阻抗匹配(這樣更容易理解阻抗匹配！)

阻抗匹配是指信號傳輸過程中負載阻抗與源阻抗之間的特定匹配關系。一臺設備的輸出阻抗與連接的負載阻抗之間應滿足一定的關系，以避免負載連接后對設備本身的工作狀態產生明顯影響。對于低頻電路和高頻電路，阻抗匹配有很大的不同。

在了解阻抗匹配之前，我們必須先了解輸入阻抗和輸出阻抗。

一、輸入阻抗

輸入阻抗是指電路輸入的等效阻抗。在輸入端加一個電壓源U，測量輸入端的電流I，那么輸入阻抗Rin就是U/I，你可以把輸入端想象成一個電阻的兩端，這個電阻的電阻就是輸入阻抗。

輸入阻抗與普通電抗元件沒有什么不同，它反映了電流阻斷效應的大小。對于電壓驅動電路，輸入阻抗越大，電壓源上的負載越輕，因此更容易驅動，不會影響信號源。對于電流驅動電路，輸入阻抗越小，電流源的負載越輕。因此，我們可以認為，如果由電壓源驅動，輸入阻抗越大越好；如果是電流源驅動，阻抗越小越好(注意:只適合低頻電路，高頻電路也要考慮阻抗匹配)。此外，如果要獲得最大輸出功率，還應考慮阻抗匹配。

二、輸出阻抗

無論是信號源、放大器還是電源，都存在輸出阻抗的問題。輸出阻抗是信號源的內阻。本來，對于理想的電壓源(包括電源)，內阻應該為零，或者理想電流源的阻抗應該無窮大。但是現實中的電壓源做不到這一點。我們經常使用與電阻R串聯的理想電壓源，以等效于實際電壓源。與理想電壓源串聯的電阻R是內阻(信號源/放大器輸出/電源)。當電壓源給負載供電時，電流I會流過負載，電阻上會出現I×r的壓降。這會導致電源的輸出電壓下降，從而限制最大輸出功率(限制最大輸出功率的原因請參考后面的“阻抗匹配”問題)。同樣，理想電流源的輸出阻抗應該是無窮大，但實際電路是不可能的。

三.感應淬火

阻抗匹配是指信號源或傳輸線與負載之間合適的匹配方法。阻抗匹配可分為低頻和高頻。讓我們從驅動負載的DC電壓源開始。因為實際電壓源總是有內阻的，我們可以把一個實際電壓源和一個理想電壓源等效串聯一個電阻R，假設負載電阻為R，電源的電動勢為U，內阻為R，那么我們可以計算出流經電阻R的電流為I=U/(R+r)，可以看出負載電阻R越小，輸出電流越大。負載R上的電壓為:Uo=IR=U/[1+(r/R)]。可以看出，負載電阻R越大，輸出電壓Uo越高。讓我們如下計算電阻R消耗的功率:

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}

對于給定的信號源，它的內阻R是固定的，而負載電阻R是我們自己選擇的。注意在公式[(R-r)2/R]中，當R=r時，[(R-r)2/R]可以得到最小值0，然后在負載電阻R上可以得到最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)，即當負載電阻等于信號源內阻時，負載可以得到最大輸出功率，這也是我們常說的阻抗匹配之一。這個結論同樣適用于低頻電路和高頻電路。當交流電路含有容性或感性阻抗時，結論就變了，即信號源的實部與負載阻抗應相等，虛部應相反，稱為共軛匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配，只考慮信號源和負載之間的情況，因為低頻信號的波長與傳輸線相比非常長，傳輸線可以視為“短線”，反射可以忽略不計(可以理解，即使線很短，也會和原始信號一樣)。

從上面的分析可以得出結論，如果需要大的輸出電流，應該選擇小負載R；如果我們需要大的輸出電壓，選擇大負載R；如果我們需要最大輸出功率，選擇與信號源內阻匹配的電阻R。有時阻抗不匹配還有另一層含義。例如，一些儀器輸出是在特定負載條件下設計的。如果負載條件發生變化，可能無法達到原來的性能。這時，我們也稱之為阻抗失配。

在高頻電路中，我們還必須考慮反射。當信號的頻率很高時，信號的波長很短。當波長與傳輸線的長度相當時，反射信號在原始信號上的疊加會改變原始信號的形狀。如果傳輸線的特性阻抗與負載阻抗不相等(即不匹配)，負載端就會發生反射。

阻抗失配時為什么會發生反射以及特征阻抗的求解方法涉及到二階偏微分方程的求解。這里不贅述，但可以參考電磁場和微波方面書籍中的傳輸線理論，以引起興趣。

傳輸線的特性阻抗(也稱特征阻抗)由傳輸線的結構和材料決定，與傳輸線的長度、信號的幅度和頻率等無關。比如常見的CCTV同軸電纜的特性阻抗為75ω，而一些射頻設備中常用的是50ω同軸電纜的特性阻抗。另一種常見的傳輸線是特征阻抗為300ω的扁平平行線，常見于農村地區使用的電視天線架，用作八木天線的饋線。因為電視機射頻輸入端的輸入阻抗是75ω，所以300ω饋線不會匹配。如何在實踐中解決這個問題？不知道大家有沒有注意到，電視機的配件中有一個300ω到75ω的阻抗轉換器(一端有圓形插頭的塑料包裝，大概兩個拇指大小)。

