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干貨推薦:何為“輸出阻抗”,又能起到怎樣的功效?

2019-12-12 10:21 來源:互聯網 編輯:Emma

本文主要對阻抗匹配問題進行闡述,闡述的過程中會貫穿電路圖進行實例分析,希望能幫到各位有效的理解什么是“輸出阻抗”,接下來我們開始正文了!

一、輸出阻抗在了解“阻抗匹配”這個問題之前,我們先來學習一下什么是“輸出阻抗”?

在實際電路設計中,無論信號源、放大器或電源,都有輸出阻抗的問題。

輸出阻抗其實就是一個信號源的內阻。本來,對于一個理想的電壓源(包括電源),內阻應該為 0,而對于一個理想電流源的阻抗應當為無窮大。人們比較較容易“忘記”輸出阻抗。

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下面,我們以電壓源為例來講這個問題。

現實中的電壓源,基本上不能做到內阻為0這一點。我們常用一個理想電壓源串聯一個電阻r的方式來等效一個實際的電壓源。這個跟理想電壓源串聯的電阻r,就是電壓源的內阻了。當這個電壓源給負載供電時,就會有電流I從這個負載上流過,并在這個電阻上產生一定的電壓降。這將導致電源輸出電壓的下降,從而限制了最大輸出功率(為什么會限制最大輸出功率,這也是我們這篇文章里面著重要講的“阻抗匹配”問題,請繼續往下看)。同樣,一個理想的電流源,輸出阻抗應該是無窮大,但實際電路中也是不可能做到的。

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一般來說,電壓源的輸出阻抗越小越好,而電流源的輸出阻抗越大越好(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,對于要求限流或限壓保護的信號源除外)。

二、怎樣理解阻抗匹配?首先我們來看一下阻抗匹配的定義:阻抗匹配是指信號源或傳輸線跟負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。

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我們先從直流電壓源驅動一個負載入手。由于實際的電壓源總是有內阻的(這就是我們為什么一上來先講“輸出阻抗”的原因),我們可以把一個實際電壓源等效成一個理想的電壓源跟一個電阻 r 串聯的模型。假設負載電阻為R,電源電動勢為U,內阻為r,那么我們可以計算出流過電阻R的電流I=U/(R+r),可以看出,負載電阻R越小,則輸出電流越大。負載R上的電壓Uo=IR=U[1+(r/R)],可以看出,負載電阻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

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對于一個給定的信號源,其內阻r是固定的,而負載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)2/R],當R=r時,[(R-r)2/R]可取得最小值0,這時負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/4r。即當負載電阻跟信號源內阻相等時,負載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說的阻抗匹配之一。

對于純電阻電路,此結論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時,結論有所改變,就是需要信號源與負載阻抗的實部相等,虛部互為相反數,這稱為共軛匹配。在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的匹配問題,只考慮信號源跟負載之間的情況,因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成“短線”,反射可以不考慮(可以這么理解:因為線短,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論:如果我們需要輸出電流大,則選擇小的負載 R;如果我們需要輸出電壓大,則選擇大的負載 R;如果我們需要輸出功率最大,則選擇跟信號源內阻匹配的電阻 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載條件下設計的,如果負載條件改變了,則可能達不到原來的性能,這時也會稱之為阻抗失配。

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在高頻電路中,我們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時,則信號的波長就很短,當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載阻抗不相等(即不匹配)時,在負載端就會產生反射。為什么阻抗不匹配時會產生生反射,以及特征阻抗的求解方法(牽涉到二階偏微分方程的求解),在這里我們就不細說了,有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗(也稱為特性阻抗)是由傳輸線的結構及材料決定的,而與傳輸線的長度、信號的幅度、頻率等均無無關。

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。因為電視機的射頻輸入端的輸入阻抗為 75Ω,所以 300Ω 的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢?不知道大家有沒有留意,電視機的附件中,有一個300Ω到75Ω的阻抗轉換器(一個塑料封裝的,一端有一個圓形的插頭的那個東西,大概有兩個大拇指那么大)。它里面其實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。這里需要強調一點的是,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,也不能通過使用歐姆表來測量。為了不產生反射,負載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應該相等,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,輕則降低信號能量傳遞效率;重則形成反射,信號能量完全反射回來;在大功率時甚至有可能損壞前級電路或信號源。如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時,會產生振蕩、輻射干擾等。

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當阻抗不匹配時,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換,就像上面所說的電視機中的例子那樣。第二,可以考慮使用串聯/并聯電容或電感的辦法,這在調試射頻電路時常使用。第三,可以考慮使用串聯/并聯電阻的辦法。一些驅動器的阻抗比較低,可以串聯一個合適的電阻來與傳輸線匹配,如高速信號線,有時會串聯一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高,可以使用并聯電阻的方法,來與傳輸線匹配,例如,485總線接收器,常在數據線終端并聯120Ω的匹配電阻。

怎么理解阻抗不匹配時的反射問題呢?

舉一個例子:假設你在練習拳擊——打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包,你打上去會感覺很舒服。但是,如果哪一天我把沙包做了手腳,例如里面換成了鐵沙,你還是用以前的力打上去,你的手可能就會受不了——這就是負載過重的情況,會產生很大的反彈力。相反,如果我把里面換成了很輕的東西,你一出拳,則可能會撲空,手也可能會受不了——這就是負載過輕的情況。

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