深入淺出理解阻抗匹配


阻抗匹配（impedance matching）是指信號傳(chuan) 輸過程中負載阻抗和信源內(nei) 阻抗之間的特定配合關(guan) 係。一件器材的輸出阻抗和所連接的負載阻抗之間所應滿足的某種關(guan) 係，以免接上負載後對器材本身的工作狀態產(chan) 生明顯的影響。對於(yu) 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(ge) 電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(ge) 電壓源U，測量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個(ge) 電阻的兩(liang) 端，這個(ge) 電阻的阻值，就是輸入阻抗。

輸入阻抗跟一個(ge) 普通的電抗元件沒什麽(me) 兩(liang) 樣，它反映了對電流阻礙作用的大小。對於(yu) 電壓驅動的電路，輸入阻抗越大，則對電壓源的負載就越輕，因而就越容易驅動，也不會(hui) 對信號源有影響；而對於(yu) 電流驅動型的電路，輸入阻抗越小，則對電流源的負載就越輕。因此，我們(men) 可以這樣認為(wei) ：如果是用電壓源來驅動的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來驅動的，則阻抗越小越好（注：隻適合於(yu) 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，也要考慮　阻抗匹配問題

二、輸出阻抗

無論信號源或放大器還有bv伟德手机客户端平台，都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個(ge) 信號源的內(nei) 阻。本來，對於(yu) 一個(ge) 理想的電壓源（包括bv伟德手机客户端平台），內(nei) 阻應該為(wei) 0，或理想電流源的阻抗應當為(wei) 無窮大。但現實中的電壓源，則不能做到這一點。我們(men) 常用一個(ge) 理想電壓源串聯一個(ge) 電阻r的方式來等效一個(ge) 實際的電壓源。這個(ge) 跟理想電壓源串聯的電阻r，就是（信號源/放大器輸出/bv伟德手机客户端平台）內(nei) 阻了。當這個(ge) 電壓源給負載供電時，就會(hui) 有電流 I 從(cong) 這個(ge) 負載上流過，並在這個(ge) 電阻上產(chan) 生 I×r 的電壓降。這將導致bv伟德手机客户端平台輸出電壓的下降，從(cong) 而限製了大輸出功率（關(guan) 於(yu) 為(wei) 什麽(me) 會(hui) 限製大輸出功率，請看後麵的“阻抗匹配”一問）。同樣的，一個(ge) 理想的電流源，輸出阻抗應該是無窮大，但實際的電路是不可能的。

三、阻抗匹配

阻抗匹配是指信號源或者傳(chuan) 輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為(wei) 低頻和高頻兩(liang) 種情況討論。 我們(men) 先從(cong) 直流電壓源驅動一個(ge) 負載入手。由於(yu) 實際的電壓源，總是有內(nei) 阻的，我們(men) 可以把一個(ge) 實際電壓源，等效成一個(ge) 理想的電壓源跟一個(ge) 電阻r串聯的模型。假設負載電阻為(wei) R，bv伟德手机客户端平台電動勢為(wei) U，內(nei) 阻為(wei) r，那麽(me) 我們(men) 可以計算出流過電阻R的電流為(wei) ：I=U/(R+r)，可以看出，負載電阻R越小，則輸出電流越大。負載R上的電壓為(wei) ：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，負載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來計算一下電阻R消耗的功率為(wei) ：

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

=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]

=U2/

對於(yu) 一個(ge) 給定的信號源，其內(nei) 阻r是固定的，而負載電阻R則是由我們(men) 來選擇的。注意式中[(R-r)2/R]，當R=r時，[(R-r)2/R]可取得小值0，這時負載電阻R上可獲得大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即，當負載電阻跟信號源內(nei) 阻相等時，負載可獲得大輸出功率，這就是我們(men) 常說的阻抗匹配之一。此結論同樣適用於(yu) 低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時，結論有所改變，就是需要信號源與(yu) 負載阻抗的的實部相等，虛部互為(wei) 相反數，這叫做共扼匹配。在低頻電路中，我們(men) 一般不考慮傳(chuan) 輸線的匹配問題，隻考慮信號源跟負載之間的情況，因為(wei) 低頻信號的波長相對於(yu) 傳(chuan) 輸線來說很長，傳(chuan) 輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這麽(me) 理解：因為(wei) 線短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的）。

