阻抗匹配（这样理解阻抗匹配比较容易懂！）

阻抗匹配(这样更容易理解阻抗匹配！)

阻抗匹配是指信号传输过程中负载阻抗与源阻抗之间的特定匹配关系。一台设备的输出阻抗与连接的负载阻抗之间应满足一定的关系，以避免负载连接后对设备本身的工作状态产生明显影响。对于低频电路和高频电路，阻抗匹配有很大的不同。

在了解阻抗匹配之前，我们必须先了解输入阻抗和输出阻抗。

一、输入阻抗

输入阻抗是指电路输入的等效阻抗。在输入端加一个电压源U，测量输入端的电流I，那么输入阻抗Rin就是U/I，你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的电阻就是输入阻抗。

输入阻抗与普通电抗元件没有什么不同，它反映了电流阻断效应的大小。对于电压驱动电路，输入阻抗越大，电压源上的负载越轻，因此更容易驱动，不会影响信号源。对于电流驱动电路，输入阻抗越小，电流源的负载越轻。因此，我们可以认为，如果由电压源驱动，输入阻抗越大越好；如果是电流源驱动，阻抗越小越好(注意:只适合低频电路，高频电路也要考虑阻抗匹配)。此外，如果要获得最大输出功率，还应考虑阻抗匹配。

二、输出阻抗

无论是信号源、放大器还是电源，都存在输出阻抗的问题。输出阻抗是信号源的内阻。本来，对于理想的电压源(包括电源)，内阻应该为零，或者理想电流源的阻抗应该无穷大。但是现实中的电压源做不到这一点。我们经常使用与电阻R串联的理想电压源，以等效于实际电压源。与理想电压源串联的电阻R是内阻(信号源/放大器输出/电源)。当电压源给负载供电时，电流I会流过负载，电阻上会出现I×r的压降。这会导致电源的输出电压下降，从而限制最大输出功率(限制最大输出功率的原因请参考后面的“阻抗匹配”问题)。同样，理想电流源的输出阻抗应该是无穷大，但实际电路是不可能的。

三.感应淬火

阻抗匹配是指信号源或传输线与负载之间合适的匹配方法。阻抗匹配可分为低频和高频。让我们从驱动负载的DC电压源开始。因为实际电压源总是有内阻的，我们可以把一个实际电压源和一个理想电压源等效串联一个电阻R，假设负载电阻为R，电源的电动势为U，内阻为R，那么我们可以计算出流经电阻R的电流为I=U/(R+r)，可以看出负载电阻R越小，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，输出电压Uo越高。让我们如下计算电阻R消耗的功率:

p = I2×R =[U/(R+R)]2×R = U2×R/(R2+2×R×R+R2)

=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]

=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

对于给定的信号源，它的内阻R是固定的，而负载电阻R是我们自己选择的。注意在公式[(R-r)2/R]中，当R=r时，[(R-r)2/R]可以得到最小值0，然后在负载电阻R上可以得到最大输出功率Pmax=U2/(4×r)，即当负载电阻等于信号源内阻时，负载可以得到最大输出功率，这也是我们常说的阻抗匹配之一。这个结论同样适用于低频电路和高频电路。当交流电路含有容性或感性阻抗时，结论就变了，即信号源的实部与负载阻抗应相等，虚部应相反，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，只考虑信号源和负载之间的情况，因为低频信号的波长与传输线相比非常长，传输线可以视为“短线”，反射可以忽略不计(可以理解，即使线很短，也会和原始信号一样)。

从上面的分析可以得出结论，如果需要大的输出电流，应该选择小负载R；如果我们需要大的输出电压，选择大负载R；如果我们需要最大输出功率，选择与信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另一层含义。例如，一些仪器输出是在特定负载条件下设计的。如果负载条件发生变化，可能无法达到原来的性能。这时，我们也称之为阻抗失配。

在高频电路中，我们还必须考虑反射。当信号的频率很高时，信号的波长很短。当波长与传输线的长度相当时，反射信号在原始信号上的叠加会改变原始信号的形状。如果传输线的特性阻抗与负载阻抗不相等(即不匹配)，负载端就会发生反射。

阻抗失配时为什么会发生反射以及特征阻抗的求解方法涉及到二阶偏微分方程的求解。这里不赘述，但可以参考电磁场和微波方面书籍中的传输线理论，以引起兴趣。

传输线的特性阻抗(也称特征阻抗)由传输线的结构和材料决定，与传输线的长度、信号的幅度和频率等无关。比如常见的CCTV同轴电缆的特性阻抗为75ω，而一些射频设备中常用的是50ω同轴电缆的特性阻抗。另一种常见的传输线是特征阻抗为300ω的扁平平行线，常见于农村地区使用的电视天线架，用作八木天线的馈线。因为电视机射频输入端的输入阻抗是75ω，所以300ω馈线不会匹配。如何在实践中解决这个问题？不知道大家有没有注意到，电视机的配件中有一个300ω到75ω的阻抗转换器(一端有圆形插头的塑料包装，大概两个拇指大小)。

它实际上是一个传输线变压器，将300 ω的阻抗转换为75 ω，这样就可以匹配了。这里需要强调的是，特征阻抗不是我们通常理解的与电阻相关的概念，它与传输线的长度无关，也不能用欧姆表来测量。

为了避免反射，负载阻抗应等于传输线的特征阻抗，即传输线的阻抗匹配。阻抗不匹配会有什么不良后果？如果它们不匹配，就会形成反射，能量传输就不会通过，效率就会降低。传输线上会形成驻波(简单理解，信号有的地方强，有的地方弱)，导致传输线有效功率容量降低；电力无法发射，甚至发射设备也会损坏。如果电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配，就会产生振动、辐射干扰等。

当阻抗不匹配时，有哪些方法使其匹配？首先，考虑使用变压器进行阻抗转换，就像上面提到的电视机中的例子一样。其次，我们可以考虑使用串联/并联电容或电感，这是射频电路调试中经常用到的。第三，我们可以考虑使用串联/并联电阻。一些驱动器的阻抗相对较低，因此可以串联一个合适的电阻来匹配传输线，例如高速信号线，有时可以串联几十欧姆的电阻。但是有些接收机的输入阻抗比较高，可以采用并联电阻的方法来匹配传输线。例如，485总线接收器通常在数据线端并联一个120欧姆的匹配电阻。(始端串联匹配，终端并联匹配)

为了帮助大家理解阻抗失配时的反射问题，我举两个例子:假设你在练拳击——打沙袋。如果是重量和硬度合适的沙袋，你会觉得很舒服。但是，如果有一天我把沙袋弄乱了，比如沙袋换成了铁砂，你还是用之前的力打它，你的手可能会受不了——这就是过载的情况，会产生很大的反弹力。相反，如果我换成很轻的东西，你可能会跳空而且你的手可能一拳就受不了——这就是轻载的情况。

附:阻抗匹配的四种处理方法

当传输路径上的阻抗不连续时，就会发生反射。阻抗匹配的功能是通过端接元件来消除传输链路上的反射。的常见阻抗匹配如下:

一、串联终止方式

一个电阻串联在输出端附近。为了达到匹配效果，串联电阻和驱动器端的输出阻抗之和应该等于传输线的特性阻抗Z0。

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