阻抗匹配

RF工程师在设计芯片和天线间的阻抗匹配时,根据数据手册的参数进行匹配设计,最后测试发现实际结果和手册的性能大相径庭,你是否考虑过为什么会出现这么大的差别?匹配调试过程中尝试不同的电容、电感,来回焊接元器件,这样的调试方法我们能改善吗?

1、理想的匹配

通信系统的射频前端一般都需要阻抗匹配来确保系统有效的接收和发射,在工业物联网的无线通信系统中,国家对发射功率的大小有严格要求,如不高于+20dBm;若不能做到良好的匹配,就会影响系统的通信距离。

射频前端最理想的情况就是源端、传输线和负载端都是50Ω,如图1。但是这样的情况一般不存在。即使电路在设计过程中仿真通过,板厂制作过程中,线宽、传输线与地平面间隙和板厚都会存在误差,一般会预留焊盘调试使用。

图1 理想的阻抗匹配

2、造成与芯片手册推荐电路偏差大的原因?

从事RF电路设计的工程师都有过这样的经验,做匹配电路时,根据数据手册给的S参数、电路拓扑结构、元器件的取值进行设计,最后得到的结果和手册上的差别很大。这是为什么呢?

其主要原因是对射频电路来说,“导线”不再是导线,而是具有特征阻抗。如图2所示,射频传输线看成由电阻、电容和电感构成的网络,此时需要用分布参数理论进行分析,参考资料[4][7]。

图2 传输线模型

特征阻抗与信号线的线宽(w)、线厚(t)、介质层厚度(h)和介质常数(ε)有关。其计算公式如下:


由公式可以知道,特征阻抗和介质层厚度成正比,可以理解为绝缘厚度越厚,信号穿过其和接地层形成回路所遇到的阻力越大,所以阻抗值越大;和介质常数、线宽和线厚成反比。

因为芯片的应用场景不同,虽然电路设计一样,但是设计的PCB受结构尺寸、器件种类、摆放位置等因素的影响,会导致板材、板厚、布线的不同,引起特征阻抗的变化。当我们还是沿用手册给的参数进行匹配时,并不能做到良好阻抗匹配,自然会出现实际测试的结果与手册给的结果偏差较大的情况。

虽然我们不能完全照搬芯片手册电路的所有参数,但可以参考其中的拓扑结构,如π型、T型或者L型等。那接下来我们应该如何调试那些参数呢?

3、常规的调试方法

完成PCB设计之后,进入调试过程,有的工程师对这个过程茫然失措,不知道该如何入手。有的工程师会回到数据手册,把手册提供的参数直接焊接到PCB上,通过频谱仪观察功率输出,若不符合期望值;则调整其中的电容和电感,改大或者调小,然后焊回到PCB上,不断的迭代,直到输出值符合期望。

这种方法由于无法得知PCB板上分布参数的阻抗,只能不停的焊接更换参数调试,导致效率很低,而且并不适合调试接收链路的阻抗匹配。

4、是否有更有效的调试方法?

如果我们能知道PCB板上分布参数的阻抗,就可以通过史密斯圆图进行有据可循的阻抗匹配,减少无谓的参数尝试。

分布参数的阻抗有两种方法可以获得:

  • 使用仿真软件建模仿真,但是建立模型需要知道材料、尺寸、结构等条件,其工作量不亚于直接调试;即使能建立模型,如何保证其准确性也值得考究;
  • 使用网络分析仪直接测量,该方法直观而且结果准确。

下面介绍如何通过网分直接得到特征阻抗。

下图3是调试与匹配电路参考图,由芯片模块、射频开关和天线组成。把射频开关输出端作为50Ω参考点,此处接入网络分析仪分别测量传输线到天线的阻抗和传输线到芯片端口的阻抗。通过匹配之后,希望从该点往天线方向看进去是50Ω和往芯片方向看进去也是50Ω。

选择这里作为50Ω参考点主要有两方面考虑:

  • 该处到天线端是接收和发射的共同链路,只需要匹配一次,同时把天线对阻抗的影响也考虑了;到芯片端分别是接收和发射链路,需要分开匹配;
  • 虽然匹配电路次数变多,但是每次匹配元器件数目少了,减少相互间影响,提高匹配效率。

