输入电阻、输出电阻、特性阻抗、阻抗匹配

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一、输入阻抗和输出阻抗

1.输入阻抗

电流源驱动的电路

与电压源驱动的电路正好相反，电流源驱动可以理解为一个电流恒定的能量源I，给负载供电。
由欧姆定律可知，产生的电压为U=IRin，负载消耗的功率为P=UI=IIRin，由公式可知，这里负载输入阻抗Rin起到增大功率的作用，恒流源驱动的电路，电阻越大，负载两端电压越高，消耗的功率越大。

2.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。

现实中的电压源，则做不到这一点，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。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。

输出阻抗，是指电路负载从电路输出端口反着看进电路时电路所等效的阻抗，其实主要是针对能量源或者输出电路来说的，是能量源在输出端测到的阻抗，俗称内阻。

电压源在加到负载上时，除了在负载端消耗能量，自身也会产生能量的消耗，这里是因为电压源在输出能量的时候，内部存在阻碍能量输出的阻抗，比如电池的内阻。比如恒压源U，输出阻抗为Rout，负载端电压为Ur，负载R，电流为I=U/(Rout+R)，负载端电压Ur=IR=UR/(Rout+R)，负载产生的功率为P=UrI=U2R/(Rout+R)2。由此公式可知，输出阻抗越小，驱动负载的能力越大，继续推导可知R=Rout时，负载获得最大输出功率。

对于电流源驱动的电路，也存在输出阻抗，输出阻抗并联在恒流源两端。

电流源输出恒定电流I，一部分In消耗在内阻Rout上，剩余的电流Ir消耗在负载R上，由此可知，负载R上电压为Ur=IrR，和内阻Rout两端电压一致，即Ur=IrR=InRout，又因为I=Ir+In通过推导可知Ur=I Rout * R /( Rout+R)，负载端功率：

P=UrIr=Ur2/Rout=I2Rout*R2/( Rout+R)2= I2 *R2/( Rout+R2/Rout+2R)

由此可知，在Rout=R时，外端负载P最大。因此，对于恒流源负载，要想获得最大功率，需要将负载的电阻值和电流源的内阻匹配一致，即尽量趋近同一个值。

二、阻抗匹配

1.低频

1. 阻抗匹配（R负载=R内阻）可以保证负载获得最大功率，无论是戴维南等效还是诺顿等效。
2. 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.
3. 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).
   如下图，并不是纯阻性，喇叭的标注8欧姆为标准测试条件下比如1k郑相波下测试的阻抗
   

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.

2.高频：

1. 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。
   比如下图所示，这些都是不同的特征阻抗对用的不同的线传输特性，这些和阻抗匹不匹配无关，单纯线径和线传输特性关系。下图中线芯是黄色的线不是白色的线套
   
   
   
   
   
   
   
   
   
2. 例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω(接近最小损耗传输线的尺寸),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.
3. 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.
   阻抗不匹配的例子如下：
   信号发生器输出阻抗、信号发生器与示波器连接线、示波器输入阻抗都是50欧姆，如果不用三通链接一段10米断头的线缆，示波器就1个脉冲，使用三通链接一段10米断头线缆以后示波器多了一个反射波，是信号通过断头线缆到头后反射回来给了示波器显示，断头处可以认为缆头和地一个无穷大电阻。
   但是如果把断头处接不通阻值电阻，比如500欧姆 5000欧姆 50欧姆电阻到地，发现只有50欧姆时候发射波形没有了，因为阻抗匹配了。（如果信号发生器输出脉冲频率更高一些，断头线缆不用那么长，只要短一点就可以看到反射波形）
   
   
   
   
   
   
   

3.阻抗匹配对画高速板的知道

1. 嘉立创助手画高速板的特性阻抗计算出的线宽只能在嘉立创做板，和线长关系不大，但是和PCB厚度、PCB层数、铜厚有关系。
   
   如果双层板，画完走线后，要在走线的反面画参考用的地平面
   
   
   
   
2. 一般高速信号时候都是用到多层板，多层板相对于双面板，做阻抗更友好，线更细精度更好掌控。