输入输出阻抗即阻抗匹配.docx

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输入输出阻抗即阻抗匹配

（1）输出阻抗

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。

输出阻抗在电路设计最特别需要注意但现实中的电压源，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）的内阻了。

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。

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。

（2）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。

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）。

（3）输入阻抗为什么要大？

阻抗匹配是为了保证能量传输损耗最小，匹配就是上一级电路的内电阻要等于下一级电路的输入电阻。

可以分为低频和高频两种情况理解。

1。

低频低频领域可以用电工原理的理论，我们知道现实世界是不存在理想电源的，电源都有内电阻，在能量传输过程中，内阻本身也要消耗能量，这就是全电路欧姆定律阐明的原理：

电源电动势E＝I*（R+r）,其中I是电流，R是负载电阻，r是电源内阻，而功率P=U*I,＝I*I*R,通过计算就可以得出只有R=r时，负载获得的功率最大，这就是电子电路设计要求阻抗匹配的原因。

2。

高频在高频领域，以上的原理照样适用，只是阻抗的计算比较复杂，高频的性质是电磁波，它具有波的特性，要用电磁波传输理论来设计电路。

在传输过程中要尽量减少信号反射，就要考虑传输介质的材料特性、机械形状、尺寸等一系列参数，阻抗值实际是“波阻抗”，是一种等效阻抗。

如75欧高频电缆与50欧高频电缆的机械尺寸不同，波阻抗就不同，用万用表是无法测量的。

（4）前置放大器的输入级阻抗为什么要高？

提高阻抗有哪些办法？

输入阻抗高，表示该电路吸收的电源（或前一级电路的输出）功率小，电源或前级就能带动更多的负荷。

对于测量电路，如电子电压表、示波器等，就要求很高的输入阻抗，以便接入仪表后，对被测电路的影响尽可能地小。

提高方法：

（1）场效应管，输入阻抗自然高了。

（2）用自举接法提高输入阻抗。

（3）采用共集放大电路，三极管放大电路输入级一般接成共集方式。

以例子进行详细介绍输入输出阻抗即阻抗匹配

一、关于阻抗的基本概念

首先说说电阻（Resistance）,在电路中对电流通过具有阻碍作用，并且造成能量消耗的部分，称为电阻。

电阻常用R表示，单位欧姆（Ω），导体电阻值由导体的材料、横截面积和长度决定，具体计算不在此赘述。

接下来引出阻抗（Impedance）的概念。

在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。

阻抗常用Z表示，是一个复数，实际称为电阻，虚称为电抗。

其中，电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗（CapacitiveReactance） ,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗（Inductivereactance），电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。

阻抗的单位是欧姆。

二、输入阻抗和输出电阻

输入阻抗是指一个电路的输入端的等效阻抗。

可以理解为在输入端加上电压源U，测量输入端电流I，输入阻抗Rin就等于U/I（将所有电路元件作用的效果总和，等效到一个电阻Rin上）。

图1.输入阻抗等效电阻示意图

在图1中，Vin为上一级电路的输出信号,作为本级电路的输入信号，Vout为本级电路输出信号的测试点，虚线框内为本级电路的等效输入阻抗，Rin即为电路的输入端等效阻抗。

首先，我们设置输入信号为正弦波，幅值A=1V，频率f=10KHz:

由于信号源内部阻抗为0（上一级电路输出阻抗为0，后面会进行讲解），所以在Vout得到的输出信号应该等于原信号（纯电阻电路，幅值和相位均相等），即Vout=Vin，仿真结果如下：

图2.输入端等效阻抗仿真结果

我们通过光标A、B和图例可知，输入信号Vin的幅值A1为993.95mV、-991.83mV，峰峰值Vpp1≈1.985mV≈2V；输出信号Vout的幅值A2为991.5mV、997.76mV，峰峰值Vpp2≈1.989mV≈2V。