從(cong) 以上分析我們(men) 可以得出結論：如果我們(men) 需要輸出電流大，則選擇小的負載R；如果我們(men) 需要輸出電壓大，則選擇大的負載R；如果我們(men) 需要輸出功率大，則選擇跟信號源內(nei) 阻匹配的電阻R。有時阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀(yi) 器輸出端是在特定的負載條件下設計的，如果負載條件改變了，則可能達不到原來的性能，這時我們(men) 也會(hui) 叫做阻抗失配。  

在高頻電路中，我們(men) 還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當波長短得跟傳(chuan) 輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會(hui) 改變原信號的形狀。如果傳(chuan) 輸線的特征阻抗跟負載阻抗不相等（即不匹配）時，在負載端就會(hui) 產(chan) 生反射。

為(wei) 什麽(me) 阻抗不匹配時會(hui) 產(chan) 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，在這裏我們(men) 不細說了，有興(xing) 趣的可參看電磁場與(yu) 微波方麵書(shu) 籍中的傳(chuan) 輸線理論。

傳(chuan) 輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳(chuan) 輸線的結構以及材料決(jue) 定的，而與(yu) 傳(chuan) 輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關(guan) 。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為(wei) 75Ω，而一些射頻設備上則常用特征阻抗為(wei) 50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳(chuan) 輸線是特性阻抗為(wei) 300Ω的扁平平行線，這在農(nong) 村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因為(wei) 電視機的射頻輸入端輸入阻抗為(wei) 75Ω，所以300Ω的饋線將與(yu) 其不能匹配。實際中是如何解決(jue) 這個(ge) 問題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機的附件中，有一個(ge) 300Ω到75Ω的阻抗轉換器（一個(ge) 塑料封裝的，一端有一個(ge) 圓形的插頭的那個(ge) 東(dong) 東(dong) ，大概有兩(liang) 個(ge) 大拇指那麽(me) 大）。

它裏麵其實就是一個(ge) 傳(chuan) 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。這裏需要強調一點的是，特性阻抗跟我們(men) 通常理解的電阻不是一個(ge) 概念，它與(yu) 傳(chuan) 輸線的長度無關(guan) ，也不能通過使用歐姆表來測量。

為(wei) 了不產(chan) 生反射，負載阻抗跟傳(chuan) 輸線的特征阻抗應該相等，這就是傳(chuan) 輸線的阻抗匹配，如果阻抗不匹配會(hui) 有什麽(me) 不良後果呢？如果不匹配，則會(hui) 形成反射，能量傳(chuan) 遞不過去，降低效率；會(hui) 在傳(chuan) 輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱），導致傳(chuan) 輸線的有效功率容量降低；功率發射不出去，甚至會(hui) 損壞發射設備。如果是電路板上的高速信號線與(yu) 負載阻抗不匹配時，會(hui) 產(chan) 生震蕩，輻射幹擾等。

當阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢？，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉換，就像上麵所說的電視機中的那個(ge) 例子那樣。第二，可以考慮使用串聯/並聯電容或電感的辦法，這在調試射頻電路時常使用。第三，可以考慮使用串聯/並聯電阻的辦法。一些驅動器的阻抗比較低，可以串聯一個(ge) 合適的電阻來跟傳(chuan) 輸線匹配，例如高速信號線，有時會(hui) 串聯一個(ge) 幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用並聯電阻的方法，來跟傳(chuan) 輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數據線終端並聯120歐的匹配電阻。(始端串聯匹配，終端並聯匹配)

為(wei) 了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題，我來舉(ju) 兩(liang) 個(ge) 例子：假設你在練習(xi) 拳擊——打沙包。如果是一個(ge) 重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會(hui) 感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，裏麵換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會(hui) *了——這就是負載過重的情況，會(hui) 產(chan) 生很大的反彈力。相反，如果我把裏麵換成了很輕很輕的東(dong) 西，你一出拳，則可能會(hui) 撲空，手也可能會(hui) *——這就是負載過輕的情況。

