关于阻抗匹配的理解



最近在做微小信号经过运放放大时,再次让我感受到阻抗匹配的重要性。经过一天的研究以及整理,小编总结出一下关于阻抗匹配的一些理解。

介绍阻抗匹配之前,离不开两个词,输入阻抗和输出阻抗。前期的文章已经介绍过输入阻抗和输出阻抗,这里就不再赘述。

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。 

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)。

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。

在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。对于数字电路,一般超过30MHz就认为是高频电路。

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。

C=Y*F,其中电磁波或电流C为传输速度,近似为光速,Y为波长,F为频率。

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。

特征阻抗,它不是直流电阻,属于长线传输中的概念。在高频范围内,信号传输过程中,信号沿到达的地方,信号线和参考平面(电源或地平面)间由于电场的建立,会产生一个瞬间电流,如果传输线是各向同性的,那么只要信号在传输,就始终存在一个电流I,而如果信号的输出电平为V,在信号传输过程中,传输线就会等效成一个电阻,大小为V/I,把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。

测量特性阻抗时,可在电缆的另一端用特性阻抗的等值电阻终接,其测量结果会跟输入信号的频率有关。

如果阻抗不匹配,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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  作者:杭州卿萃科技ALIFPGA 

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posted @ 2017-12-08 08:40  alifpga  阅读(4725)  评论(0编辑  收藏  举报