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高频阻抗匹配,为什么要阻抗匹配

张世龙 05-13 11:07 45次浏览

一、输入阻抗

输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。 在输入端施加电压源u,测量输入端的电流I时,输入阻抗Rin为U/I。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

输入阻抗与通常的电抗元件相同,反映了对电流的阻碍作用的大小。 在电压驱动的电路中,输入阻抗越大,对电压源的负载越轻,因此容易驱动,不影响信号源。 在电流驱动型电路中,输入阻抗越小,电流源上的负载越轻。 因此,如果用电压源驱动,则认为输入阻抗越大越好; 在用电流源驱动情况下,阻抗越小越好(注:仅适合低频电路,在高频电路中也考虑阻抗匹配的问题),另外,在想要得到最大输出的情况下,还需要考虑阻抗匹配的问题

二、输出阻抗

无论信号源、放大器、电源如何,都存在输出阻抗问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻对于理想电压源(包括电源),内阻必须为0,或者理想电流源的阻抗必须无限大。 但是,在现实的电压源中,这是做不到的。 我们通过在理想的电压源上串联电阻r与实际的电压源等价。 与该理想电压源串联的电阻r是(信号源/放大器输出/电源)的内阻。 当从该电压源向负载供给电力时,从该负载流过电流I,在该电阻上产生Ir的电压降。 这样会降低电源的输出电压,限制最大输出。 关于最大输出受到限制的理由,请参照后述的“阻抗匹配”。 同样,在理想的电流源中,输出阻抗应该无限大,但在实际电路中是不可能的

三、阻抗匹配

阻抗匹配是信号源或传输线与负载的适当组合。 阻抗匹配分为低频和高频两种情况进行研究。 先从直流电压源驱动负载开始吧。 实际电压源始终具有内阻,因此可以将实际电压源等效为理想电压源与电阻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,则流过电阻r的电流可以计算为I=u/(rr ),可知负载电阻r越小,输出电流越大。 施加于负载r的电压为Uo=IR=u/[1(r/r ) ],可知负载电阻r越大,输出电压uo越高。 让我们计算一下电阻r的功耗。

p=I2r=[u/(rr ) ]2r=u2r/(R2rrR2 ) ) ) ) ) ) ) )

=U2R/[(R-R )2) RR]

=U2/{[(R-R )2/R ) 4R}

对于给定的信号源,其内阻r是固定的,负载电阻r由我们选择。 关注式中[(r-r )2/r ) ],在R=r的情况下,(r-r )2/r )取最小值0,此时在负载电阻r中得到最大输出功率pmax=u2/) 4r。 也就是说,当负载电阻等于信号源内阻时,负载可以获得最大输出,这是常见的阻抗匹配之一。 该结论同样适用于低频电路及高频电路。 如果交流电路包含电容性或电感性阻抗,则结论将改变的是信号源和负载阻抗的实部必须相等,虚部必须互为倒数,这称为共轭匹配。 在低频电路中,一般不考虑传输路径匹配的问题,而仅考虑信号源与负载之间的状况。 因为低频信号的波长相对于传输路径长,所以传输路径可以被认为是“短线”,可以不考虑反射(由于线短,即使反射也可以理解为与原始信号相同)。 以上分析可以得出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。阻抗不匹配还有另一层含义。 例如,一些设备的输出端子被设计为具有特定的负载条件,并且如果负载条件改变,则可能不能获得原始性能。 在这种情况下,也称为阻抗不匹配。

在高频电路中,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,反射和特性阻抗的求解方法涉及二阶偏微分方程的求解方法,在此不再详细叙述,感兴趣的人请参照书籍关于电磁场和微波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。

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