附：阻抗匹配的四種處理方式

當傳(chuan) 輸路徑上阻抗不連續時，會(hui) 有反射發生，阻抗匹配的作用就是通過端接元器件，時傳(chuan) 輸路線上的阻抗連續以去除傳(chuan) 輸鏈路上產(chan) 生的反射。常見的阻抗匹配有如下幾種：

一、串聯端接方式 

靠近輸出端的位置串聯一個電阻，要達到匹配效果，串聯電阻和驅動端輸出阻抗的總和應等於傳輸線的特征阻抗Z0。

在通常的數字信號係統中，器件的輸出阻抗通常是十幾歐姆到二十幾歐姆，傳(chuan) 輸線的阻抗通常會(hui) 控製在50歐姆，所以始端匹配電阻常見為(wei) 33歐姆電阻。

當然要達到好的匹配效果，驅動端輸出到串聯電阻這一段的傳(chuan) 輸路徑要較短，短到可以忽略這一段傳(chuan) 輸線的影響。

串聯電阻優(you) 缺點如下：

   （1）優(you) 點

           1、隻需要一個(ge) 電阻；

           2、沒有多餘(yu) 的直流功耗；

           3、消除驅動端的二次反射；

           4、不受接收端負載變化的影響；

   （2）缺點

           1、接收端的一次發射依然存在；

           2、信號邊沿會(hui) 有一些變化；

           3、電阻要靠近驅動端放置，不適合雙向 傳(chuan) 輸信號；

           4、在線上傳(chuan) 輸的電壓是驅動電壓的一半，不適合菊花鏈的多型負載結構。

二、並聯端接方式 

並聯端接又叫終端匹配，要達到阻抗匹配的要求，端接的電阻應該和傳輸線的特征阻抗Z0相等。 

在通常的數字信號傳(chuan) 輸係統裏，接收端的阻抗範圍為(wei) 幾兆到十幾兆，終端匹配電阻如果和傳(chuan) 輸線的特征阻抗相等，其和接收端阻抗並聯後的阻抗大致還是在傳(chuan) 輸線的特征阻抗左右，那麽(me) 終端的反射係數為(wei) 0。不會(hui) 產(chan) 生反射，消除的是終端的一次反射。

並聯端接優(you) 缺點

     （1）優(you) 點

     1、適用於(yu) 多個(ge) 負載

     2、隻需要一個(ge) 電阻並且阻值容易選取

     （2）缺點

     1、增加了直流功耗

     2、並聯端接可以上拉到bv伟德手机客户端平台或者下拉到地，是的低電平升高或者高電平降低，減小噪聲容限。

三、AC並聯端接 

並聯端接為(wei) 消除直流功耗，可以采用如下所示的AC並聯端接（AC終端匹配）。要達到匹配要求，端接的電阻應該和傳(chuan) 輸線的特征阻抗Z0相等。

優(you) 缺點描述如下： 
（1）優(you) 點 
1、適用於(yu) 多個(ge) 負載 
2、無直流功耗增加 
（2）缺點 
1、需要兩(liang) 個(ge) 器件 
2、增加了終端的容性負載，增加了RC電路造成的延時 
3、對周期性的信號有效（如時鍾），不適合於(yu) 非周期信號（如數據）

四、戴維南端接 

戴維南端接同終端匹配，如下圖，要達到匹配要求，終端的電阻並聯值要和傳(chuan) 輸線的特征阻抗Z0相等。

優(you) 缺點描述： 
（1）優(you) 點 
1、適用於(yu) 多個(ge) 負載 
2、很適用於(yu) SSTL/HSTL電平上拉或下拉輸出阻抗很好平衡的情況。 
（2）缺點 
1、直流功耗增加 
2、需要兩(liang) 個(ge) 器件 
3、端接電阻上拉到bv伟德手机客户端平台或下拉到地，會(hui) 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(hui) 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。