阻抗匹配基础.docx

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阻抗匹配基础

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英文名称：

impedancematching

大体概念

信号传输进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知足的某种关系，以避免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的阻碍。

对电子设备互连来讲，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就能够够为阻抗匹配良好；关于放大器连接音箱来讲，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器那么无此限制，能够接任何阻抗的音箱。

匹配条件

　　①负载阻抗等于信源内阻抗，即它们的模与辐角别离相等，这时在负载阻抗上能够取得无失真的电压传输。

　　②负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。

这时在负载阻抗上能够取得最大功率。

这种匹配条件称为共轭匹配。

若是信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性，那么两种匹配条件是等同的。

　　阻抗匹配是指负载阻抗与鼓励源内部阻抗相互适配，取得最大功率输出的一种工作状态。

关于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。

在纯电阻电路中，当负载电阻等于鼓励源内阻时，那么输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，不然称为失配。

　　当鼓励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载取得最大功率，负载阻抗与内阻必需知足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份绝对值相等而符号相反。

这种匹配条件称为共扼匹配。

　　阻抗匹配（Impedancematching）是微波电子学里的一部份，要紧用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，可不能有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

史密夫图表上。

电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。

若是把电容或电感接地，第一图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。

重覆以上方式直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变成零完成匹配。

共轭匹配

　　在信号源给定的情形下，输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比K，当二者相等，即K=1时，输出功率最大。

但是阻抗匹配的概念能够推行到交流电路，当负载阻抗与信号源阻抗共轭时，能够实现功率的最大传输，若是负载阻抗不知足共轭匹配的条件，就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络，将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭，实现阻抗匹配。

匹配分类

　　大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuitmatching），另一种那么是调整传输线的波长（transmissionlinematching）。

　　要匹配一组线路，第一把负载点的阻抗值除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密夫图表上。

　　1.改变阻抗力

　　把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。

若是把电容或电感接地，第一图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。

重复以上方式直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变成零完成匹配。

　　2.调整传输线

　　由负载点至来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿著图中心以逆时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配。

　　阻抗匹配那么传输功率大，关于一个电源来讲，单它的内阻等于负载时，输出功率最大，现在阻抗匹配。

最大功率传输定理，若是是高频的话，确实是无反射波。

关于一般的宽频放大器，输出阻抗50Ω，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是若是信号波久远远大于电缆长度，即缆长能够忽略的话，就不必考虑阻抗匹配了。

阻抗匹配是指在能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特点阻抗相等，现在的传输可不能产生反射，这说明所有能量都被负载吸收了。

反之那么在传输中有能量损失。

高速PCB布线时，为了避免信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧姆。

这是个大约的数字，一样规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，对绞线那么为100欧姆，只是取个整罢了，为了匹配方便。

何为阻抗

阻抗是电阻与电抗在向量上的和。

高频电路的阻抗匹配由于高频功率放大器工作于非线性状态，因此线性电路和阻抗匹配（即：

负载阻抗与电源内阻相等）这一概念不能适用于它。

因为在非线性（如：

丙类）工作的时候，电子器件的内阻变更猛烈：

通流的时候，内阻很小；截止的时候，内阻接近无穷大。

因此输出电阻不是常数。

因此所谓匹配的时候内阻等于外阻，也就失去了意义。

因此，高频功率放大的阻抗匹配概念是：

在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，使电子器件送出额定的输出功率至负载。

这就叫做达到了匹配状态。

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如何明白得阻抗匹配

阻抗匹配是指信号源或传输线跟负载之间的一种适合的搭配方式。

阻抗匹配分为低频和高频两种情形讨论。

咱们先从直流电压源驱动一个负载入手。

由于实际的电压源，老是有内阻的，咱们能够把一个实际电压源，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，那么咱们能够计算出流过电阻R的电流为：

I=U/（R+r），能够看出，负载电阻R越小，那么输出电流越大。

负载R上的电压为：

Uo=IR=U*[1+（r/R）]，能够看出，负载电阻R越大，那么输出电压Uo越高。

再来计算一下电阻R消耗的功率为：

P=I*I*R=[U/（R+r）]*[U/（R+r）]*R=U*U*R/（R*R+2*R*r+r*r）

=U*U*R/[（R-r）*（R-r）+4*R*r]

=U*U/{[（R-r）*（R-r）/R]+4*r}

关于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R那么是由咱们来选择的。

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上可取得最大输出功率Pmax=U*U/（4*r）。

即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可取得最大输出功率，这确实是咱们常说的阻抗匹配之一。

关于纯电阻电路，此结论一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，确实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，咱们一样不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情形，因为低频信号的波长相关于传输线来讲很长，传输线能够看成是“短线”，反射能够不考虑（能够这么明白得：

