阻抗变换和阻抗匹配的理解

电路

本帖最后由 kefubo 于 2016-7-29 18:09 编辑

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.
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(见图 2).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.如图4中，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.
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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。
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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。