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深入浅出理解阻抗匹配

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发表于 2019-12-9 09:26 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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本帖最后由 hmdz987654 于 2019-12-9 09:26 编辑
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8 e( `% ?8 t" e; t7 O! m: G
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。% o( W7 [; N" I  E7 T# {# L8 V# Y8 o5 j7 O

; f7 K. |/ N" n% N% i, S( l在理解阻抗匹配前,先要搞明白输入阻抗和输出阻抗。. o( ?9 M1 M* p0 v. d2 r& V
一、输入阻抗
  t4 m9 Z& G6 h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。, Q7 F* Q! ^; \) Y9 {/ Y: q
' E: }/ X3 _0 ^& o8 Y& o$ y
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
7 S* X9 K0 }* B: Q! R" z. v' B( X8 d/ w
二、输出阻抗. E1 L8 [* L& P1 O
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。5 D8 n( O! v( E( U1 z
三、阻抗匹配
) R9 u' m) H; G5 R9 M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:7 i% e; g* U  [( `# ~: I
& [$ T% ~) @' X/ @" f, k4 h
P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)
+ Z7 M: R+ H) j0 {8 t1 P9 R=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]* N1 E6 ]3 y0 E7 r6 R
=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}8 b/ E" T2 j6 L5 R# A0 v% S
# q: n* [7 V9 E2 ?# 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)。
- V5 p: m% H$ N/ x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。  
. j6 ]% `, ~" r1 z3 F% w7 ~; s! M4 U& q, Y
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。8 s8 C0 ~. p7 h. C% m8 m# E# ^$ C# K
9 C3 q' k9 F/ |
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。* }& G5 M. \6 O. h2 M

& J) D! D' }: |0 U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)。# o7 F, Q7 |. @9 y" h
$ ]/ |- i7 J& s8 `
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。
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, n/ K3 ^1 l# E8 j* i1 P; H  y. e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。
7 [4 l2 R% s: ?
( k9 O; o% N+ Z' n' k3 D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)
$ g- @! B  [3 S" J4 C. 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。7 h; {! i) S& ^- L( j( Q
阻抗匹配的四种处理方式
2 A3 l) ]- n/ b: x! X" k$ g9 j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:
- m* @+ N/ V* \/ J2 U1 x5 R" e9 F+ o7 v
1.串联端接方式
; D2 ]5 o# X& W2 z5 w6 k% h9 ^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。5 e, G% ]) x6 t1 k8 ?% W% I, J

4 P# O# P  _4 ^9 t: c
) S/ Q# k0 C1 c" c, x- W& ~. [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。+ X$ D2 z) ]* L( r  s( K1 v- l

/ T( J; Q1 G+ E$ u: P: T" ^' b7 g: f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。
8 `+ s% c8 B9 W% U6 z! s串联电阻优缺点如下:- z* U# G0 D% Q; r

) ]- N1 y( m$ I1 `; E' Z(1)优点- ?- q* p; D5 r9 E5 i$ X, I0 O
1、只需要一个电阻;
7 K. ]# p0 \9 B  ^( s2、没有多余的直流功耗;) L' ^% r5 t/ a) f7 S) i
3、消除驱动端的二次反射;
* P0 s; d' |, }+ Z, ~4、不受接收端负载变化的影响;
# ]& A. Y2 J5 P* G4 W+ P1 f/ N, ?) t, Y9 m" k, j; _( t) o# t
(2)缺点3 _. X7 h5 {/ D% [6 Z
1、接收端的一次发射依然存在;
- \, t& q/ ?; c# m5 r3 U2、信号边沿会有一些变化;
/ c$ @+ X" K7 O! H3、电阻要靠近驱动端放置,不适合双向 传输信号;
+ E6 E" V; g5 M% `+ U- l6 F" j4、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。, ^& f3 t, `* n/ [7 V
2.并联端接方式4 A  \/ A9 o6 [% Q
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。- o4 M- Y7 K- C
/ T- a; `  h. Q' E# b- N& b4 D# j

( ~7 E' J8 j3 }* L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。9 k. G- y8 q% t( ^5 d
9 a' Y3 Y+ k5 d8 X
并联端接优缺点3 c- i- T! B, t. C4 G3 D
(1)优点5 b% E6 m' w# W7 t
1、适用于多个负载7 v5 W8 ^4 P3 g* y1 l
2、只需要一个电阻并且阻值容易选取* _* Q$ R7 H$ O/ A
$ B0 x) M: b! B8 }& f, @* s  v! e3 b
(2)缺点
6 \! }: K0 w; g- m  ?1、增加了直流功耗1 d, z  j) |( x0 Z9 Y
3.AC并联端接# H2 r. u0 v+ k7 l
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。
5 p4 C9 E9 I0 R. |$ H
! v  ?8 B3 Q3 @4 b8 [
  h2 k3 x0 U- n7 C优缺点描述如下:9 Q  S+ {/ e" ]4 g6 M$ {# Q
2 X" Y8 ]1 [+ k5 U
(1)优点
, `; T/ u4 _5 i  Y1、适用于多个负载1 A3 Y2 K+ Z! @: T& A/ t6 q0 X) g
2、无直流功耗增加) C1 v  B3 ?8 n! H

; D, N( d% o2 j# Q2 @(2)缺点5 O! d: e2 I$ Z( {0 M# A7 p2 e' p% q
1、需要两个器件9 \7 Y! J( ?- Q6 Y3 d! E6 x5 l
2、增加了终端的容性负载,增加了RC电路造成的延时
) m5 ]1 i: C: M4 o# y5 c3、对周期性的信号有效(如时钟),不适合于非周期信号(如数据)
1 e* D4 B4 J# a! h( u# K; C& @4.戴维南端接
" C( m9 ~% w: W4 r' I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。" T( ~0 w. V6 y% [! g$ e
' {8 Z8 q- r) t

  T1 v2 h) _$ Z: x5 N/ p& A! b# i' x7 j: R$ ^9 Y
优缺点描述:& k/ }3 {; {) D/ j. Q
2 [; V, {+ J+ d& n6 E, W1 D
(1)优点
3 j: V" h) s4 a& `+ c9 q. S1、适用于多个负载
/ x  w! S* w( X$ q1 \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。, e0 F  W1 h1 y. _
8 I# [2 n5 z  l) s  o
(2)缺点
/ z: R$ R+ P3 q1、直流功耗增加/ b1 c. i7 ]/ O8 `! u
2、需要两个器件% D. y+ I4 l3 e
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
( g  T0 q' n# W) q3 P/ E7 K4、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。
+ H% _# K8 C: c! C2、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。5 a# W3 |; B% r: Z5 e: Y$ V
/ H( p. w9 j8 F6 q2 k

- X1 k3 p' P4 @$ F4 l1 b
# l2 }( |$ Y! e5 }" D; c) d0 u4 d" B3 m) T4 ]( U+ {' r

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    发表于 2019-12-9 10:28 | 只看该作者
    阻抗匹配讲的好!确实深处浅入,理解透彻!
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