图3 调试与匹配参考图

5、测量分布参数阻抗

测量之前,将网络分析仪进行校准。首先把PCB板上除匹配网络的器件都焊上,然后把阻抗网络的落地元件断路,串联元件用0Ω电阻短路,如图4所示。尽量不使用焊锡短路,因为对高频电路来说,焊锡容易产生寄生效应,影响测量结果。

图4 焊接调试器件

进行天线匹配调试期间,需要断开同芯片的连接。进行芯片匹配调试期间,需要断开同天线匹配组的连接,接收链路的匹配和发射链路的匹配通过开关切换分别进行调试。

需要特别注意的是测量发射链路的阻抗,一般来说我们只要得到静态或者小信号发射的阻抗就能帮助我们完成设计,因为芯片发射时处于线性放大区,得到阻抗后只要微调器件,就能达到最佳的输出功率。如果需要更准确工作状态时的输出阻抗呢?当然也是可以的,这就需要我们加入更多的器件,如图5。

图5 测量芯片发射时的S22

在图5中,被测放大器就是芯片的功率放大器,使其进入最大功率输出;而测试信号源则提供一个反向输入信号a2到放大器;放大器输出端所产生的反射信号b2 通过定向耦合器被接收机检测到;b2与a2之比即为放大器的大信号S22 参数。

需要注意两点:

  • 被测芯片和测试信号源之间需要加定向隔离器,防止大信号损坏信号源;
  • 芯片输出频率和信号测试频率要异频。

具体的调试步骤如下:

  • 校准网络分析仪,校准到连接到板上的射频线缆;
  • 通过网络分析仪测量阻抗;
  • 借助史密斯圆图进行阻抗匹配;
  • 选择合适的电容和电感焊接到PCB上;
  • 测量无线芯片的输出和输入是否满足要求。

在匹配过程中,选择元器件一般遵循以下几个原则:

  • 落地电容值不要过大,电容越大,容抗则越小,信号容易流入GND;
  • 电容、电感值不要过小,因为存在误差,容值、感值越小,误差影响越大,影响批次的稳定性;
  • 电容、电感选择常规值,方便替换和备料采购。

6、小结

阻抗匹配过程中,我们首先要理解数据手册的参数,找到指导电路设计的依据,如电路拓扑图、S参数等;在调试过程中,借助网络分析仪测量实际电路的阻抗,使用史密斯圆图辅助我们完成设计;最后对电容、电感的选择也给了参考建议。希望本文能给正在阻抗匹配中的你一些帮助。

来源: ZLG立功科技一致远电子

围观 19

RF工程师在设计芯片和天线间的阻抗匹配时,根据数据手册的参数进行匹配设计,最后测试发现实际结果和手册的性能大相径庭,你是否考虑过为什么会出现这么大的差别?匹配调试过程中尝试不同的电容、电感,来回焊接元器件,这样的调试方法我们能改善吗?

1、理想的匹配

通信系统的射频前端一般都需要阻抗匹配来确保系统有效的接收和发射,在工业物联网的无线通信系统中,国家对发射功率的大小有严格要求,如不高于+20dBm;若不能做到良好的匹配,就会影响系统的通信距离。

射频前端最理想的情况就是源端、传输线和负载端都是50Ω,如图1。但是这样的情况一般不存在。即使电路在设计过程中仿真通过,板厂制作过程中,线宽、传输线与地平面间隙和板厚都会存在误差,一般会预留焊盘调试使用。

图1 理想的阻抗匹配

2、造成与芯片手册推荐电路偏差大的原因?

从事RF电路设计的工程师都有过这样的经验,做匹配电路时,根据数据手册给的S参数、电路拓扑结构、元器件的取值进行设计,最后得到的结果和手册上的差别很大。这是为什么呢?