因为线短，即便反射回来，跟原信号仍是一样的）。

从以上分析咱们能够得出结论：

若是咱们需要输出电流大，那么选择小的负载R;若是咱们需要输出电压大，那么选择大的负载R;若是咱们需要输出功率最大，那么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，若是负载条件改变了，那么可能达不到原先的性能，这时咱们也会叫做阻抗失配。

在高频电路中，咱们还必需考虑反射的问题。

当信号的频率很高时，那么信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度能够比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。

若是传输线的特点阻抗跟负载阻抗不匹配（相等）时，在负载端就会产生反射。

什么缘故阻抗不匹配时会产生反射和特点阻抗的求解方式，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在那个地址咱们不细说了，有爱好的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。

传输线的特点阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构和材料决定的，而与传输线的长度，和信号的幅度、频率等均无关。

例如，经常使用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75欧，而一些射频设备上那么经常使用特点阻抗为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，这在农村利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，因此300欧的馈线将与其不能匹配。

实际中是如何解决那个问题的呢？

不明白大伙儿有无留意到，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，可能有两个大拇指那么大的）？

它里面其实确实是一个传输线变压器，将300欧的阻抗，变换成75欧的，如此就能够够匹配起来了。

那个地址需要强调一点的是，特性阻抗跟咱们通常明白得的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关，也不能通过利用欧姆表来测量。

为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特点阻抗应该相等，这确实是传输线的阻抗匹配。

若是阻抗不匹配会有什么不良后果呢？

若是不匹配，那么会形成反射，能量传递只是去，降低效率;会在传输线上形成驻波（简单的明白得，确实是有些地址信号强，有些地址信号弱），致使传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去，乃至会损坏发射设备。

若是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，有哪些方法让它匹配呢？

第一，能够考虑利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，能够考虑利用串联/并联电容或电感的方法，这在调试射频电路时常利用。

第三，能够考虑利用串联/并联电阻的方法。

一些驱动器的阻抗比较低，能够串联一个适合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那么比较高，能够利用并联电阻的方式，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。

为了帮忙大伙儿明白得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。

若是是一个重量适合的、硬度适合的沙包，你打上去会感觉很舒畅。

可是，若是哪一天我把沙包做了手脚，例如，里面换成了铁沙，你仍是用以前的力打上去，你的手可能就会受不了了——这确实是负载过重的情形，会产生专门大的反弹力。

相反，若是我把里面换成了很轻很轻的东西，你一出拳，那么可能会扑空，手也可能会受不了——这确实是负载太轻的情形。

另一个例子，不明白大伙儿有无过如此的经历：

确实是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以为还有楼梯时，就会显现“负载不匹配”如此的感觉了。

固然，或许如此的例子不太适当，但咱们能够拿它来明白得负载不匹配时的反射情形。

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高速PCB设计中的阻抗匹配（资料整理）

阻抗匹配

阻抗匹配是指在能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特点阻抗相等，现在的传输可不能产生反射，这说明所有能量都被负载吸收了。

反之那么在传输中有能量损失。

在高速PCB设计中，阻抗的匹配与否关系到信号的质量好坏。

PCB走线何时需要做阻抗匹配？

没关系看频率，而关键是看信号的边沿峻峭程度，即信号的上升/下降时刻，一样以为若是信号的上升/下降时刻（按10%～90%计）小于6倍导线延时，确实是高速信号，必需注意阻抗匹配的问题。

导线延时一样取值为150ps/inch。

特点阻抗

信号沿传输线传播进程当中，若是传输线上遍地具有一致的信号传播速度，而且单位长度上的电容也一样，那么信号在传播进程中老是看到完全一致的刹时阻抗。

由于在整个传输线上阻抗维持恒定不变，咱们给出一个特定的名称，来表示特定的传输线的这种特点或是特性，称之为该传输线的特点阻抗。

特点阻抗是指信号沿传输线传播时，信号看到的刹时阻抗的值。

特点阻抗与PCB导线所在的板层、PCB所用的材质（介电常数）、走线宽度、导线与平面的距离等因素有关，与走线长度无关。

特点阻抗能够利用软件计算。

高速PCB布线中，一样把数字信号的走线阻抗设计为50欧姆，这是个大约的数字。

一样规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，对绞线（差分）为100欧姆。

常见阻抗匹配的方式

一、串联终端匹配

在信号源端阻抗低于传输线特点阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特点阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号