阻抗匹配原理

抗匹配是無線電技術中常見的一種工作狀態，它反映了輸人電路與輸出電路之間的功率傳輸關系。當電路實現阻抗匹配時，將獲得最大的功率傳輸。反之，當電路阻抗失配時，不但得不到最大的功率傳輸，還可能對電路產生損害。阻抗匹配常見于各級放大電路之間、放大器與負載之間、測量儀器與被測電路之間、天線與接收機或發信機與天線之間，等等。例如，擴音機的輸出電路與揚聲器之間必須做到阻抗匹配，不匹配時，擴音機的輸出功率將不能全部送至揚聲器。如果揚聲器的阻抗遠小于擴音機的輸出阻抗，擴音機就處于過載狀態，其末級功率放大管很容易損壞。

反之，如果揚聲器的阻抗高于擴音機的輸出阻抗過多，會引起輸出電壓升高，同樣不利于擴，音機的工作，聲音還會產生失真。因此擴音機電路的輸出阻抗與揚聲器的阻抗越接近越好。又例如，無線電發信機的輸出阻抗與饋線的阻抗、饋線與天線的阻抗也應達到一致。如果阻抗值不一致，發信機輸出的高頻能量將不能全部由天線發射出去。這部分沒有發射出去的能量會反射回來，產生駐波，嚴重時會引起饋線的絕緣層及發信機末級功放管的損壞。為了使信號和能量有效地傳輸，必須使電路工作在阻抗匹配狀態，即信號源或功率源的內阻等于電路的輸人阻抗，電路的輸出阻抗等于負載的阻抗。在一般的輸人、輸出電路中常含有電阻、電容和電感元件，由它們所組成的電路稱為電抗電路，其中只含有電阻的電路稱為純電阻電路。下面對純電阻電路和電抗電路的阻抗匹配問題分別進行簡要的分析。

1．純電阻電路

在中學物理電學中曾講述這樣一個問題：把一個電阻為R的用電器，接在一個電動勢為E、內阻為r的電池組上（見圖1），在什么條件下電源輸出的功率最大呢？當外電阻等于內電阻時，電源對外電路輸出的功率最大，這就是純電阻電路的功率匹配。假如換成交流電路，同樣也必須滿足R=r這個條件電路才能匹配。

2．電抗電路

電抗電路要比純電阻電路復雜，電路中除了電阻外還有電容和電感。元件，并工作于低頻或高頻交流電路。在交流電路中，電阻、電容和電感對交流電的阻礙作用叫阻抗，用字母Z表示。其中，電容和電感對交流電的阻礙作用，分別稱為容抗及和感抗而。容抗和感抗的值除了與電容和電感本身大小有關之外，還與所工作的交流電的頻率有關。值得注意的是，在電抗電路中，電阻R，感抗而與容抗雙的值不能用簡單的算術相加，而常用阻抗三角形法來計算（見圖 2）。因而電抗電路要做到匹配比純電阻電路要復雜一些，除了輸人和輸出電路中的電阻成分要求相等外，還要求電抗成分大小相等符號相反（共軛匹配）；或者電阻成分和電抗成分均分別相等（無反射匹配）。這里指的電抗X即感抗XL和容抗XC之差（僅指串聯電路來講，若并聯電路

則計算更為復雜）。滿足上述條件即稱為阻抗匹配，負載即能得到最大的功率．阻抗匹配的關鍵是前級的輸出阻抗與后級的輸人阻抗相等。而輸人阻抗與輸出阻抗廣泛存在于各級電子電路、各類測量儀器及各種電子元器件中。那么什么是輸人阻抗和輸出阻抗呢？輸人阻抗是指電路對著信號源講的阻抗。如圖3所示的放大器，它的輸人阻抗就是去掉信號源E及內電阻r時，從AB兩端看進去的等效阻抗。其值為Z=UI／I1，即輸人電壓與輸人電流之比。對于信號源來講，放大器成為其負載。從數值上看，放大器的等效負載值即為輸人阻抗值。輸人阻抗值的大小，對于不同的電路要求不一樣。

