datasheet

技术文章—关于阻抗匹配的技术分享

2019-05-27来源: EEWORLD关键字: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(请参看输出阻抗一问),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的电流为: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上的电压为:


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:  


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}  

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/(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。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(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,这时我们也会叫做阻抗失配。   

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(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。  

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到,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东,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,则会形成反射,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。   

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那个例子那样。


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。  


为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题,我来举两个例子: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。另一个例子,不知道大家有没有过这样的经历:就是看不清楼梯时上/下楼梯,当你以为还有楼梯时,就会出现"负载不匹配"这样的感觉了。当然,也许这样的例子不太恰当,但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。


关键字:阻抗匹配

编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/dygl/ic462920.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:英飞凌联手Schweizer开发出面向轻度混合动力汽车的新技术
下一篇:技术文章—教你如何简单看懂电路图

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

阻抗匹配的另一种思路

RF工程师在设计芯片和天线间的阻抗匹配时是否也遇到过这样的问题,根据数据手册的参数进行匹配设计,最后测试发现实际结果和手册的性能大相径庭,你是否考虑过为什么会出现这么大的差别?还有,匹配调试过程中不断的尝试不同的电容、电感,来回焊接元器件,这样的调试方法我们还能改善吗? 一、理想的匹配 通信系统的射频前端一般都需要阻抗匹配来确保系统有效的接收和发射,在工业物联网的无线通信系统中,国家对发射功率的大小有严格要求,如不高于+20dBm;若不能做到良好的匹配,就会影响系统的通信距离。 射频前端最理想的情况就是源端、传输线和负载端都是50Ω,如图1。但是这样的情况一般不存在。即使电路在设计过程中仿真通过,板厂
发表于 2019-02-28
阻抗匹配的另一种思路

世强免费提供低功耗、无线充电功率、阻抗匹配等测试

分销企业世强,就联手全球电子测试与测量设备的领先制造商是德科技,共同打造了世强-是德科技开放实验室,为企业提供免费的测试服务。企业可以通过世强元件电商进行预约登记,即可进行测试。世强-是德开放实验室可支持:EMI近场测试,定位干扰源和传播途径,动态电流消耗测试、电池耗电过程测试、电池充放电过程测试、电池充电器电路测试、低频网络测量、大衰减和毫欧姆量级器件测量、无线充电功率效率测量、阻抗匹配测量等等等等,其他的测试方案也可以登录世强元件电商首页查看。值得一提的是,这些测试都是免费的,对所有企业开放,测试时开放实验室内还会有专门的技术专家进行指导。这样一来,就快速解决了中小企业,测试不知道是该购置仪器,还是需要去专业测试机构等排期的困扰。
发表于 2018-06-11
世强免费提供低功耗、无线充电功率、阻抗匹配等测试

为什么要进行阻抗匹配?

电子行业的工程师经常会遇到阻抗匹配问题。什么是阻抗匹配,为什么要进行阻抗匹配?本文带您一探究竟!一、什么是阻抗在电学中,常把对电路中电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗单位为欧姆,常用Z表示,是一个复数Z= R+i( ωL–1/(ωC))。具体说来阻抗可分为两个部分,电阻(实部)和电抗(虚部)。其中电抗又包括容抗和感抗,由电容引起的电流阻碍称为容抗,由电感引起的电流阻碍称为感抗。图1 复数表示方法二、阻抗匹配的重要性阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。阻抗匹配主要有两点作用,调整负载功率和抑制信号反射。1、调整负载功率假定激励源已定,那么负载的功率由两者的阻抗匹配度决定。对于一个理想化的纯电阻电路或者低频电路
发表于 2018-02-08
为什么要进行阻抗匹配?

改变常规阻抗匹配的被动元器件的商品化

前言近年来安装在移动通信终端的移动通信天线的设计难度逐渐增高。随着LTE这种新型通信方式的增加,宽频带的使用越来越广泛。另一方面,由于二次电池等大型化的因素,可使用空间(天线/领域)缩小了。因此,天线的小型化成了当务之急。但是,如果天线被小型化的话 ,就意味着天线的阻抗和RF电路的输入和输出阻抗(50Ω系)相比的话会变低,这就意味着将RF电路跟天线阻抗通过全通信带宽整合起来是非常困难的。LC元器件的课题目前在实施阻抗整合时,一般使用电感器(L)、电容器(C)等LC元器件。但是,LC元器件电抗中具有频率特性,整合阻抗后的天线Q值会劣化,频带宽会减小。这里阻抗转换时对于频率特性难以呈现的材料来说,就以主要在低频领域中使用的变压器来举例
发表于 2013-12-18
改变常规阻抗匹配的被动元器件的商品化

采用固定增益集成型电阻器实现至差分放大器的阻抗匹配

配有计算公式的单端至 50? 输入差分放大器实例。采用 AC 耦合时阻抗匹配是仅有的问题。另外,AC 耦合还可实现自动的输入至输出共模电平移位。   
发表于 2013-11-05
采用固定增益集成型电阻器实现至差分放大器的阻抗匹配

小广播

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved