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深入淺出理解阻抗匹配


阻抗匹配（impedance matching）是指信號(hào)傳輸過程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對(duì)器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對(duì)于低頻電路和高頻電路，阻抗匹配有很大的不同。

在理解阻抗匹配前，先要搞明白輸入阻抗和輸出阻抗。

一、輸入阻抗

輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(gè)電壓源U，測(cè)量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端，這個(gè)電阻的阻值，就是輸入阻抗。

輸入阻抗跟一個(gè)普通的電抗元件沒什么兩樣，它反映了對(duì)電流阻礙作用的大小。對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路，輸入阻抗越大，則對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響；而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。因此，我們可以這樣認(rèn)為：如果是用電壓源來驅(qū)動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來驅(qū)動(dòng)的，則阻抗越小越好（注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問題),另外如果要獲取大輸出功率時(shí)，也要考慮　阻抗匹配問題

二、輸出阻抗

無論信號(hào)源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個(gè)信號(hào)源的內(nèi)阻。本來，對(duì)于一個(gè)理想的電壓源（包括電源），內(nèi)阻應(yīng)該為0，或理想電流源的阻抗應(yīng)當(dāng)為無窮大。但現(xiàn)實(shí)中的電壓源，則不能做到這一點(diǎn)。我們常用一個(gè)理想電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻r的方式來等效一個(gè)實(shí)際的電壓源。這個(gè)跟理想電壓源串聯(lián)的電阻r，就是（信號(hào)源/放大器輸出/電源）內(nèi)阻了。當(dāng)這個(gè)電壓源給負(fù)載供電時(shí)，就會(huì)有電流 I 從這個(gè)負(fù)載上流過，并在這個(gè)電阻上產(chǎn)生 I×r 的電壓降。這將導(dǎo)致電源輸出電壓的下降，從而限制了大輸出功率（關(guān)于為什么會(huì)限制大輸出功率，請(qǐng)看后面的“阻抗匹配”一問）。同樣的，一個(gè)理想的電流源，輸出阻抗應(yīng)該是無窮大，但實(shí)際的電路是不可能的。

三、阻抗匹配

阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。 我們先從直流電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動(dòng)勢(shì)為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流過電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負(fù)載電阻R越小，則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，負(fù)載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為：

P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)

=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]

=U2/

對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)2/R]，當(dāng)R=r時(shí)，[(R-r)2/R]可取得小值0，這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論有所改變，就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共扼匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長相對(duì)于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這么理解：因?yàn)榫€短，即使反射回來，跟原信號(hào)還是一樣的）。

從以上分析我們可以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負(fù)載R；如果我們需要輸出功率大，則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來的性能，這時(shí)我們也會(huì)叫做阻抗失配。  

在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等（即不匹配）時(shí)，在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。

為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細(xì)說了，有興趣的可參看電磁場(chǎng)與微波方面書籍中的傳輸線理論。

傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號(hào)的幅度、頻率等均無關(guān)。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω，而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Ω的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω，所以300Ω的饋線將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個(gè)問題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機(jī)的附件中，有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器（一個(gè)塑料封裝的，一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東，大概有兩個(gè)大拇指那么大）。

它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線變壓器，將300Ω的阻抗，變換成75Ω的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念，它與傳輸線的長度無關(guān)，也不能通過使用歐姆表來測(cè)量。

為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配，如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢？如果不匹配，則會(huì)形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會(huì)在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號(hào)強(qiáng)，有些地方信號(hào)弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。

當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說的電視機(jī)中的那個(gè)例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時(shí)常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號(hào)線，有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。(始端串聯(lián)匹配，終端并聯(lián)匹配)

為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問題，我來舉兩個(gè)例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會(huì)感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會(huì)*了——這就是負(fù)載過重的情況，會(huì)產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會(huì)撲空，手也可能會(huì)*——這就是負(fù)載過輕的情況。

附：阻抗匹配的四種處理方式

當(dāng)傳輸路徑上阻抗不連續(xù)時(shí)，會(huì)有反射發(fā)生，阻抗匹配的作用就是通過端接元器件，時(shí)傳輸路線上的阻抗連續(xù)以去除傳輸鏈路上產(chǎn)生的反射。常見的阻抗匹配有如下幾種：

