阻抗

首先，什么是阻抗。在電學(xué)中，常把對(duì)電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，是一個(gè)復(fù)數(shù)Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。具體說(shuō)來(lái)阻抗可分為兩部分，電阻（實(shí)部）和電抗（虛部）。其中電抗又包括容抗和感抗，由電容引起的電流阻礙稱(chēng)為容抗，由電感引起的電流阻礙稱(chēng)為感抗。

說(shuō)明：負(fù)載是電阻、電感的感抗、電容的容抗三種類(lèi)型的復(fù)物，復(fù)合后統(tǒng)稱(chēng)“阻抗”，寫(xiě)成數(shù)學(xué)公式即是Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。其中R為電阻，ωL為感抗，1/(ωC)為容抗。

如果( ωL–1/ωC）>0，稱(chēng)為“感性負(fù)載”；

反之，如果( ωL–1/ωC）<0，稱(chēng)為“容性負(fù)載”。

圖1 復(fù)數(shù)表示方法

輸入阻抗

輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端加上一個(gè)電壓源U，測(cè)量輸入端的電流I，則輸入阻抗R就是U/I。你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端，這個(gè)電阻的阻值就是輸入阻抗。輸入阻抗跟一個(gè)普通的電抗元件沒(méi)什么兩樣，它反映了對(duì)電流阻礙作用的大小。

對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路，輸入阻抗越大，則對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響；而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。

因此，我們可以這樣認(rèn)為：如果用電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)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(wèn)題）。另外如果要獲取最大輸出功率時(shí)，也要考慮阻抗匹配問(wèn)題。

輸出阻抗

無(wú)論信號(hào)源或放大器還要電源，都有輸出阻抗的問(wèn)題。輸出阻抗就是一個(gè)信號(hào)源的內(nèi)阻。本來(lái)，對(duì)于一個(gè)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(wú)窮大。

但在現(xiàn)實(shí)中的電源，則不能做到這一點(diǎn)。我們常用一個(gè)理想電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻R的方式來(lái)等效一個(gè)實(shí)際的電壓源。這個(gè)跟理想電壓源串聯(lián)的電阻r，就是（信號(hào)源或放大器還要電源）的內(nèi)阻了。

當(dāng)這個(gè)電壓源給負(fù)載供電時(shí)，就會(huì)有電流I從這個(gè)負(fù)載上流過(guò)，并在這個(gè)電阻上產(chǎn)生I*R的壓降。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。同樣的1，一個(gè)理想的電流源，輸出阻抗應(yīng)該是無(wú)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(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配的目的是確保能實(shí)現(xiàn)信號(hào)或能量從“信號(hào)源”到“負(fù)載”的有效傳送，其主要有兩點(diǎn)作用，調(diào)整負(fù)載功率和抑制信號(hào)反射。

調(diào)整負(fù)載功率

假定激勵(lì)源已定，那么負(fù)載的功率由兩者的阻抗匹配度決定。對(duì)于一個(gè)理想化的純電阻電路或者低頻電路，由電感、電容引起的電抗值基本可以忽略，此時(shí)電路的阻抗來(lái)源主要為電阻。如圖2所示，電路中電流I=U/(r+R)，負(fù)載功率P=I*I*R。由以上兩個(gè)方程可得當(dāng)R=r是P取得最大值，Pmax=U*U/(4r).

圖2 負(fù)載功率調(diào)整

抑制信號(hào)反射

當(dāng)一束光從空氣射向水中時(shí)會(huì)發(fā)生反射，這是因?yàn)楣夂退墓鈱?dǎo)特性不同。同樣，當(dāng)信號(hào)傳輸中如果傳輸線上發(fā)生特性阻抗突變也會(huì)發(fā)生反射。波長(zhǎng)與頻率成反比，低頻信號(hào)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳輸線的長(zhǎng)度，因此一般不用考慮反射問(wèn)題。高頻領(lǐng)域，當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)與傳輸線長(zhǎng)處于相同量級(jí)時(shí)反射的信號(hào)易與原信號(hào)混疊，影響信號(hào)質(zhì)量，通過(guò)阻抗匹配可有效減少、消除高頻信號(hào)反射。

圖3 正常信號(hào)

圖4 異常信號(hào)（反射引起超調(diào)）

其最理想模型當(dāng)然是希望Source端的輸出阻抗為50歐姆，傳輸線的阻抗為50歐姆，Load端的輸入阻抗也是50歐姆，一路50歐姆下去，這是最理想的。

然而實(shí)際情況是：源端阻抗不會(huì)是50歐姆，負(fù)載端阻抗也不會(huì)是50歐姆，這個(gè)時(shí)候就需要若干個(gè)阻抗匹配電路，而匹配電路就是由電感和電容所構(gòu)成，這個(gè)時(shí)候我們就需要使用電容和電感來(lái)進(jìn)行阻抗匹配電路調(diào)試，以達(dá)到RF性能最優(yōu)。

阻抗匹配的方法主要有兩個(gè)，一是改變阻抗力，二是調(diào)整傳輸線。

改變阻抗力就是通過(guò)電容、電感與負(fù)載的串并聯(lián)調(diào)整負(fù)載阻抗值，以達(dá)到源和負(fù)載阻抗匹配。

調(diào)整傳輸線是加長(zhǎng)源和負(fù)載間的距離，配合電容和電感把阻抗力調(diào)整為零。

此時(shí)信號(hào)不會(huì)發(fā)生發(fā)射，能量都能被負(fù)載吸收。

高速PCB布線中，一般把數(shù)字信號(hào)的走線阻抗設(shè)計(jì)為50歐姆。一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對(duì)絞線（差分）為85-100歐姆。

阻抗不匹配有什么后果

如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢？

1.如果不匹配，則會(huì)形成反射，能量傳遞不過(guò)去，降低效率；
2.如果不匹配，會(huì)在傳輸線上形成駐波（簡(jiǎn)單的理解，就是有些地方信號(hào)強(qiáng)，有些地方信號(hào)弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；
3.如果不匹配，功率反射不出去，甚至?xí)p壞反射設(shè)備；
4.如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。

阻抗匹配應(yīng)用

對(duì)于一般的高頻信號(hào)領(lǐng)域，比如時(shí)鐘信號(hào)、總線信號(hào)，甚至高達(dá)幾百兆的DDR信號(hào)等，一般器件的收發(fā)端的感抗和容抗都比較小，相對(duì)電阻（即阻抗中的虛部）來(lái)說(shuō)可以忽略不記，這時(shí)，阻抗匹配就只需要考慮實(shí)數(shù)部分就可以了。

在射頻領(lǐng)域，很多器件如天線，功放等其他輸入輸出阻抗是非實(shí)數(shù)的（非純電阻），并且其虛部（容抗或者感抗）很大以至于不忽略，這時(shí)就要采用共軛匹配的方法。

還有其他領(lǐng)域也要用到阻抗匹配，比如功放與音響、PCB走線、天線設(shè)計(jì)、終端匹配電阻等等。