其主要原因是对射频电路来说,“导线”不再是导线,而是具有特征阻抗。如图2所示,射频传输线看成由电阻、电容和电感构成的网络,此时需要用分布参数理论进行分析,参考资料[4][7]。

图2 传输线模型

特征阻抗与信号线的线宽(w)、线厚(t)、介质层厚度(h)和介质常数(ε)有关。其计算公式如下:


由公式可以知道,特征阻抗和介质层厚度成正比,可以理解为绝缘厚度越厚,信号穿过其和接地层形成回路所遇到的阻力越大,所以阻抗值越大;和介质常数、线宽和线厚成反比。

因为芯片的应用场景不同,虽然电路设计一样,但是设计的PCB受结构尺寸、器件种类、摆放位置等因素的影响,会导致板材、板厚、布线的不同,引起特征阻抗的变化。当我们还是沿用手册给的参数进行匹配时,并不能做到良好阻抗匹配,自然会出现实际测试的结果与手册给的结果偏差较大的情况。

虽然我们不能完全照搬芯片手册电路的所有参数,但可以参考其中的拓扑结构,如π型、T型或者L型等。那接下来我们应该如何调试那些参数呢?

3、常规的调试方法

完成PCB设计之后,进入调试过程,有的工程师对这个过程茫然失措,不知道该如何入手。有的工程师会回到数据手册,把手册提供的参数直接焊接到PCB上,通过频谱仪观察功率输出,若不符合期望值;则调整其中的电容和电感,改大或者调小,然后焊回到PCB上,不断的迭代,直到输出值符合期望。

这种方法由于无法得知PCB板上分布参数的阻抗,只能不停的焊接更换参数调试,导致效率很低,而且并不适合调试接收链路的阻抗匹配。

4、是否有更有效的调试方法?

如果我们能知道PCB板上分布参数的阻抗,就可以通过史密斯圆图进行有据可循的阻抗匹配,减少无谓的参数尝试。

分布参数的阻抗有两种方法可以获得:

  • 使用仿真软件建模仿真,但是建立模型需要知道材料、尺寸、结构等条件,其工作量不亚于直接调试;即使能建立模型,如何保证其准确性也值得考究;
  • 使用网络分析仪直接测量,该方法直观而且结果准确。

下面介绍如何通过网分直接得到特征阻抗。

下图3是调试与匹配电路参考图,由芯片模块、射频开关和天线组成。把射频开关输出端作为50Ω参考点,此处接入网络分析仪分别测量传输线到天线的阻抗和传输线到芯片端口的阻抗。通过匹配之后,希望从该点往天线方向看进去是50Ω和往芯片方向看进去也是50Ω。

选择这里作为50Ω参考点主要有两方面考虑:

  • 该处到天线端是接收和发射的共同链路,只需要匹配一次,同时把天线对阻抗的影响也考虑了;到芯片端分别是接收和发射链路,需要分开匹配;
  • 虽然匹配电路次数变多,但是每次匹配元器件数目少了,减少相互间影响,提高匹配效率。

图3 调试与匹配参考图

5、测量分布参数阻抗

测量之前,将网络分析仪进行校准。首先把PCB板上除匹配网络的器件都焊上,然后把阻抗网络的落地元件断路,串联元件用0Ω电阻短路,如图4所示。尽量不使用焊锡短路,因为对高频电路来说,焊锡容易产生寄生效应,影响测量结果。

图4 焊接调试器件

进行天线匹配调试期间,需要断开同芯片的连接。进行芯片匹配调试期间,需要断开同天线匹配组的连接,接收链路的匹配和发射链路的匹配通过开关切换分别进行调试。

需要特别注意的是测量发射链路的阻抗,一般来说我们只要得到静态或者小信号发射的阻抗就能帮助我们完成设计,因为芯片发射时处于线性放大区,得到阻抗后只要微调器件,就能达到最佳的输出功率。如果需要更准确工作状态时的输出阻抗呢?当然也是可以的,这就需要我们加入更多的器件,如图5。

图5 测量芯片发射时的S22

在图5中,被测放大器就是芯片的功率放大器,使其进入最大功率输出;而测试信号源则提供一个反向输入信号a2到放大器;放大器输出端所产生的反射信号b2 通过定向耦合器被接收机检测到;b2与a2之比即为放大器的大信号S22 参数。

