阻抗的概念
在具有電阻、電感和電容的電路里,對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。常用Z來表示,它的值由交流電的頻率、電阻R、電感L、電容C相互作用來決定。由此可見,一個具體的電路,其阻抗是隨時變化的,它會隨著電流頻率的改變而改變。
輸入阻抗
輸入阻抗是指一個電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個電壓源U,測量輸入端的電流I,則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個電阻的兩端,這個電阻的阻值,就是輸入阻抗。
輸入阻抗跟一個普通的電抗元件沒什么兩樣,它反映了對電流阻礙作用的大小。對于電壓驅(qū)動的電路,輸入阻抗越大,則對電壓源的負(fù)載就越輕,因而就越容易驅(qū)動,也不會對信號源有影響;而對于電流驅(qū)動型的電路,輸入阻抗越小,則對電流源的負(fù)載就越輕。因此,我們可以這樣認(rèn)為:如果是用電壓源來驅(qū)動的,則輸入阻抗越大越好;如果是用電流源來驅(qū)動的,則阻抗越小越好(注:只適合于低頻電路,在高頻電路中,還要考慮阻抗匹配問題),另外如果要獲取最大輸出功率時,也要考慮 阻抗匹配問題
輸出阻抗
無論信號源或放大器還有電源,都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個信號源的內(nèi)阻。本來,對于一個理想的電壓源(包括電源),內(nèi)阻應(yīng)該為0,或理想電流源的阻抗應(yīng)當(dāng)為無窮大。但現(xiàn)實(shí)中的電壓源,則不能做到這一點(diǎn)。我們常用一個理想電壓源串聯(lián)一個電阻r的方式來等效一個實(shí)際的電壓源。這個跟理想電壓源串聯(lián)的電阻r,就是(信號源/放大器輸出/電源)內(nèi)阻了。當(dāng)這個電壓源給負(fù)載供電時,就會有電流 I 從這個負(fù)載上流過,并在這個電阻上產(chǎn)生 I×r 的電壓降。這將導(dǎo)致電源輸出電壓的下降,從而限制了最大輸出功率(關(guān)于為什么會限制最大輸出功率,請看后面的“阻抗匹配”一問)。同樣的,一個理想的電流源,輸出阻抗應(yīng)該是無窮大,但實(shí)際的電路是不可能的
阻抗匹配
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,我們可以把一個實(shí)際電壓源,等效成一個理想的電壓源跟一個電阻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。再來計算一下電阻R消耗的功率為:
對于一個給定的信號源,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)2/R],當(dāng)R=r時,[(R-r)2/R]可取得最小值0,這時負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即,當(dāng)負(fù)載電阻跟信號源內(nèi)阻相等時,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。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,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),這叫做共扼匹配。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,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,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)載阻抗不相等(即不匹配)時,在負(fù)載端就會產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時會產(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。
傳輸線的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的,而與傳輸線的長度,以及信號的幅度、頻率等均無關(guān)。例如,常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω,而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Ω的扁平平行線,這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見,用來做八木天線的饋線。因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω,所以300Ω的饋線將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個問題的呢?不知道大家有沒有留意到,電視機(jī)的附件中,有一個300Ω到75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器(一個塑料封裝的,一端有一個圓形的插頭的那個東東,大概有兩個大拇指那么大)。它里面其實(shí)就是一個傳輸線變壓器,將300Ω的阻抗,變換成75Ω的,這樣就可以匹配起來了。
這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是,特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念,它與傳輸線的長度無關(guān),也不能通過使用歐姆表來測量。為了不產(chǎn)生反射,負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等,這就是傳輸線的阻抗匹配,如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢?如果不匹配,則會形成反射,能量傳遞不過去,降低效率;會在傳輸線上形成駐波(簡單的理解,就是有些地方信號強(qiáng),有些地方信號弱),導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低;功率發(fā)射不出去,甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號線與負(fù)載阻抗不匹配時,會產(chǎn)生震蕩,輻射干擾等。
當(dāng)阻抗不匹配時,有哪些辦法讓它匹配呢?
第一,可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換,就像上面所說的電視機(jī)中的那個例子那樣。
第二,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法,這在調(diào)試射頻電路時常使用。
第三,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動器的阻抗比較低,可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配,例如高速信號線,有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高,可以使用并聯(lián)電阻的方法,來跟傳輸線匹配,例如,485總線接收器,常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。(始端串聯(lián)匹配,終端并聯(lián)匹配)。
阻抗匹配的匹配條件
?、儇?fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗,即它們的模與輻角分別相等,這時在負(fù)載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。
?、谪?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)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時,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)激勵源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時,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>
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