深入浅出理解阻抗匹配

hmdz987654 · 发表于 2019-12-9 09:26

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本帖最后由 hmdz987654 于 2019-12-9 09:26 编辑

深入浅出理解阻抗匹配

阻抗匹配（impedance matching）是指信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对于低频电路和高频电路，阻抗匹配有很大的不同。

在理解阻抗匹配前，先要搞明白输入阻抗和输出阻抗。

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：

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}

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。
阻抗匹配的四种处理方式
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：

1.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50欧姆，所以始端匹配电阻常见为33欧姆电阻。

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。
2.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
3.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。

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）
4.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。

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。
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。

CE_Manager · 发表于 2019-12-9 10:28

阻抗匹配讲的好！确实深处浅入，理解透彻！

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