它實際上是一個傳輸線變壓器，將300 ω的阻抗轉換為75 ω，這樣就可以匹配了。這里需要強調的是，特征阻抗不是我們通常理解的與電阻相關的概念，它與傳輸線的長度無關，也不能用歐姆表來測量。

為了避免反射，負載阻抗應等于傳輸線的特征阻抗，即傳輸線的阻抗匹配。阻抗不匹配會有什么不良后果？如果它們不匹配，就會形成反射，能量傳輸就不會通過，效率就會降低。傳輸線上會形成駐波(簡單理解，信號有的地方強，有的地方弱)，導致傳輸線有效功率容量降低；電力無法發射，甚至發射設備也會損壞。如果電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配，就會產生振動、輻射干擾等。

當阻抗不匹配時，有哪些方法使其匹配？首先，考慮使用變壓器進行阻抗轉換，就像上面提到的電視機中的例子一樣。其次，我們可以考慮使用串聯/并聯電容或電感，這是射頻電路調試中經常用到的。第三，我們可以考慮使用串聯/并聯電阻。一些驅動器的阻抗相對較低，因此可以串聯一個合適的電阻來匹配傳輸線，例如高速信號線，有時可以串聯幾十歐姆的電阻。但是有些接收機的輸入阻抗比較高，可以采用并聯電阻的方法來匹配傳輸線。例如，485總線接收器通常在數據線端并聯一個120歐姆的匹配電阻。(始端串聯匹配，終端并聯匹配)

為了幫助大家理解阻抗失配時的反射問題，我舉兩個例子:假設你在練拳擊——打沙袋。如果是重量和硬度合適的沙袋，你會覺得很舒服。但是，如果有一天我把沙袋弄亂了，比如沙袋換成了鐵砂，你還是用之前的力打它，你的手可能會受不了——這就是過載的情況，會產生很大的反彈力。相反，如果我換成很輕的東西，你可能會跳空而且你的手可能一拳就受不了——這就是輕載的情況。

附:阻抗匹配的四種處理方法

當傳輸路徑上的阻抗不連續時，就會發生反射。阻抗匹配的功能是通過端接元件來消除傳輸鏈路上的反射。的常見阻抗匹配如下:

一、串聯終止方式

一個電阻串聯在輸出端附近。為了達到匹配效果，串聯電阻和驅動器端的輸出阻抗之和應該等于傳輸線的特性阻抗Z0。

在通常的數字信號系統中，器件的輸出阻抗通常在十幾歐姆到二十幾歐姆之間，傳輸線的阻抗通常控制在50歐姆，因此開始時的匹配電阻通常為33歐姆。

當然，為了達到良好的匹配效果，從驅動器輸出到串聯電阻的傳輸路徑應該足夠短，以忽略這條傳輸線的影響。

串聯電阻的優缺點如下:

(1)優勢

1.只需要一個電阻；

2.無冗余DC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.來自接收器的一個傳輸仍然存在；

2.信號邊沿會有一些變化；

3.電阻應靠近驅動端放置，不適合雙向信號傳輸；

4.線上傳輸的電壓是驅動電壓的一半，不適合菊花鏈的多類型負載結構。

二、并行終止模式

并行端接也稱為終端匹配。為了滿足阻抗匹配的要求，終端電阻應等于傳輸線的特性阻抗Z0。

在通常的數字信號傳輸系統中，接收端的阻抗范圍從幾兆字節到十幾兆字節。如果終端匹配電阻等于傳輸線的特性阻抗，與接收端阻抗并聯后的阻抗大致在傳輸線的特性阻抗附近，那么終端的反射系數為0。不會發生反射，但是終端的初級反射將被消除。

并聯終端的優點和缺點

(1)優勢

1、適用于多種負載

2.只需要一個電阻，電阻值容易選擇。

(2)缺點

1.DC功耗增加

2.并聯終端可以上拉至電源，也可以下拉至地。如果是低電平增加或高電平降低，噪聲容限將會降低。

三.交流并聯終端

并聯終端為了消除DC功耗，可以采用如下所示的交流并聯終端(交流終端匹配)。為了滿足匹配要求，終端電阻應等于傳輸線的特性阻抗Z0。

優點和缺點描述如下:

(1)優勢

1、適用于多種負載

2.DC電力消耗沒有增加

(2)缺點

1.需要兩個設備。

2.終端的容性負載增加，由RC電路引起的延遲增加。

3.對周期信號(如時鐘)有效，不適用于非周期信號(如數據)。

第四，大衛在南端相遇。

大衛的南方終端與終端匹配，如下圖所示。為了滿足匹配要求，終端的電阻并聯值應等于傳輸線的特性阻抗Z0。

優點和缺點描述:

(1)優勢

1、適用于多種負載

2.非常適合SSTL/HSTL電平上拉或下拉輸出阻抗平衡良好的情況。

(2)缺點

1.DC電力消耗增加

2.需要兩個設備。

3.如果終端電阻上拉至電源或下拉至地，低電平將升高或高電平將降低。

4.電阻值很難選擇。如果電阻值小，低電平會增加，高電平會下降得更厲害。電阻值大可能會導致匹配不完全，增加反射，這可以通過仿真來確定。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的阻抗匹配（这样理解阻抗匹配比较容易懂！）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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