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阻抗匹配及应用设计实战

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发表于 2019-5-2 09:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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阻抗匹配及应用设计实战

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阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合?#23454;?#25645;配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。
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+ u( T/ m8 e+ f/ M# O我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实?#23454;?#30005;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?#23454;?#21387;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。( ~4 j; Q& V$ {: k# z+ Y
9 z# |0 M, I3 j* Z( [$ T
再来计算一下电阻R消耗的功率为:
+ H. d5 w% b* C7 R+ M  G2 d6 d1 z. K/ e9 P
P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)
0 M9 S  e3 S+ C& T* \* Z( o% x=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r]' M; Q' W) u7 o# Z1 B
=U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}9 a$ G3 s. q1 x  c
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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)*(R-r)/R],当R=r时,[(R-r)*(R-r)/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=U*U/(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。
) g; {5 O( |) }! n2 k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?#20998;?#21547;有容性或?#34892;?#38459;抗时,结论有所改变,就是需要信号?#20174;?#36127;载阻抗的的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共厄匹配。在低频电?#20998;校?#25105;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?#39318;?#22823;,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?#38405;埽?#36825;时我们也会叫做阻抗失配。
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$ @2 \2 f' ~2 I  M: F5 u% U- U5 w在高频电?#20998;校?#25105;们?#36129;?#39035;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?#21592;?#25311;时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。
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如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配(相等)时,在负载端就会产生反射。3 N/ ~$ ]8 x9 M) G+ }) K
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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。
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& [. x( b& I8 A8 D' R0 Z% P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?#21462;?#39057;?#23454;?#22343;无关。, P; }3 \2 o$ G: y& ~

" @/ D7 ?# U; H; w0 m9 |例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75欧,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50欧的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300欧的扁平平行线,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75欧,所以300欧的馈线将与其不能匹配。实?#25163;?#26159;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300?#36820;?5欧的阻抗转换器(一个塑料包装的,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的)?它里面其实就是一个传输线变压器,将300欧的阻抗,变换成75欧的,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?#20219;?#20851;,也不能通过使用欧姆表来测量。
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0 v- p8 @: t$ A! v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?#30475;?#36882;?#36824;?#21435;,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?#36824;?#29575;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。) G) ^3 b& G; @. E& o

* O6 u9 }8 K8 P7 R5 w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?#23454;?#30005;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?#32454;擼?#21487;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。$ F, L7 D) g( O7 {

8 {1 J' u* N* h" T# S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?#23454;摹?#30828;度合?#23454;?#27801;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?#24120;?#20320;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?#38405;?#23427;来理解负载不匹配时的反射情况。

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发表于 2019-5-7 17:57 | 只看该作者
学习一下,谢谢楼主分享

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发表于 2019-5-8 14:11 | 只看该作者
谢谢楼主分享

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发表于 2019-5-8 14:30 | 只看该作者

7 `8 j- u# Y6 W# i谢谢楼主分享
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