输入、输出阻抗以及阻抗匹配

 输入、输出阻抗以及阻抗匹配

1电源的内阻与负载相串联。负载值越小，说明负载越重，负载值越大，负载越轻，即容易驱动。
2电流源时，负载值越小，负载越轻，负载值越大，负载越重。
3以上的负载，可以替换为某个器件的输入电阻。

4对于电压源，负载值越大，负载获取的电压越大，负载值越小，负载获取的电压值越小，但负载与电源内阻相
等时，负载获得最大功率，这也叫做阻抗匹配。

5阻抗匹配的引申：
低频信号，波长较长，比传输线长很多，信号反射回来也没关系。
高频信号，波长较短，比传输线短，信号反射回来形成驻波，影响信号质量。

电源的内阻看成是传输线的特性阻抗，高频信号到达的驱动器设备（如DDR 控制器）看做是负载。只有传输线的
特性阻抗与负载匹配时，使得负载获得最大的信号功率，不会反射回来信号。

6传输线的特性阻抗，与传输线的长度无关，无法用万用表测量电阻，仅与传输线的材料有关。（PCB中定义，传

输线的特性阻抗与4个因素有关：介质厚度，介电常数，导线宽度，导线厚度）

参考文件：

    在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成，但不是三者简单相加。阻抗的单位是欧。在直流电中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。电阻很小的物质称作良导体，如金属等；电阻极大的物质称作绝缘体，如木头和塑料等。还有一种介于两者之间的导体叫做半导体，而超导体则是一种电阻值几近于零的物质。但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。对于一个具体电路，阻抗不是不变的，而是随着频率变化而变化。在电阻、电感和电容串联电路中，电路的阻抗一般来说比电阻大。也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中，谐振的时候阻抗增加到最大值，这和串联电路相反。

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。

输入阻抗是用来衡量放大器对信号源的影响的一个性能指标：

    对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，表明放大器从信号源取的电流越小，放大器输入端得到的信号电压也越大，即信号源电压衰减的少，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。理论基础：Us=（Rs+Ri）×I。Rs为信号源内阻，Ri为放大器输入电阻。因此作为测量信号电压的示波器、电压表等仪器的放大电路应当具有较大的输入电阻。对于一般的放大电路来说，输入电阻当然是越大越好。如果想从信号源取得较大的电流，则应该使放大器具有较小的输入电阻。

    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。输出阻抗在电路设计最特别需要注意。
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）的内阻了。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。

    输出电阻用来衡量放大器在不同负载条件下维持输出信号电压（或电流）恒定能力的强弱，称为其带负载能力。当放大器将放大了的信号输出给负载电阻RL时，对负载RL来说，放大器可以等效为具有内阻Ro的信号源，由这个信号源向RL提供输出信号电压和输出信号电流。Ro称为放大器的输出电阻，它是从放大器输出端向放大器本身看入的交流等效电阻。如果输出电阻Ro很小，满足Ro<<RL条件，则当RL在较大范围内变化时，就可基本维持输出信号电压的恒定。反之，如果输出电阻Ro很大，满足Ro>>RL条件，则当RL在较大范围内变化时，就可维持输出信号电流的恒定。如手机电池，它的内阻可以等效看作输出电阻，用了几年后，内阻高了，也就要报废了，因为带不动外面的东西

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（请参看输出阻抗一问），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：
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。对于纯电阻电路，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。

    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。另一个例子，不知道大家有没有过这样的经历：就是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以为还有楼梯时，就会出现“负载不匹配”这样的感觉了。当然，也许这样的例子不太恰当，但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况

为方便用纯电阻来略加解释。 

    一个放大器的输入信号源和这个放大器的输出电压，都可以用图中虚线框起的部分来等效，即一个电压源和一个内阻的串联；而图中的电阻R可以是这个放大器的输入电阻或放大器所要接的等效负载。

    若输入信号源的电压和内阻是不变的，则放大器的输入电阻越大（即高输入阻抗），从信号源取得的电流就越小，而在信号源内阻上的压降也就越小，信号电压就能以尽可能小的损失加到放大器的输入端。当输入电阻很小时，情况正好相反。当然，一般情况下我们需要前者。

    相同的分析思路，若放大器的输出电阻越小，信号源电压（放大器的输出电压）在内阻上的损失也越小，负载就会获得尽可能高的输出电压，常称之为“负载能力强”。这里不包括负载需要获得最大功率的情况。

因此在需要电压放大的场合，需要输入电阻高而输出电阻低的放大器。