输出阻抗和阻抗匹配

电路

一、输出阻抗在了解“阻抗匹配”这个问题之前，我们先来学习一下什么是“输出阻抗”？
在实际电路设计中，无论信号源、放大器或电源，都有输出阻抗的问题。
输出阻抗其实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，而对于一个理想电流源的阻抗应当为无穷大。人们比较较容易“忘记”输出阻抗。

下面，我们以电压源为例来讲这个问题。
现实中的电压源，基本上不能做到内阻为0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，就是电压源的内阻了。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一定的电压降。这将导致电源输出电压的下降，从而限制了最大输出功率（为什么会限制最大输出功率，这也是我们这篇文章里面着重要讲的“阻抗匹配”问题，请继续往下看）。同样，一个理想的电流源，输出阻抗应该是无穷大，但实际电路中也是不可能做到的。

一般来说，电压源的输出阻抗越小越好，而电流源的输出阻抗越大越好（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，对于要求限流或限压保护的信号源除外）。
二、怎样理解阻抗匹配？首先我们来看一下阻抗匹配的定义：阻抗匹配是指信号源或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（这就是我们为什么一上来先讲“输出阻抗”的原因），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

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=U2/4r。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实部相等，虚部互为相反数，这称为共轭匹配。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“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，这时也会称之为阻抗失配。

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），在这里我们就不细说了，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（也称为特性阻抗）是由传输线的结构及材料决定的，而与传输线的长度、信号的幅度、频率等均无无关。
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的输入阻抗为 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，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西，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，轻则降低信号能量传递效率；重则形成反射，信号能量完全反射回来；在大功率时甚至有可能损坏前级电路或信号源。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生振荡、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与传输线匹配，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，来与传输线匹配，例如，485总线接收器，常在数据线终端并联120Ω的匹配电阻。
怎么理解阻抗不匹配时的反射问题呢，举一个例子：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——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。

陈存楼 · 2019-6-4 07:38:19

感谢分享

刘雅真 · 2019-6-4 07:55:23

看看了

李志强 · 2019-6-4 08:08:23

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