找回密码
 注册
关于网站域名变更的通知
查看: 490|回复: 7
打印 上一主题 下一主题

阻抗匹配及应用设计实战

[复制链接]

该用户从未签到

跳转到指定楼层
1#
发表于 2019-5-2 09:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

EDA365欢迎您登录!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册

x
阻抗匹配及应用设计实战
$ w: z* g- G! M) _1 c: u

8 A' r4 h+ Y. a2 }) j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。
1 s, q- q: K* z5 |9 ?- W' b! Y! S
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。
5 t1 o' R# f* }' V1 Y, U1 w0 U! o- R% q' N6 j4 [
再来计算一下电阻R消耗的功率为:! I! B7 p9 F  O  @

* w" p1 J4 f5 ?/ K5 M2 w. ]P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)
4 J3 n9 Q! Y- d8 |2 Q# i% h) l; \/ L=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r]
5 P7 k: g( `/ n/ y=U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}
- a+ O0 e) \: L+ q. z. r3 K; K) ~4 }$ d& h) N) \3 D0 k
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)*(R-r)/R],当R=r时,[(R-r)*(R-r)/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=U*U/(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。
9 f9 J' C" @/ J4 e3 S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,这叫做共厄匹配。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。! D0 g, A8 p: H) ?/ |
  X/ I% ^0 D8 @* _' c. y( A( K
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。! N$ T4 d: x0 ^( @- o6 |5 y
5 f1 H3 f  H3 j( T+ O+ V
如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配(相等)时,在负载端就会产生反射。
+ Z5 [7 @7 [0 ~0 B& K8 d; x0 Y: W! M
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。
0 c  Q7 w, h+ j0 o
9 o8 B4 s. x# ]+ y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。
3 G" V! d' e6 q5 a! j
# a; K8 o3 g$ L& ~例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75欧,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50欧的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300欧的扁平平行线,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75欧,所以300欧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300欧到75欧的阻抗转换器(一个塑料包装的,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的)?它里面其实就是一个传输线变压器,将300欧的阻抗,变换成75欧的,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。
7 N" e$ Q4 U- Y2 c/ z" n
& I5 I' z! i( \# B( |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。
3 Y& L: z7 }. G/ t+ Y- u6 i3 K
$ w+ x$ e1 U: V) m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。
9 d  Z9 @: ?! b$ ^- J; u9 ~  r/ `+ M2 j, D+ \: H
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。

该用户从未签到

2#
发表于 2019-5-7 17:57 | 只看该作者
学习一下,谢谢楼主分享

该用户从未签到

3#
发表于 2019-5-8 14:11 | 只看该作者
谢谢楼主分享
  • TA的每日心情
    开心
    2020-7-24 15:29
  • 签到天数: 34 天

    [LV.5]常住居民I

    4#
    发表于 2019-5-8 14:30 | 只看该作者
    ( q4 ?2 W* B# Z
    谢谢楼主分享

    该用户从未签到

    8#
    发表于 2019-10-11 22:33 | 只看该作者
    好东东,谢谢分享出来/ Q+ {% B  P7 z3 g
    您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

    本版积分规则

    关闭

    推荐内容上一条 /1 下一条

    EDA365公众号

    关于我们|手机版|EDA365电子论坛网 ( 粤ICP备18020198号-1 )

    GMT+8, 2025-6-17 06:42 , Processed in 0.093750 second(s), 23 queries , Gzip On.

    深圳市墨知创新科技有限公司

    地址:深圳市南山区科技生态园2栋A座805 电话:19926409050

    快速回复 返回顶部 返回列表