例如：萬用表中電壓擋的輸人阻抗（稱為電壓靈敏度）越高，對被測電路的分流就越小，測量誤差也就小。而電流擋的輸人阻抗越低，對被測電路的分壓就越小，因而測量誤差也越小。對于功率放大器，當信號源的輸出阻抗與放大電路的輸人阻抗相等時即稱阻抗匹配，這時放大電路就能在輸出端獲得最大功率。輸出阻抗是指電路對著負載講的阻抗。

將電路輸人端的電源短路，輸出端去掉負載后，從輸出端CD看進去的等效阻抗稱為輸出阻抗。如果負載阻抗與輸出阻抗不相等，稱阻抗不匹配，負載就不能獲得最大的功率輸出。輸出電壓U2和輸出電流I2之比即稱為輸出阻抗。輸出阻抗的大小視不同的電路有不同的要求。例如：電壓源要求輸出阻抗要低，而電流源的輸出阻抗要高。對于放大電路來講，輸出阻抗的值表示其承擔負載的能力。通常輸出阻抗小，承擔負載的能力就強。如果輸出阻抗與負載不能匹配時，可加接變壓器或網絡電路來達到匹配。

例如：晶體管放大器與揚聲器之間通常接有輸出變壓器，放大器的輸出阻抗與變壓器的初級阻抗相匹配，變壓器的次級阻抗與揚聲器的阻抗相匹配。而變壓器通過初次級繞組的匝數比來變換阻抗比。在實際的電子電路中，常會遇到信號源與放大電路或放大電路與負載的阻抗不相等的情況，因而不能把它們直接相連。解決的辦法是在它們之間加人一個匹配電路或匹配網絡。最后要說明一點，阻抗匹配僅適用于電子電路。因為電子電路中傳輸的信號功率本身較弱，需用匹配來提高輸出功率。而在電工電路中一般不考慮匹配，否則會導致輸出電流過大，損壞用電器。

電子管

基本電子管一般有三個極，一個陰極（K）用來發射電子，一個陽極（A）用來吸收陰極所發射的電子，一個柵極（G）用來控制流到陽極的電子流量。陰極發射電子的基本條件是：陰極本身必須具有相當的熱量，陰極又分兩種，一種是直熱式，它是由電流直接通過陰極使陰極發熱而發射電子;另一種稱旁熱式陰極，其結構一般是一個空心金屬管，管內裝有繞成螺線形的燈絲，加上燈絲電壓使燈絲發熱從而使陰極發熱而發射電子，現在日常用的多半是這種電子管（如圖所示）。由陰極發射出來的電子穿過柵極金屬絲間的空隙而達到陽極，由于柵極比陽極離陰極近得多，因而改變柵極電位對陽極電流的影響比改變陽極電壓時大得多，這就是三極管的放大作用。換句話說就是柵極電壓對陽極電流的控制作用。我們用一個參數稱跨導（S）來表示。另外還有一個參數μ來描述電子管的放大系數，它的意義是說明了柵極電壓控制陽流的能力比陽極電壓對陽流的作用大多少倍。

為了提高電子管的放大系數，在三極管的陽極和控制柵極之間另外加入一個柵極稱之為簾柵極，而構成四極管，由于簾柵極具有比陰極高很多的正電壓，因此也是一個能力很強的加速電極，它使得電子以更高的速度迅速到達陽極，這樣控制柵極的控制作用變得更為顯著。因此比三極管具有更大的放大系數。但是由于簾柵極對電子的加速作用，高速運動的電子打到陽極，這些高速電子的動能很大，將從陽極上打出所謂二次電子，這些二次電子有些將被簾柵吸收形成簾柵電流，使簾柵電流上升這會導致簾柵電壓的下降，從而導致陽極電流的下降，為此四極管的放大系數受到一定而限制。

為了解決上述矛盾，在四極管簾柵極外的兩側再加入一對與陰極相連的集射極，由于集射極的電位與陰極相同，所以對電子有排斥作用，使得電子在通過簾柵極之后在集射極的作用下按一定方向前進并形成扁形射束，這扁形電子射束的電子密度很大，從而形成了一個低壓區，從陽極上打出來的二次電子受到這個低壓區的排斥作用而被推回到陽極，從而使簾柵電流大大減少，電子管的放大能力得而加強。這種電子管我們稱為束射四極管，束射四極管不但放大系數較三極管為高，而且其陽極面積較大，允許通過較大的電流，因此現在的功放機常用到它作為功率放大。

