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更進(jìn)一步了解阻抗匹配

汽車玩家 ? 來源:HACK實驗室 ? 作者:HACK實驗室 ? 2020-05-03 18:10 ? 次閱讀

先說“阻抗”和“阻抗匹配”的概念

電路中存在的電阻、電容和電感對電流起到的阻礙作用就叫做阻抗。阻抗的單位為歐姆(Ω),用Z來表示,是一個表達(dá)式為:Z=R+i(ωL–1/(ωC))的復(fù)數(shù)。實部R為電阻,虛部(ωL–1/(ωC))為電抗,其中ωL為感抗,1/(ωC)為容抗。

像我們平時接觸到的耳機(jī)、喇叭,它的一個重要的參數(shù)就是阻抗,準(zhǔn)確的說是在1KHz的正弦波信號電路中耳機(jī)所呈現(xiàn)的阻抗值。主要是電阻和感抗,沒有容抗。

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阻抗匹配是指信號源、傳輸線和負(fù)載之間達(dá)到一種適合的搭配關(guān)系,從而提升能源效益。

低頻電路中的阻抗匹配

在直流電路中也就是理想化的純電阻電路中,由電容和電感引起的電抗基本可以忽略不計,此時電路中的阻抗主要是來自于電阻。

如下圖示,我們假設(shè)激勵源已定,那么負(fù)載的功率由兩者的阻抗匹配度決定。電路中的電流I=U/(r+R),負(fù)載的功率P=I2R,我們整理得到P=(U2*R)/(r+R)2,可以看出當(dāng)R=r時負(fù)載的功率P最大=U2/4R。

更進(jìn)一步了解阻抗匹配

純電阻電路模型

此結(jié)論在交流電路中引入容抗和感抗以后會稍有不同,在交流電路中負(fù)載的阻抗與信號源的阻抗共軛的時候能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率輸出。

在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的匹配問題,只考慮信號源跟負(fù)載之間的阻抗匹配,因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是“短線”,反射可以不考慮,因為即使反射回來,跟原信號也是一樣的。

高頻電路中的阻抗匹配

我為什么把高頻電路單拉一個段落?因為在高頻電路中引入了一個非常重要的因素—反射信號。我們知道當(dāng)信號頻率很高時,則信號的波長就很短。當(dāng)波長和傳輸線長度同一量級時,反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。但是如果傳輸線的特征阻抗與負(fù)載阻抗相等(即阻抗匹配)時,就會有效的減少、消除高頻信號反射。

更進(jìn)一步了解阻抗匹配

信號傳輸波形

至于為什么阻抗不匹配會產(chǎn)生反射以及傳輸線的特征阻抗的算法,涉及到二階偏微分方程的求解,在這里我就不細(xì)說了,有興趣的朋友可以看一下高等教育出版社的教材《電磁場與電磁波》第四版的第七章<導(dǎo)型電磁波>的第6小結(jié)<傳輸線>,里面有詳細(xì)描述。

上面我們提到的傳輸線特征阻抗是一個很重要的概念,其數(shù)值只由傳輸線的結(jié)構(gòu)和材料決定,與線的長度以及信號的頻率、幅值等無關(guān)。一些射頻設(shè)備所使用的同軸電纜的特征阻抗為50Ω,閉路電視的同軸線纜一般為75Ω。

如果阻抗不匹配那么不良后果有哪些呢?換句話說就是形成反射的不良后果,主要是會降低能量傳輸效率,形成駐波,導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低。如果是射頻設(shè)備的話就會影響信號傳輸距離、信號質(zhì)量,甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號線與負(fù)載阻抗不匹配時,就有可能產(chǎn)生震蕩、輻射干擾等。

阻抗匹配的應(yīng)用場景

射頻天線部分的設(shè)計,這塊的要點在于天線和饋線間的阻抗匹配。發(fā)射信號時應(yīng)使發(fā)射天線與饋線的特性阻抗相等,以獲得最好的信號增益。接收信號時天線與負(fù)載應(yīng)做共軛匹配,接收機(jī)(負(fù)載)阻抗一般認(rèn)為只有實數(shù)部分,因此需要用匹配網(wǎng)絡(luò)來除去天線的電抗部分并使它們的電阻部分相等。下圖為simcom公司的NB-IOT模塊天線部分的datasheet,使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量阻抗以確定R1、R2、 C1、C2的取值,完成阻抗匹配,可達(dá)到射頻最佳工作狀態(tài)。

更進(jìn)一步了解阻抗匹配

天線部分匹配電路

終端匹配電阻,在我們之前有一篇講485的文章中有詳細(xì)介紹,沒看過的小伙伴可以去閱讀一下,相信再結(jié)合本文會有一個更加深入的認(rèn)知。雙絞線的特性阻抗一般為120Ω,若不加終端的電阻,當(dāng)線纜長度很長而傳輸速率高即信號頻率高的時候就很容易發(fā)生我們上面所說的信號反射了。

更進(jìn)一步了解阻抗匹配

485通訊模型

PCB布線在低頻電路應(yīng)用中基本可以不考慮阻抗匹配,但是在高頻電路中PCB走線的阻抗就需要重視了,一般在數(shù)字信號的邊沿時間小于1ns或模擬信號的頻率超過300MHz的時候我們就需要考慮走線的阻抗問題。PCB走線阻抗主要來自寄生的電容、電阻、電感系數(shù),主要因素有板厚、線寬、銅皮厚乃至過孔直徑等。PCB阻抗的范圍是 25 至120 歐姆,USB、HDMI、SATA等一般要做85~100Ω的阻抗控制。(下圖為之前設(shè)計的一款linux小主機(jī)的USB數(shù)據(jù)走線)

linux主板布線

總結(jié)

這篇文章到這里就要結(jié)束了,希望大家通過我的這篇文章能對“阻抗匹配”這個重要的知識點有更進(jìn)一步的了解。如果大家有更深入的認(rèn)知歡迎在下方評論區(qū)留言分享,讓我們能借助這個平臺一起學(xué)習(xí)一起進(jìn)步。

還是老套路,介紹一下接下來的開源計劃,之前承諾的音響功放暫時放一下,在它之前我插入了一個耳放,幾天后推出。還是用的TI的TPA6120A2,這回我對之前的那款進(jìn)行了深入優(yōu)化,同時選了一個更合適的殼體(之前那款殼體停產(chǎn)買不到了),這次我盡量整理出BOM,這樣感興趣的小伙伴做起來就更方便了。

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