一、串聯(lián)端接方式 

靠近輸出端的位置串聯(lián)一個(gè)電阻，要達(dá)到匹配效果，串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)端輸出阻抗的總和應(yīng)等于傳輸線的特征阻抗Z0。

在通常的數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中，器件的輸出阻抗通常是十幾歐姆到二十幾歐姆，傳輸線的阻抗通常會(huì)控制在50歐姆，所以始端匹配電阻常見為33歐姆電阻。

當(dāng)然要達(dá)到好的匹配效果，驅(qū)動(dòng)端輸出到串聯(lián)電阻這一段的傳輸路徑要較短，短到可以忽略這一段傳輸線的影響。

串聯(lián)電阻優(yōu)缺點(diǎn)如下：

   （1）優(yōu)點(diǎn)

           1、只需要一個(gè)電阻；

           2、沒有多余的直流功耗；

           3、消除驅(qū)動(dòng)端的二次反射；

           4、不受接收端負(fù)載變化的影響；

   （2）缺點(diǎn)

           1、接收端的一次發(fā)射依然存在；

           2、信號(hào)邊沿會(huì)有一些變化；

           3、電阻要靠近驅(qū)動(dòng)端放置，不適合雙向 傳輸信號(hào)；

           4、在線上傳輸?shù)碾妷菏球?qū)動(dòng)電壓的一半，不適合菊花鏈的多型負(fù)載結(jié)構(gòu)。

二、并聯(lián)端接方式 

并聯(lián)端接又叫終端匹配，要達(dá)到阻抗匹配的要求，端接的電阻應(yīng)該和傳輸線的特征阻抗Z0相等。 

在通常的數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)里，接收端的阻抗范圍為幾兆到十幾兆，終端匹配電阻如果和傳輸線的特征阻抗相等，其和接收端阻抗并聯(lián)后的阻抗大致還是在傳輸線的特征阻抗左右，那么終端的反射系數(shù)為0。不會(huì)產(chǎn)生反射，消除的是終端的一次反射。

并聯(lián)端接優(yōu)缺點(diǎn)

     （1）優(yōu)點(diǎn)

     1、適用于多個(gè)負(fù)載

     2、只需要一個(gè)電阻并且阻值容易選取

     （2）缺點(diǎn)

     1、增加了直流功耗

     2、并聯(lián)端接可以上拉到電源或者下拉到地，是的低電平升高或者高電平降低，減小噪聲容限。

三、AC并聯(lián)端接 

并聯(lián)端接為消除直流功耗，可以采用如下所示的AC并聯(lián)端接（AC終端匹配）。要達(dá)到匹配要求，端接的電阻應(yīng)該和傳輸線的特征阻抗Z0相等。

優(yōu)缺點(diǎn)描述如下： 
（1）優(yōu)點(diǎn) 
1、適用于多個(gè)負(fù)載 
2、無直流功耗增加 
（2）缺點(diǎn) 
1、需要兩個(gè)器件 
2、增加了終端的容性負(fù)載，增加了RC電路造成的延時(shí) 
3、對(duì)周期性的信號(hào)有效（如時(shí)鐘），不適合于非周期信號(hào)（如數(shù)據(jù)）

四、戴維南端接 

戴維南端接同終端匹配，如下圖，要達(dá)到匹配要求，終端的電阻并聯(lián)值要和傳輸線的特征阻抗Z0相等。

優(yōu)缺點(diǎn)描述： 
（1）優(yōu)點(diǎn) 
1、適用于多個(gè)負(fù)載 
2、很適用于SSTL/HSTL電平上拉或下拉輸出阻抗很好平衡的情況。 
（2）缺點(diǎn) 
1、直流功耗增加 
2、需要兩個(gè)器件 
3、端接電阻上拉到電源或下拉到地，會(huì)使得低電平升高或高電平降低 
4、電阻值較難選擇，電阻值取值小會(huì)使低電平升高，高電平降低更加惡劣；電阻值取大有可能造成不能*匹配，使反射增大，可以通過仿真來確定。