需要注意两点:

  • 被测芯片和测试信号源之间需要加定向隔离器,防止大信号损坏信号源;
  • 芯片输出频率和信号测试频率要异频。

具体的调试步骤如下:

  • 校准网络分析仪,校准到连接到板上的射频线缆;
  • 通过网络分析仪测量阻抗;
  • 借助史密斯圆图进行阻抗匹配;
  • 选择合适的电容和电感焊接到PCB上;
  • 测量无线芯片的输出和输入是否满足要求。

在匹配过程中,选择元器件一般遵循以下几个原则:

  • 落地电容值不要过大,电容越大,容抗则越小,信号容易流入GND;
  • 电容、电感值不要过小,因为存在误差,容值、感值越小,误差影响越大,影响批次的稳定性;
  • 电容、电感选择常规值,方便替换和备料采购。

6、小结

阻抗匹配过程中,我们首先要理解数据手册的参数,找到指导电路设计的依据,如电路拓扑图、S参数等;在调试过程中,借助网络分析仪测量实际电路的阻抗,使用史密斯圆图辅助我们完成设计;最后对电容、电感的选择也给了参考建议。希望本文能给正在阻抗匹配中的你一些帮助。

来源: ZLG立功科技一致远电子

围观 12

阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态,它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时,将获得最大的功率传输。

反之,当电路阻抗失配时,不但得不到最大的功率传输,还可能对电路产生损害。阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间,等等。例如,扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阻抗匹配,不匹配时,扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器。

如果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗,扩音机就处于过载状态,其末级功率放大管很容易损坏。反之,如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多,会引起输出电压升高,同样不利于扩,音机的工作,声音还会产生失真.因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好。

又例如,无线电发信机的输出阻抗与馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致。如果阻抗值不一致,发信机输出的高频能量将不能全部由天线发射出去。这部分没有发射出去的能量会反射回来,产生驻波,严重时会引起馈线的绝缘层及发信机末级功放管的损坏。为了使信号和能量有效地传输,必须使电路工作在阻抗匹配状态,即信号源或功率源的内阻等于电路的输人阻抗,电路的输出阻抗等于负载的阻抗。

在一般的输入、输出电路中常含有电阻、电容和电感元件,由它们所组成的电路称为电抗电路,其中只含有电阻的电路称为纯电阻电路.下面对纯电阻电路和电抗电路的阻抗匹配问题分别进行简要的分。

1、纯电阻电路

在中学物理电学中曾讲述这样一个问题:把一个电阻为R的用电器,接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上(见图1),在什么条件下电源输出的功率最大呢?当外电阻等于内电阻时,电源对外电路输出的功率最大,这就是纯电阻电路的功率匹配。假如换成交流电路,同样也必须满足R=r这个条件电路才能匹配。

如何理解阻抗匹配,阻抗变换?

2、电抗电路

电抗电路要比纯电阻电路复杂,电路中除了电阻外还有电容和电感.元件,并工作于低频或高频交流电路。

在交流电路中,电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻抗,用字母Z表示.其中,电容和电感对交流电的阻碍作用,分别称为容抗及和感抗而.容抗和感抗的值除了与电容和电感本身大小有关之外,还与所工作的交流电的频率有关。

值得注意的是,在电抗电路中,电阻R,感抗而与容抗双的值不能用简单的算术相加,而常用阻抗三角形法来计算。因而电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些,除了输入和输出电路中的电阻成分要求相等外,还要求电抗成分大小相等符号相反(共轭匹配);或者电阻成分和电抗成分均分别相等(无反射匹配)。这里指的电抗X即感抗XL和容抗XC之差(仅指串联电路来讲,若并联电路则计算更为复杂)。

满足上述条件即称为阻抗匹配,负载即能得到最大的功率。阻抗匹配的关键是前级的输出阻抗与后级的输入阻抗相等。而输入阻抗与输出阻抗广泛存在于各级电子电路、各类测量仪器及各种电子元器件中。那么什么是输入阻抗和输出阻抗呢?

