路時(shí)常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來(lái)跟傳輸線(xiàn)匹配，例如高速信號線(xiàn)，有時(shí)會(huì )串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來(lái)跟傳輸線(xiàn)匹配，例如，485總線(xiàn)接收器，常在數據線(xiàn)終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。(始端串聯(lián)匹配，終端并聯(lián)匹配)

 

為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問(wèn)題，我來(lái)舉兩個(gè)例子：假設你在練習拳擊——打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會(huì )感覺(jué)很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會(huì )受不了了——這就是負載過(guò)重的情況，會(huì )產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會(huì )撲空，手也可能會(huì )受不了——這就是負載過(guò)輕的情況。

 

附：阻抗匹配的四種處理方式

 

當傳輸路徑上阻抗不連續時(shí)，會(huì )有反射發(fā)生，阻抗匹配的作用就是通過(guò)端接元器件，時(shí)傳輸路線(xiàn)上的阻抗連續以去除傳輸鏈路上產(chǎn)生的反射。常見(jiàn)的阻抗匹配有如下幾種：

 

一、串聯(lián)端接方式

 

靠近輸出端的位置串聯(lián)一個(gè)電阻，要達到匹配效果，串聯(lián)電阻和驅動(dòng)端輸出阻抗的總和應等于傳輸線(xiàn)的特征阻抗Z0。

 

 

在通常的數字信號系統中，器件的輸出阻抗通常是十幾歐姆到二十幾歐姆，傳輸線(xiàn)的阻抗通常會(huì )控制在50歐姆，所以始端匹配電阻常見(jiàn)為33歐姆電阻。

 

當然要達到好的匹配效果，驅動(dòng)端輸出到串聯(lián)電阻這一段的傳輸路徑最好較短，短到可以忽略這一段傳輸線(xiàn)的影響。

 

串聯(lián)電阻優(yōu)缺點(diǎn)如下：

 

（1）優(yōu)點(diǎn)

 

1、只需要一個(gè)電阻；

 

2、沒(méi)有多余的直流功耗；

 

3、消除驅動(dòng)端的二次反射；

 

4、不受接收端負載變化的影響；

 

（2）缺點(diǎn)

 

1、接收端的一次發(fā)射依然存在；

 

2、信號邊沿會(huì )有一些變化；

 

3、電阻要靠近驅動(dòng)端放置，不適合雙向 傳輸信號；

 

4、在線(xiàn)上傳輸的電壓是驅動(dòng)電壓的一半，不適合菊花鏈的多型負載結構。

 

二、并聯(lián)端接方式

 

并聯(lián)端接又叫終端匹配，要達到阻抗匹配的要求，端接的電阻應該和傳輸線(xiàn)的特征阻抗Z0相等。

 

 

在通常的數字信號傳輸系統里，接收端的阻抗范圍為幾兆到十幾兆，終端匹配電阻如果和傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等，其和接收端阻抗并聯(lián)后的阻抗大致還是在傳輸線(xiàn)的特征阻抗左右，那么終端的反射系數為0。不會(huì )產(chǎn)生反射，消除的是終端的一次反射。

 

并聯(lián)端接優(yōu)缺點(diǎn)

 

（1）優(yōu)點(diǎn)

 

1、適用于多個(gè)負載

 

2、只需要一個(gè)電阻并且阻值容易選取

 

（2）缺點(diǎn)

 

1、增加了直流功耗

 

2、并聯(lián)端接可以上拉到電源或者下拉到地，是的低電平升高或者高電平降低，減小噪聲容限。

 

三、AC并聯(lián)端接

 

并聯(lián)端接為消除直流功耗，可以采用如下所示的AC并聯(lián)端接（AC終端匹配）。要達到匹配要求，端接的電阻應該和傳輸線(xiàn)的特征阻抗Z0相等。

 

 

優(yōu)缺點(diǎn)描述如下：

 

（1）優(yōu)點(diǎn)

 

1、適用于多個(gè)負載

 

2、無(wú)直流功耗增加

 

（2）缺點(diǎn)

 

1、需要兩個(gè)器件

 

2、增加了終端的容性負載，增加了RC電路造成的延時(shí)

 

3、對周期性的信號有效（如時(shí)鐘），不適合于非周期信號（如數據）

 

四、戴維南端接

 

戴維南端接同終端匹配，如下圖，要達到匹配要求，終端的電阻并聯(lián)值要和傳輸線(xiàn)的特征阻抗Z0相等。

 

 

優(yōu)缺點(diǎn)描述：

 

（1）優(yōu)點(diǎn)

 

1、適用于多個(gè)負載

 

2、很適用于SSTL/HSTL電平上拉或下拉輸出阻抗很好平衡的情況。

 

（2）缺點(diǎn)

 

1、直流功耗增加

 

2、需要兩個(gè)器件

 

3、端接電阻上拉到電源或下拉到地，會(huì )使得低電平升高或高電平降低

 

4、電阻值較難選擇，電阻值取值小會(huì )使低電平升高，高電平降低更加惡劣；電阻值取大有可能造成不能完全匹配，使反射增大，可以通過(guò)仿真來(lái)確定。

 

 

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