阻抗匹配何為阻抗

阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個(gè)阻字是相同的，而另一個(gè)抗字呢?簡單地說，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗;通俗一點(diǎn)地說，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱作良導(dǎo)體，電阻很大的物質(zhì)稱作非導(dǎo)體，而最近在高科技領(lǐng)域中稱的超導(dǎo)體，則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會阻礙電流以外，電容及電感也會阻礙電流的流動，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡稱容抗及感抗。它們的計(jì)量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題，具有向量上的關(guān)系式，因此才會說:阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

高頻電路的阻抗匹配由于高頻功率放大器工作于非線性狀態(tài)，所以線性電路和阻抗匹配(即:負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻相等)這一概念不能適用于它。因?yàn)樵诜蔷€性(如:丙類)工作的時(shí)候，電子器件的內(nèi)阻變動劇烈:通流的時(shí)候，內(nèi)阻很小;截止的時(shí)候，內(nèi)阻接近無窮大。因此輸出電阻不是常數(shù)。所以所謂匹配的時(shí)候內(nèi)阻等于外阻，也就失去了意義。因此，高頻功率放大的阻抗匹配概念是:在給定的電路條件下，改變負(fù)載回路的可調(diào)元件，使電子器件送出額定的輸出功率至負(fù)載。這就叫做達(dá)到了匹配狀態(tài)。

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。

阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅(qū)動一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動勢為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流過電阻R的電流為:I=U/(R+r)，可以看出，負(fù)載電阻R越小，則輸出電流越大。

負(fù)載R上的電壓為:Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，負(fù)載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。

再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為: P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r] =U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}

對于一個(gè)給定的信號源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R]，當(dāng)R=r時(shí)，[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0，這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U*U/(4*r)。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。

對于純電阻電路，此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論有所改變，就是需要信號源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共軛匹配。

在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號的波長相對于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是"短線"，反射可以不考慮(可以這么理解:因?yàn)榫€短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的)。

從以上分析我們可以得出結(jié)論:如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載R;如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負(fù)載R;如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內(nèi)阻匹配的電阻R。

有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來的性能，這時(shí)我們也會叫做阻抗失配。

在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號的頻率很高時(shí)，則信號的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí)，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不匹配(相等)時(shí)，在負(fù)載端就會產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時(shí)會產(chǎn)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，在這里我們不細(xì)說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。

大體上，阻抗匹配有兩種，一種是透過改變阻抗力(lumped-circuit matching)，另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(transmission line matching)。

要匹配一組線路，首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值，除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化，然后把數(shù)值劃在史密夫圖表上。

1. 改變阻抗力

把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重復(fù)以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/p>

2. 調(diào)整傳輸線

由負(fù)載點(diǎn)至來源點(diǎn)加長傳輸線，在圖表上的圓點(diǎn)會沿著圖中心以逆時(shí)針方向走動，直至走到電阻值為1的圓圈上，即可加電容或電感把阻抗力調(diào)整為零，完成匹配。

阻抗匹配則傳輸功率大，對于一個(gè)直流電源來講，阻抗匹配時(shí)輸出效率只有50%。并且電源以對外輸出最大功率為目標(biāo)，不適用阻抗匹配的條件。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無反射波。對于普通的寬頻放大器，輸出阻抗50Ω，功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配，可是如果信號波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長度，即纜長可以忽略的話，就無須考慮阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí)，要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等，此時(shí)的傳輸不會產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負(fù)載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速PCB布線時(shí)，為了防止信號的反射，要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個(gè)大約的數(shù)字，一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆,對絞線則為 100歐姆,只是取個(gè)整而已，為了匹配方便。

在信號源給定的情況下，輸出功率取決于負(fù)載電阻與信號源內(nèi)阻之比K，當(dāng)兩者相等，即K=1時(shí)，輸出功率最大。阻抗匹配的概念可以推廣到交流電路，當(dāng)負(fù)載阻抗與信號源阻抗共軛時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸，如果負(fù)載阻抗不滿足共軛匹配的條件，就要在負(fù)載和信號源之間加一個(gè)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，將負(fù)載阻抗變換為信號源阻抗的共軛，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

①負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。

②負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到最大功率。這種匹配條件稱為共軛匹配。如果信源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件是等同的。

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。

當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共軛關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共軛匹配。

阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來達(dá)到所有高頻的微波信號皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的，不會有信號反射回來源點(diǎn)，從而提升能源效益。史密夫圖表上。電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重覆以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ洹?/p>