電子電路中的反饋電路

反饋電路在各種電子電路中都獲得普遍的應用，反饋是將放大器輸出信號（電壓或電流）的一部分或全部，回授到放大器輸入端與輸入信號進行比較（相加或相減），并用比較所得的有效輸入信號去控制輸出，這就是放大器的反饋過程。凡是回授到放大器輸入端的反饋信號起加強輸入原輸入信號的，使輸入信號增加的稱正反饋。反之則反。按其電路結構又分為：電流反饋電路和電壓反饋電路。正反饋電路多應用在電子振蕩電路上，而負反饋電路則多應用在各種高低頻放大電路上。因應用較廣，所以我們在這里就負反饋電路加以論述。負反饋對放大器性能有四種影響：

1.負反饋能提高放大器增益的穩定性。

2.負反饋能使放大器的通頻帶展寬。

3.負反饋能減少放大器的失真。

4.負反饋能提高放大器的信噪比。

5.負反饋對放大器的輸出輸入電阻有影響。

圖F1是一種最基本的放大器電路，這個電路看上去很簡單，但其實其中包含了直流電流負反饋電路和交流電壓負反饋電路。圖中的R1和R2為BG的直流偏置電阻，R3是放大器的負載電阻，R5是直流電流負反饋電阻，C2和R4組成的支路是交流電壓負反饋支路，C3是交流旁路電容，它防止交流電流負反饋的產生。

一。直流電流負反饋電路。

晶體管BG的基極電壓VB為R1和R2的分壓值，BG發射極的電壓VE為Ie*R5那么BG的B、E間的電壓=VB-VE=VB-Ie*R5.當某種原因（如溫度變化）引起BG的Ie ↑則VE↑，BG基發極的電壓=VB-VE=VB-Ie*R5↓這樣使Ie↓。使直流工作點獲得穩定。這個負反饋過程是由于Ie↑所引起的，所以屬于電流負反饋電路。其中發射極電容C3是提供交流通路的，因為如果沒有C3，放大器工作時交流信號同樣因R5的存在而形成負反饋作用，使放大器的放大系數大打折扣。

二。交流電壓負反饋電路

交流電壓負反饋支路由R4，C4組成，輸出電壓經過這條支路反饋回輸入端。由于放大器的輸出端的信號與輸入信號電壓在相位上是互為反相的，所以由于反饋信號的引入削弱了原輸入信號的作用。所以是電壓負反饋電路.R4是控制著負反饋量的大小，C4起隔直流通交流的作用。當輸入的交流信號幅值過大時，如果沒有R4和C4的負反饋支路，放大器就會進入飽和或截止的狀態，使輸出信號出現削頂失真。由于引入了負反饋使輸入交流信號幅值受到控制，所以避免了失真的產生。

阻抗匹配的基本原理

右圖中R為負載電阻，r為電源E的內阻，E為電壓源。由于r的存在，當R很大時，電路接近開路狀態；而當R很少時接近短路狀態。顯然負載在開路及短路狀態都不能獲得最大功率。根據式：

從上式可看出，當R=r時式中的 式中分母中的（R-r）的值最小為0，此時負載所獲取的功率最大。所以，當負載電阻等于電源內阻時，負載將獲得最大功率。這就是電子電路阻抗匹配的基本原理。

串，并聯諧振電路的特性

一。串聯諧振電路：當外來頻率加于一串聯諧振電路時，它有以下特性：

1.當外加頻率等于其諧振頻率時其電路阻抗呈純電阻性，且有最少值，它這個特性在實際應用中叫做陷波器。

2.當外加頻率高于其諧振頻率時，電路阻抗呈感性，相當于一個電感線圈。

3.當外加頻率低于其諧振頻率時，這時電路呈容性，相當于一個電容。

二。并;聯諧振電路：當外來頻率加于一并聯諧振電路時，它有以下特性：

1.當外加頻率等于其諧振頻率時其電路阻抗呈純電阻性，且有最大值，它這個特性在實際應用中叫做選頻電路。

2.當外加頻率高于其諧振頻率時，電路阻抗呈容性，相當于一個電容。

3.當外加頻率低于其諧振頻率時，這時電路呈感性，相當于一個電感線圈。

所以當串聯或并聯諧振電路不是調節在信號頻率點時，信號通過它將會產生相移。（即相位失真）

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