一起来理解阻抗匹配

hbhanheng

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。
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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（请参看输出阻抗一问），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]

. n" Y: [) V5 z6 x: b$ c=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。对于纯电阻电路，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。
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$ |2 K" |" G# }( m0 e* t- |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。

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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。
, X: W) ~" t8 \+ u    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。另一个例子，不知道大家有没有过这样的经历：就是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以为还有楼梯时，就会出现“负载不匹配”这样的感觉了。当然，也许这样的例子不太恰当，但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。

YYY

里面的比喻很好呀！！！
支持呀！

zxg1113

不错，挺好!

junyi_lee

不错，说得挺好的，谢谢搂住！！！！！！！！！！！！！！！！！！

mikle517

不错，能细点更好

ntzhai

微波专业的才懂

ilovechina

谢谢楼主！

yangcanhui07

不错啊,只是偏重于RF特性了,补充一些关于数字电路的阻抗匹配,要简单很多,仅供新手参考.
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均匀传输线的特性阻抗:两导体的瞬态入射的电压与电流的比值,简单理解就是在信号的往返这段时间内它就等效于一个纯电阻.只与物理材料,结构有关.数值上等于电感与电容的比值的平方根.其延时为总的分布电感与电容的积的平方根.注意电流流过电阻是不需要时间的(集总元件),而传输线是与时间密切相关的量(分布元件).
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$ P' }# t! V3 z' \现假设有一段50欧的无限长的传输线,当驱动器(源端)输出1V的电压,则一直会有20 mA的电流从驱动端流到GND.同时建立1V的电场(忽略源端内阻).,并且这个1V的电压会一直向前移动(忽略损耗造成的衰减).打个比方,往水中扔一个石头会有一个水波,并且向岸边移动,如果碰不到岸边,水波浪会永远往前走 实际的情况是,传输线的长度是有限的,当这个信号到达接收端的时候,因为接收端(末端)的触发器的输入电阻非常高,其状态翻转几乎不消耗任何能量,但能量又不能存储起来,只能全部沿路返回了,这就是全反射(一次反射).在发生全反射的时候,末端电压就变成了2V.这就好比水波终于碰到岸边了又被弹回来,与原来的水波叠加起来往水心移.
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在信号与一次反射波叠加又回到源端的时候,能量当然地又会再次发生反射(二次反射),不过这次不是全反射,因为驱动器是总会有内阻的并且反射值是负的(为什么是负的?请参考相关书籍).接下来又重复上一个过程,慢慢地.反射越来越弱,最终稳定在1V(稳态值),这就是振铃的过程.最初驱动器建立起来的能量在来回的几次传播和反射过程中全部都消耗在驱动器的内阻上了, 很明显,振铃的频率与上升时间和传输线的延时肯定是相关的,而振铃衰减的快慢(从发生反射到最终达到稳态值的时间)就与回路的Q值有关了(Q值就是用来表征电路或元件的储能与耗能的比值,耗能元件当然是电阻,电阻越大,Q值越小,衰减越快).
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3 I6 H& x: U& V0 i那么如何来消除反射呢?这就是阻抗匹配的作用了.最简单的方法是什么?当然就是在接收端并联一个与传输线特性阻抗一样大的电阻到地(并联端接)来消除一次反射.这样当电流到达末端后通过这个电阻回到GND,形成完整的通路,这个能量全部也消耗电阻上.

另一种方法就是在靠近源端的地方串一个电阻,它加上驱动器的内阻刚好也等于传输线的特性阻抗.只要这个电阻和源端靠得近,效果就像是源驱动器的内阻也等于传输线的特性阻性,简单分析一下,设驱动器输出电压还是VCC,则最初进入传输线的电压经过内阻和传输线的特性阻抗分压,只能得到输出电压的一半,即0.5VCC,到达末端以后,发生全反射,叠加在一起刚好是VCC,当然这个一次反射也要回到源端,这时候,因为端源的阻抗也刚好是特性阻抗,这就又类似于第一种端接了,避免了二次反射的发生
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第一种方法最简单有效,但通常不是并联电阻到地,而是并联电阻到电源,这个一般是由于工艺的原因造成IO口的低电平灌电流要大于拉电流决定的.不管接到哪,如果接到电源,则IO口在输出低电平时电阻会消耗很大直流能量,接到地,则在IO输出高电平消耗直流能量.把这个电流乘以32或64位总线,则非常应该引起重视了,所以通常在便携式设备中更多的是第二种源端串联电阻的方式来消除二次反射.在并联端接的基础上一种改进的做法是末端RC端接,电阻串一个电容再到地,这样便不会有直流端接功耗.另一种端接是戴维南端接,分别接一个上拉和下拉.上拉和下拉电阻的并联值等于特性阻抗.其优势是可以能过调整上下拉电阻比例来为末端提供一个固定的直流电平,较常见于差分线的端接,比如LVDS与PECL对接的时候,因为其共模电压不一样,可以在串入隔直电容之后,采用戴维南端接来为末端提供一个需要的电平.这种方式的缺点是会一直有一个静态功耗.

除了串联端接需要的电流相对较小以外,其它几种端接方法对驱动器的输出电流的要求是很高的

libsuo

原帖由 hbhanheng 于 2008-2-19 11:40 发表
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。
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% U; U) M3 C2 a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（请参看输出阻抗一问），我们可以 ...

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! q& Q6 [* N1 X- y- M* |$ ?& z3 W好眼熟的一段话，尤其“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”，跟我的论文中的一模一样........，感觉是我的原创

心嫣

很好,学习了.一直对这方面的迷迷糊糊.今天终于学习到了.

wdckill

受教了!

ouxu

不错啊,慢慢去研究一下.

daicy

写的很详细啊，辛苦啦

anjingcoward

恩，真的不错啊！