电路-阻抗匹配

阻抗

首先，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。

说明：负载是电阻、电感的感抗、电容的容抗三种类型的复物，复合后统称“阻抗”，写成数学公式即是Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。其中R为电阻，ωL为感抗，1/(ωC)为容抗。

如果( ωL–1/ωC）>0，称为“感性负载”；反之，如果( ωL–1/ωC）<0，称为“容性负载”。

图1 复数表示方法

输入阻抗

输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗R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。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；而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要电源，都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来，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。但在现实中的电源，则不能做到这一点。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（信号源或放大器还要电源）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I*R的压降。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1，一个理想的电流源，输出阻抗应该是无穷大，但实际的电路是不可能的。

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。阻抗匹配的目的是确保能实现信号或能量从“信号源”到“负载”的有效传送，其主要有两点作用，调整负载功率和抑制信号反射。

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，由电感、电容引起的电抗值基本可以忽略，此时电路的阻抗来源主要为电阻。如图2所示，电路中电流I=U/(r+R)，负载功率P=I*I*R。由以上两个方程可得当R=r是P取得最大值，Pmax=U*U/(4r).

图2 负载功率调整

抑制信号反射当一束光从空气射向水中时会发生反射，这是因为光和水的光导特性不同。同样，当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变也会发生反射。波长与频率成反比，低频信号的波长远远大于传输线的长度，因此一般不用考虑反射问题。高频领域，当信号的波长与传输线长处于相同量级时反射的信号易与原信号混叠，影响信号质量，通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射。

图3 正常信号

图4 异常信号（反射引起超调）

其最理想模型当然是希望Source端的输出阻抗为50欧姆，传输线的阻抗为50欧姆，Load端的输入阻抗也是50欧姆，一路50欧姆下去，这是最理想的。

然而实际情况是：源端阻抗不会是50欧姆，负载端阻抗也不会是50欧姆，这个时候就需要若干个阻抗匹配电路，而匹配电路就是由电感和电容所构成，这个时候我们就需要使用电容和电感来进行阻抗匹配电路调试，以达到RF性能最优。

阻抗匹配的方法主要有两个，一是改变阻抗力，二是调整传输线。

改变阻抗力就是通过电容、电感与负载的串并联调整负载阻抗值，以达到源和负载阻抗匹配。

调整传输线是加长源和负载间的距离，配合电容和电感把阻抗力调整为零。

此时信号不会发生发射，能量都能被负载吸收。

高速PCB布线中，一般把数字信号的走线阻抗设计为50欧姆。一般规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，对绞线（差分）为85-100欧姆。

阻抗不匹配有什么后果

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；如果不匹配，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；如果不匹配，功率反射不出去，甚至会损坏反射设备；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。

阻抗匹配应用

对于一般的高频信号领域，比如时钟信号、总线信号，甚至高达几百兆的DDR信号等，一般器件的收发端的感抗和容抗都比较小，相对电阻（即阻抗中的虚部）来说可以忽略不记，这时，阻抗匹配就只需要考虑实数部分就可以了。

在射频领域，很多器件如天线，功放等其他输入输出阻抗是非实数的（非纯电阻），并且其虚部（容抗或者感抗）很大以至于不忽略，这时就要采用共轭匹配的方法。

还有其他领域也要用到阻抗匹配，比如功放与音响、PCB走线、天线设计、终端匹配电阻等等。