信號傳輸過程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設(shè)備互連來說，例如信號源連放大器，前級連后級，只要后一級的輸入阻抗大于前一級的輸出阻抗5-10倍以上，就可認(rèn)為阻抗匹配良好;對于放大器連接音箱來說，電子管機(jī)應(yīng)選用與其輸出端標(biāo)稱阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無此限制，可以接任何阻抗的音箱。

輸入端阻抗匹配時(shí)，傳輸線獲得最大功率;在輸出端阻抗匹配的情況下，傳輸線上只有向終端行進(jìn)的電壓波和電流波，攜帶的能量全部為負(fù)載所吸收。

在阻抗失配的情況下，傳輸線上將同時(shí)存在-射波和應(yīng)射波。

從傳輸?shù)慕嵌葋碚f，總是竭力避免阻抗失配現(xiàn)象的出現(xiàn)，因?yàn)榉瓷洳ǖ某霈F(xiàn)，意味著遞送到傳輸線終端的功率不能全部為負(fù)載所吸收，降低了傳輸效率;在輸送功率較高的情況下，電壓或電流的波腹有可能損壞傳輸線的介質(zhì);而且傳輸線始端的輸入阻抗隨頻率而變化，輸送多頻信號時(shí)，將因機(jī)、線阻抗難于匹配而出現(xiàn)失真。

阻抗匹配的程度常用電壓反射系數(shù)來衡量。

在線路板中，若有信號傳送時(shí)，希望由電源的發(fā)出端起，在能量損失最小的情形下，能順利的傳送到接受端，而且接受端將其完全吸收而不作任何反射。要達(dá)到這種傳輸，線路中的阻抗必須和發(fā)出端內(nèi)部的阻抗相等才行稱為"阻抗匹配"。在設(shè)計(jì)高速PCB電路時(shí)，阻抗匹配是設(shè)計(jì)的要素之一。而阻抗值與走線方式有絕對的關(guān)系。例如，是走在表面層(Microstrip)還是內(nèi)層(Stripline/Double Stripline)、與參考的電源層或地層的距離、走線寬度、PCB材質(zhì)等均會影響走線的特性阻抗值。也就是說，要在布線后才能確定阻抗值，同時(shí)不同PCB生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出來的特性阻抗也有微小的差別。一般仿真軟件會因線路模型或所使用的數(shù)學(xué)算法的限制而無法考慮到一些阻抗不連續(xù)的布線情況，這時(shí)候在原理圖上只能預(yù)留一些端接(Temninators)，如串聯(lián)電阻等，來緩和走線阻抗不連續(xù)的效應(yīng)。真正根本解決問題的方法還是布線時(shí)盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生。

定義:

特性阻抗的定義:在某一頻率下，電子器件傳輸信號線中，相對某一參考層，其高頻信號或電磁波在傳播過程中所受的阻力稱之為特性阻抗，它是電阻抗，電感抗，電容抗……的一個(gè)矢量總和。

特性阻抗的分類:

目前常見的特性阻抗分為:單端(線)阻抗、差分(動)阻抗、共面阻抗等。

單端(線)阻抗:英文single ended impedance ,指單根信號線測得的阻抗 。

差分(動)阻抗:英文differential impedance,指差分驅(qū)動時(shí)在兩條等寬等間距的傳輸線中測試到的阻抗。

共面阻抗:英文coplanar impedance ,指信號線在其周圍GND/VCC(信號線到其兩側(cè)GND/VCC間距相等)之間傳輸時(shí)所測試到的阻抗。

阻抗控制需求的決定條件:當(dāng)信號在PCB導(dǎo)線中傳輸時(shí)，若導(dǎo)線的長度接近信號波長的1/7，此時(shí)的導(dǎo)線便成為信號傳輸線，一般信號傳輸線均需做阻抗控制。PCB制作時(shí)，依客戶要求決定是否需管控阻抗，若客戶要求某一線寬需做阻抗控制，生產(chǎn)時(shí)則需管控該線寬的阻抗。

阻抗匹配的三個(gè)要素:輸出阻抗(原始主動零件) 特性阻抗(信號線) 輸入阻抗(被動零件)(PCB板)

阻抗匹配

當(dāng)信號在PCB上傳輸時(shí)，PCB板的特性阻抗必須與頭尾元件的電子阻抗相匹配，一旦阻抗值超出公差，所傳出的信號能量將出現(xiàn)反射、散射、衰減或延誤等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致信號不完整，信號失真。