输入阻抗是指电路对着信号源讲的阻抗.如图3所示的放大器,它的输入阻抗就是去掉信号源E及内电阻r时,从AB两端看进去的等效阻抗。其值为Z=UI/I1,即输入电压与输入电流之比。对于信号源来讲,放大器成为其负载。从数值上看,放大器的等效负载值即为输入阻抗值。输入阻抗值的大小,对于不同的电路要求不一样。

例如:万用表中电压挡的输入阻抗(称为电压灵敏度)越高,对被测电路的分流就越小,测量误差也就小.而电流挡的输入阻抗越低,对被测电路的分压就越小,因而测量误差也越小。

对于功率放大器,当信号源的输出阻抗与放大电路的输入阻抗相等时即称阻抗匹配,这时放大电路就能在输出端获得最大功率。输出阻抗是指电路对着负载讲的阻抗。将电路输入端的电源短路,输出端去掉负载后,从输出端CD看进去的等效阻抗称为输出阻抗。如果负载阻抗与输出阻抗不相等,称阻抗不匹配,负载就不能获得最大的功率输出。输出电压U2和输出电流I2之比即称为输出阻抗。

输出阻抗的大小视不同的电路有不同的要求。例如:电压源要求输出阻抗要低,而电流源的输出阻抗要高。对于放大电路来讲,输出阻抗的值表示其承担负载的能力。通常输出阻抗小,承担负载的能力就强。

如果输出阻抗与负载不能匹配时,可加接变压器或网络电路来达到匹配.例如:晶体管放大器与扬声器之间通常接有输出变压器,放大器的输出阻抗与变压器的初级阻抗相匹配,变压器的次级阻抗与扬声器的阻抗相匹配.而变压器通过初次级绕组的匝数比来变换阻抗比。

在实际的电子电路中,常会遇到信号源与放大电路或放大电路与负载的阻抗不相等的情况,因而不能把它们直接相连.解决的办法是在它们之间加入一个匹配电路或匹配网络。

最后要说明一点,阻抗匹配仅适用于电子电路。因为电子电路中传输的信号功率本身较弱,需用匹配来提高输出功率。而在电工电路中一般不考虑匹配,否则会导致输出电流过大,损坏用电器。

阻抗匹配概念

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。

在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。

从电磁波的原理上看,电波只有在相同的介质中传播没有反射,当经过介质的边界时电磁波会发生部分反射现象,两边介质的介电常数差距越大反射就会越大,反射会造成很多电路问题:损耗、噪声、功率返回烧毁器件等等。

说回来,不同的介质就意味着阻抗不同,电路里传导的电磁波就会产生上述现象,所以阻抗匹配就阻抗相等,就是让两边没有电磁波的反射。

阻抗匹配是为了保证能量传输损耗最小,匹配就是上一级电路的内电阻要等于下一级电路的输入电阻。可以分为低频和高频两种情况理解。

1、低频

低频领域可以用电工原理的理论,我们知道现实世界是不存在理想电源的,电源都有内电阻,在能量传输过程中,内阻本身也要消耗能量,这就是全电路欧姆定律阐明的原理:电源电动势E=I*(R+r),其中I是电流,R是负载电阻,r是电源内阻,而功率P=U*I,=I*I*R,通过计算就可以得出只有R=r时,负载获得的功率最大,这就是电子电路设计要求阻抗匹配的原因。

2、高频

在高频领域,以上的原理照样适用,只是阻抗的计算比较复杂,高频的性质是电磁波,它具有波的特性,要用电磁波传输理论来设计电路。在传输过程中要尽量减少信号反射,就要考虑传输介质的材料特性、机械形状、尺寸等一系列参数,阻抗值实际是“波阻抗”,是一种等效阻抗。如75欧高频电缆与50欧高频电缆的机械尺寸不同,波阻抗就不同,用万用表是无法测量的。

来源:玩转嵌入式

围观 39

当传输路径上阻抗不连续时,会有反射发生,阻抗匹配的作用就是通过端接元器件,时传输路线上的阻抗连续以去除传输链路上产生的反射。

常见的阻抗匹配有如下几种:

1. 串联端接方式

靠近输出端的位置串联一个电阻,要达到匹配效果,串联电阻和驱动端输出阻抗的总和应等于传输线的特征阻抗Z0。

阻抗匹配的四种处理方式

在通常的数字信号系统中,器件的输出阻抗通常是十几欧姆到二十几欧姆,传输线的阻抗通常会控制在50欧姆,所以始端匹配电阻常见为33欧姆电阻。

当然要达到好的匹配效果,驱动端输出到串联电阻这一段的传输路径最好较短,短到可以忽略这一段传输线的影响。

  •  优点
1. 只需要一个电阻;
2. 没有多余的直流功耗;
3. 消除驱动端的二次反射;
4. 不受接收端负载变化的影响;

  •  缺点
1. 接收端的一次发射依然存在;
2. 信号边沿会有一些变化;
3. 电阻要靠近驱动端放置,不适合双向 传输信号;
4. 在线上传输的电压是驱动电压的一半,不适合菊花链的多型负载结构。

2. 并联端接方式

并联端接又叫终端匹配,要达到阻抗匹配的要求,端接的电阻应该和传输线的特征阻抗Z0相等。

阻抗匹配的四种处理方式

在通常的数字信号传输系统里,接收端的阻抗范围为几兆到十几兆,终端匹配电阻如果和传输线的特征阻抗相等,其和接收端阻抗并联后的阻抗大致还是在传输线的特征阻抗左右,那么终端的反射系数为0。不会产生反射,消除的是终端的一次反射。

  •  优点
1. 适用于多个负载
2. 只需要一个电阻并且阻值容易选取

  •  缺点
1. 增加了直流功耗
2. 并联端接可以上拉到电源或者下拉到地,是的低电平升高或者高电平降低,减小噪声容限。

3. AC并联端接

并联端接为消除直流功耗,可以采用如下所示的AC并联端接(AC终端匹配)。要达到匹配要求,端接的电阻应该和传输线的特征阻抗Z0相等。

阻抗匹配的四种处理方式

  •  优点
1. 适用于多个负载
2. 无直流功耗增加

  •  缺点
1. 需要两个器件
2. 增加了终端的容性负载,增加了RC电路造成的延时
3. 对周期性的信号有效(如时钟),不适合于非周期信号(如数据)

4. 戴维南端接

戴维南端接同终端匹配,如下图,要达到匹配要求,终端的电阻并联值要和传输线的特征阻抗Z0相等。

阻抗匹配的四种处理方式

  •  优点
1. 适用于多个负载
2. 很适用于SSTL/HSTL电平上拉或下拉输出阻抗很好平衡的情况。

  •  缺点
1. 直流功耗增加
2. 需要两个器件
3. 端接电阻上拉到电源或下拉到地,会使得低电平升高或高电平降低
4. 电阻值较难选择,电阻值取值小会使低电平升高,高电平降低更加恶劣;电阻值取大有可能造成不能完全匹配,使反射增大,可以通过仿真来确定。

来源:嵌入式资讯精选

围观 101

阻抗匹配(impedance matching)是指信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对于低频电路和高频电路,阻抗匹配有很大的不同。

在理解阻抗匹配前,先要搞明白输入阻抗和输出阻抗。

一、 输入阻抗

输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的阻值,就是输入阻抗。

输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样,它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。因此,我们可以这样认为:如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(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),另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑阻抗匹配问题。

二、输出阻抗

无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗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,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。但现实中的电压源,则不能做到这一点。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(信号源/放大器输出/电源)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 I×r 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(关于为什么会限制最大输出功率,请看后面的“阻抗匹配”一问)。同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际的电路是不可能的。

三、阻抗匹配

阻抗匹配是指信号源或者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,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的电流为: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上的电压为: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:

怎样理解阻抗匹配?

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/(4×r)。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。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的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共扼匹配。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,传输线可以看成是“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,这时我们也会叫做阻抗失配。

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(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。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到,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东,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,则会形成反射,能量传递不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,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那个例子那样。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跟传输线匹配,例如高速信号线,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,来跟传输线匹配,例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。(始端串联匹配,终端并联匹配)

为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题,我来举两个例子: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。

来源:嵌入式资讯精选

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