摘自&＃xff1a;http://bbs.21ic.com/icview-372430-1-1.html
在整理CAN网络的阻抗匹配时遇到这段文字&＃xff0c;对于理解阻抗匹配很好&＃xff0c;特整理在此。
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。
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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&＃xff0c;总是有内阻的&＃xff0c;我们可以把一个实际电压源&＃xff0c;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&＃xff0c;电源电动势为U&＃xff0c;内阻为r&＃xff0c;那么我们可以计算出流过电阻R的电流为&＃xff1a;I&＃61;U/(R&＃43;r)&＃xff0c;可以看出&＃xff0c;负载电阻R越小&＃xff0c;则输出电流越大。负载R上的电压为&＃xff1a;Uo&＃61;IR&＃61;U*[1&＃43;(r/R)]&＃xff0c;可以看出&＃xff0c;负载电阻R越大&＃xff0c;则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为&＃xff1a;
P&＃61;I*I*R&＃61;[U/(R&＃43;r)]*[U/(R&＃43;r)]*R&＃61;U*U*R/(R*R&＃43;2*R*r&＃43;r*r)
&＃61;U*U*R/[(R-r)*(R-r)&＃43;4*R*r]
&＃61;U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]&＃43;4*r}
对于一个给定的信号源&＃xff0c;其内阻r是固定的&＃xff0c;而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R]&＃xff0c;当R&＃61;r时&＃xff0c;[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0&＃xff0c;这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax&＃61;U*U/(4*r)。即&＃xff0c;当负载电阻跟信号源内阻相等时&＃xff0c;负载可获得最大输出功率&＃xff0c;这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路&＃xff0c;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&＃xff0c;结论有所改变&＃xff0c;就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等&＃xff0c;虚部互为相反数&＃xff0c;这叫做共厄匹配。在低频电路中&＃xff0c;我们一般不考虑传输线的匹配问题&＃xff0c;只考虑信号源跟负载之间的情况&＃xff0c;因为低频信号的波长相对于传输线来说很长&＃xff0c;传输线可以看成是“短线”&＃xff0c;反射可以不考虑&＃xff08;可以这么理解&＃xff1a;因为线短&＃xff0c;即使反射回来&＃xff0c;跟原信号还是一样的&＃xff09;。
从以上分析我们可以得出结论&＃xff1a;
如果我们需要输出电流大&＃xff0c;则选择小的负载R&＃xff1b;
如果我们需要输出电压大&＃xff0c;则选择大的负载R&＃xff1b;
如果我们需要输出功率最大&＃xff0c;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&＃xff0c;例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的&＃xff0c;如果负载条件改变了&＃xff0c;则可能达不到原来的性能&＃xff0c;这时我们也会叫做阻抗失配。
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在高频电路中&＃xff0c;我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时&＃xff0c;则信号的波长就很短&＃xff0c;当波长短得跟传输线长度可以比拟时&＃xff0c;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匹配&＃xff08;相等&＃xff09;时&＃xff0c;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&＃xff0c;牵涉到二阶偏微分方程的求解&＃xff0c;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&＃xff08;也叫做特性阻抗&＃xff09;是由传输线的结构以及材料决定的&＃xff0c;而与传输线的长度&＃xff0c;以及信号的幅度、频率等均无关。例如&＃xff0c;常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75欧&＃xff0c;而一些射频设备上则常用特征阻抗为50欧的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300欧的扁平平行线&＃xff0c;这在农村使用的电视天线架上比较常见&＃xff0c;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75欧&＃xff0c;所以300欧的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的呢&＃xff1f;不知道大家有没有留意到&＃xff0c;电视机的附件中&＃xff0c;有一个300欧到75欧的阻抗转换器&＃xff08;一个塑料包装的&＃xff0c;一端有一个圆形的插头的那个东东&＃xff0c;大概有两个大拇指那么大的&＃xff09;&＃xff1f;它里面其实就是一个传输线变压器&＃xff0c;将300欧的阻抗&＃xff0c;变换成75欧的&＃xff0c;这样就可以匹配起来了。
这里需要强调一点的是&＃xff0c;特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念&＃xff0c;它与传输线的长度无关&＃xff0c;也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产生反射&＃xff0c;负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等&＃xff0c;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&＃xff1f;如果不匹配&＃xff0c;则会形成反射&＃xff0c;能量传递不过去&＃xff0c;降低效率&＃xff1b;会在传输线上形成驻波&＃xff08;简单的理解&＃xff0c;就是有些地方信号强&＃xff0c;有些地方信号弱&＃xff09;&＃xff0c;导致传输线的有效功率容量降低&＃xff1b;功率发射不出去&＃xff0c;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&＃xff0c;会产生震荡&＃xff0c;辐射干扰等。
当阻抗不匹配时&＃xff0c;有哪些办法让它匹配呢&＃xff1f;
第一&＃xff0c;可以考虑使用变压器来做阻抗转换&＃xff0c;就像上面所说的电视机中的那个例子那样。
第二&＃xff0c;可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法&＃xff0c;这在调试射频电路时常使用。
第三&＃xff0c;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&＃xff0c;可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配&＃xff0c;例如高速信号线&＃xff0c;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&＃xff0c;可以使用并联电阻的方法&＃xff0c;来跟传输线匹配&＃xff0c;例如&＃xff0c;485总线接收器&＃xff0c;常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。
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