Vpp1=Vpp2。

有了输入阻抗的概念之后，我们可以更容易的理解输出阻抗的概念，也就是一个电路输出端的等效阻抗。

让我们先暂时回到高中时代，物理老师告诉我们，电池里面有一个内阻，所以我们可以得到图3这样一个电池模型：

图3.内阻为50Ω的电池模型

我们假设这是一个5V的电池，内部含有50Ω内阻。

下面按图4的方式连接电路，将电池加到一个10KΩ的电阻上，然后测一测电阻两端的电压Vout1。

图4.电池模型连接图

我们将仿真结果调出来看看。

图5.电池模型仿真结果一

从这个结果上看，似乎并不能看出任何东西。

那让我们将电池内阻R1分别改为1KΩ、5KΩ、10KΩ、20KΩ，再看一下结果。

图6.电池内阻为1KΩ（左上）、5KΩ（右上）、10KΩ（左下）、20KΩ（右下）仿真结果二

从图例上可以得知，加在电阻Rload两端的直流电压分别为4.55V（1KΩ）、3.33V（5KΩ）、2.5V（10KΩ）、1.67V（20KΩ）。

很明显，通过电阻分压公式，我们很容易就得到上面的几个数字：

Vout1=5V*Rload/（R1+Rload）。

好了，从高中回到现在。

通过刚才的仿真，可以看出，在本级输入阻抗（电池模型里的Rload）不变的情况下，上级电路的输出阻抗（电池内阻R1）越大，本级所能获取的电压信号就越小，正因为如此，在设计需要考虑信号幅值的电路中，我们就需要考虑阻抗匹配的问题。

三、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。

我们先从刚才的电池驱动负载模型（直流电压源驱动负载）入手。

我们重新定义负载电阻为R，直流电源电动势为U，内阻为r，我们可以计算出流过负载电阻R的电流I为：

I=U/（R+r）······式1 

从式1可以看出，负载R越小，输出电流I越大。

负载R上的电压Uo为：

Uo=IR=U/[1+（r/R）] ······式2

从式2可以看出，负载R越大，则输出电压Uo越高。

有了I和Uo，我们再来计算一下负载R上消耗的功率P：

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} ······式3

对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R是由我们来进行选择的。

注意式3中的[（R-r）2/R]，当R=r，即负载R与信号源内阻r相等时，[（R-r）2/R]取得最小值0，此时负载R上可以获得最大输出功率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（最大功率传输）。

此结论同样适用于低频电路和高频电路。

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阻抗匹配的问题，只考虑信号源与负载的关系，其原因是低频信号波长相对于传输线来说很长，可以将传输线看做“短线”，信号反射问题不用考虑（就像一杯水倒入长江，连一点波澜也掀不起）。

举个例子：

有一个频率f=10KHz的信号，根据波长计算公式λ＝u/f（λ为波长；u为电磁波在真空中传播速度，近似等于光速3×10e8m）可以计算出该信号波长λ1=3×10e8m/10,000Hz=3,000m。

波长3000m远远大于电路中传输线的长度。

在高频电路中，由于信号频率高，波长短，因此还需要考虑反射问题。

当波长短得与传输线长度相当时，反射信

号与原信号叠加，将会改变原信号形状。

如果传输线的特征阻抗与负载阻抗不相等（即不匹配，也称阻抗失配，会形

成反射，降低效率；会在传输线上形成驻波，降低传输线有效功率容量降低；严重时会损坏设备，高速信号会产生振

荡，辐射干扰等问题）时，在负载端就会产生反射。

（传输线特征阻抗，亦称特性阻抗，是由传输线的结构及材料决

定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率均无关，其他问题可以参考电磁场与电磁波方面关于传输线理论的

书籍）

从上述的分析中，我们可以得出以下结论：

（一）需要输出电流大，选择小的负载R；

（二）需要输出电压大，选择大的负载R；

（三）需要输出功率大，选择与信号源内阻匹配的电阻R。

由于很多学习相关电路设计的初学者常用运算放大器进行信号处理，所以给出一些个人建议：

（一）需要保证输入信号幅值不失真，则加大输入电阻；

（二）信号进行运算后如果驱动能力不够（可以理解为输出阻抗过大），后级加单位增益电压缓冲器（电  压跟  随器）；

（三）针对具体电路设计要求，选择优先保证信号幅值不失真，还是选择提高带负载能力，从而对输入阻  抗和  输出阻抗进行考虑；

（四）运算放大器输入阻抗和输出阻抗应该参见对应的Datasheet，并不是所有运放的输入阻抗都很大；

（五）信号频率较高时，最好优先选择最大功率传输方式进行阻抗匹配，避免反射，造成运放自激振荡；

（六）如果出现设计之外的信号衰减，请优先考虑阻抗匹配问题。

四、怎么做阻抗匹配

当电路中出现阻抗不匹配的问题时，我们通常采用以下方法纠正，达到阻抗匹配的目的：

（一）可以考虑用传输线变压器做阻抗匹配（电视机馈线与射频输入端）；

（二）可以考虑使用串/并联电容或电感的办法（射频电路调试常用）；

（三）可以考虑串/并联电阻的办法（常用）。

如果驱动器输出阻抗比较低，可以串联一个大小合适的电阻 （如50Ω、75Ω）与传输线进行匹配；而如果接收器输入阻抗比较高，可以并联一个大小合适的电阻 与传输线进行匹配（“输出端串联匹配，输入端并联匹配”）