外行理解的阻抗匹配

射频电路一小白，在网上看了些阻抗匹配的文章，坐下来总结下。

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输入阻抗与输出阻抗

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。

1. 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；
2. 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。

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。
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。
现实中的电压源做不到这一点，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）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。

基本原理

下图中R为负载电阻，r为电源E的内阻，E为电压源。由于r的存在，当R很大时，电路接近开路状态；而当R很少时接近短路状态。显然负载在开路及短路状态都不能获得最大功率。

根据式:

从上式可看出，当R=r时，式中分母中的(R-r)的值最小为0，此时负载所获取的功率最大。所以，当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大功率，这就是电子电路阻抗匹配的基本原理。

该原理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，情况有所不同，需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部相反，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。

传输线的反射

实际生活中的导线长度是有限，当射频信号到达导线末端，能量没有办法释放，就会沿着导线反传回来。好比对着墙喊，声音碰到墙反传回来产生回音。我们想像中的射频信号发射出去就没有反射回来的情况在现实是不存在的。

上图中，考虑导线只是传输能量的，导线本身并不消耗能量或者近似于不损耗能量（有点想电容或者电感的属性），电阻则是一个损耗能量的元件。我们在线的末端接上一个电阻来消耗（或者接收）线上传输过来的射频能量。这时会有三种可能情况：

1. 当R=RO 时，传输过来的能量刚刚好被末端的电阻R吸收完，没有能量反射回去。可看成这导线是无线长。
2. 当R=∞时（开路），能量全部反射回去，而且在线的末端点会产生2倍于发射源的电压。
3. 当R=0时，末端点会产生一个-1倍于源电压反射回去。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。阻抗匹配是针对射频等而言的，对于功率电路则不适用的，否则会烧掉东西。

举个例子说明下阻抗不匹配时的反射问题：练习拳击时的打沙包。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，如把沙包里面换成了铁沙，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，如把里面换成了棉花，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。

这就是高频电路中要考虑反射的问题。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相当时，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，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。

阻抗匹配

阻抗匹配（Impedance matching）是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，使所有高频的微波信号皆能传至负载点，几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

阻抗匹配方法有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuit matching），另一种则是调整传输线的波长（transmission line matching）。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。

1. 在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。
2. 当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。

阻抗匹配方法

当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配呢？

1. 可以考虑使用变压器来做阻抗转换。
2. 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。
3. 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)。

• 串联端接方式
  靠近输出端的位置串联一个电阻，要达到匹配效果，串联电阻和驱动端输出阻抗的总和应等于传输线的特征阻抗Z0。
  
  在通常的数字信号系统中，器件的输出阻抗通常是十几欧姆到二十几欧姆，传输线的阻抗通常会控制在50欧姆，所以始端匹配电阻常见为33欧姆电阻。当然要达到好的匹配效果，驱动端输出到串联电阻这一段的传输路径最好较短，短到可以忽略这一段传输线的影响。
  串联电阻优缺点如下：

  1. 优点
     1. 只需要一个电阻；
     2. 没有多余的直流功耗；
     3. 消除驱动端的二次反射；
     4. 不受接收端负载变化的影响；
  2. 缺点
     1. 接收端的一次发射依然存在；
     2. 信号边沿会有一些变化；
     3. 电阻要靠近驱动端放置，不适合双向 传输信号；
     4. 在线上传输的电压是驱动电压的一半，不适合菊花链的多型负载结构。

• 并联端接方式
  并联端接又叫终端匹配，要达到阻抗匹配的要求，端接的电阻应该和传输线的特征阻抗Z0相等。
  
  在通常的数字信号传输系统里，接收端的阻抗范围为几兆到十几兆，终端匹配电阻如果和传输线的特征阻抗相等，其和接收端阻抗并联后的阻抗大致还是在传输线的特征阻抗左右，那么终端的反射系数为0。不会产生反射，消除的是终端的一次反射。
  并联端接优缺点

  1. 优点
     1. 适用于多个负载。
     2. 只需要一个电阻并且阻值容易选取。
  2. 缺点
     1. 增加了直流功耗。
     2. 并联端接可以上拉到电源或者下拉到地，是的低电平升高或者高电平降低，减小噪声容限。

• AC并联端接
  并联端接为消除直流功耗，可以采用如下所示的AC并联端接（AC终端匹配）。要达到匹配要求，端接的电阻应该和传输线的特征阻抗Z0相等。
  
  优缺点描述如下：

  1. 优点
     1. 适用于多个负载
     2. 无直流功耗增加
  2. 缺点
     1. 需要两个器件
     2. 增加了终端的容性负载，增加了RC电路造成的延时
     3. 对周期性的信号有效（如时钟），不适合于非周期信号（如数据）

• 戴维南端接
  戴维南端接同终端匹配，如下图，要达到匹配要求，终端的电阻并联值要和传输线的特征阻抗Z0相等。
  
  优缺点描述：

1. 优点
   1. 适用于多个负载
   2. 很适用于SSTL/HSTL电平上拉或下拉输出阻抗很好平衡的情况。
2. 缺点
   1. 直流功耗增加
   2. 需要两个器件
   3. 端接电阻上拉到电源或下拉到地，会使得低电平升高或高电平降低
   4. 电阻值较难选择，电阻值取值小会使低电平升高，高电平降低更加恶劣；电阻值取大有可能造成不能完全匹配，使反射增大，可以通过仿真来确定。

参考：

1. 怎样理解阻抗匹配？ 深入浅出，收藏！
2. 阻抗匹配的基本原理
3. 轻轻松松让你学会阻抗匹配原理和方法
4. 总算有人讲明白了什么是特性阻抗什么是阻抗匹配

标签：负载,阻抗,传输线,电阻,阻抗匹配,外行,理解,匹配
来源： https://blog.csdn.net/helaisun/article/details/100598664