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[经验] 什么是输出阻抗?什么是阻抗匹配?

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资源大师勋章

发表于 2018-12-6 09:02:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、输出阻抗
在了解“阻抗匹配”这个问题之前,我们先来学习一下什么是“输出阻抗”?
在实际电路设计中,无论信号源、放大器或电源,都有输出阻抗的问题。
输出阻抗其实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,而对于一个理想电流源的阻抗应当为无穷大。人们比较较容易“忘记”输出阻抗。
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下面,我们以电压源为例来讲这个问题。
现实中的电压源,基本上不能做到内阻为0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,就是电压源的内阻了。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一定的电压降。这将导致电源输出电压的下降,从而限制了最大输出功率(为什么会限制最大输出功率,这也是我们这篇文章里面着重要讲的“阻抗匹配”问题,请继续往下看)。同样,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际电路中也是不可能做到的。
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一般来说,电压源的输出阻抗越小越好,而电流源的输出阻抗越大越好(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,对于要求限流或限压保护的信号源除外)。
二、怎样理解阻抗匹配?
首先我们来看一下阻抗匹配的定义:阻抗匹配是指信号源或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。
03.jpg
我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源总是有内阻的(这就是我们为什么一上来先讲“输出阻抗”的原因),我们可以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,那么我们可以计算出流过电阻R的电流I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。负载R上的电压Uo=IR=U[1+(r/R)],可以看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为
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对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R],当R=r时,[(R-r)2/R]可取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/4r。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。
对于纯电阻电路,此结论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,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的实部相等,虚部互为相反数,这称为共轭匹配。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“短线”,反射可以不考虑(可以这么理解:因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的)。
从以上分析我们可以得出结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载 R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载 R;如果我们需要输出功率最大,则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,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时也会称之为阻抗失配。
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在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。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可以比拟时,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。为什么阻抗不匹配时会产生生反射,以及特征阻抗的求解方法(牵涉到二阶偏微分方程的求解),在这里我们就不细说了,有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗(也称为特性阻抗)是由传输线的结构及材料决定的,而与传输线的长度、信号的幅度、频率等均无无关。
例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为 75Ω,而一些射频设备上则常用特征阻抗为 50Ω的同轴电缆。另外,还有一种常见的传输线是特性阻抗为 300Ω 的扁平平行线,这在农村使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的输入阻抗为 75Ω,所以 300Ω 的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的呢?不知道大家有没有留意,电视机的附件中,有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器(一个塑料封装的,一端有一个圆形的插头的那个东西,大概有两个大拇指那么大)。它里面其实就是一个传输线变压器,将 300Ω 的阻抗变换成75Ω的,这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点的是,特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念,它与传输线的长度无关,也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等,这就是传输线的阻抗匹配。
如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢?如果不匹配,轻则降低信号能量传递效率;重则形成反射,信号能量完全反射回来;在大功率时甚至有可能损坏前级电路或信号源。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生振荡、辐射干扰等。
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当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢?第一,可以考虑使用变压器来做阻抗转换,就像上面所说的电视机中的例子那样。第二,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。第三,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与传输线匹配,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,来与传输线匹配,例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120Ω的匹配电阻。
怎么理解阻抗不匹配时的反射问题呢,举一个例子:假设你在练习拳击——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,如果哪一天我把沙包做了手脚,例如里面换成了铁沙,你还是用以前的力打上去,你的手可能就会受不了——这就是负载过重的情况,会产生很大的反弹力。相反,如果我把里面换成了很轻的东西,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。

此帖出自模拟电子论坛


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一粒金砂(初级)

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发表于 2018-12-6 10:44:02 | 显示全部楼层
谢谢 管理分享。收藏了
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版主

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发表于 2018-12-6 15:41:00 | 显示全部楼层
学习了  谢谢分享,,,举一个例子:假设你在练习拳击——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,如果哪一天我把沙包做了手脚,例如里面换成了铁沙,你还是用以前的力打上去,你的手可能就会受不了——这就是负载过重的情况,会产生很大的反弹力。相反,如果我把里面换成了很轻的东西,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。                                 我就喜欢这种形象的

点评

非常形象,也很到位的比喻  详情 回复 发表于 2018-12-6 15:48


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 楼主| 发表于 2018-12-6 15:48:46 | 显示全部楼层
btty038 发表于 2018-12-6 15:41
学习了  谢谢分享,,,举一个例子:假设你在练习拳击——打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包, ...

非常形象,也很到位的比喻


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发表于 2018-12-6 16:00:54 | 显示全部楼层
tiankai001 发表于 2018-12-6 15:48
非常形象,也很到位的比喻

   


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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-12-7 09:16:58 | 显示全部楼层
谢谢分享了,还有疑问


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纯净的硅(初级)

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发表于 2018-12-11 10:19:58 | 显示全部楼层
学习了,讲的透彻,让人明白,感谢分享!
徐建
20091127


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