特性阻抗的含義

2023-01-20 18:21:02 字數 4878 閱讀 6284

假設一根均勻電纜無限延伸,在發射端的在某一頻率下的阻抗稱為「特性阻抗」。

測量特性阻抗時,可在電纜的另一端用特性阻抗的等值電阻終接,其測量結果會跟輸入訊號的頻率有關。

特性阻抗的測量單位為歐姆。在高頻段頻率不斷提高時,特性阻抗會漸近於固定值

英文名稱:impedance

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阻抗定義

在具有電阻、電感和電容的電路裡,對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用z表示.,是乙個複數,實部稱為電阻,虛部稱為電抗,其中電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗 ,電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗,電容和電感在電路中對交流電引起的阻礙作用總稱為電抗。

阻抗的單位是歐。在直流電中,物體對電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。電阻很小的物質稱作良導體,如金屬等;電阻極大的物質稱作絕緣體,如木頭和塑料等。

還有一種介於兩者之間的導體叫做半導體,而超導體則是一種電阻值等於零的物質。但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,這種作用就稱之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗,簡稱容抗及感抗。

它們的計量單位與電阻一樣是歐姆,而其值的大小則和交流電的頻率有關係,頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題,具有向量上的關係式,因此才會說:阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

對於乙個具體電路,阻抗不是不變的,而是隨著頻率變化而變化。在電阻、電感和電容串聯電路中,電路的阻抗一般來說比電阻大。也就是阻抗減小到最小值。

在電感和電容併聯電路中,諧振的時候阻抗增加到最大值,這和串聯電路相反。

在音響器材中,擴音機與喇叭的阻抗多設計為8歐姆,因為在這個阻抗值下,機器有最佳的工作狀態。其實喇叭的阻抗是隨著頻率高低的不同而變動的,喇叭規格中所標示的通常是乙個大略的平均值,現在市面上的產品大都是四歐姆、六歐姆或八歐姆。

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耳機阻抗

耳機的阻抗是其交流阻抗的簡稱,單位為歐姆(ω)。一般來說,阻抗越小,耳機就越容易出聲、越容易驅動。耳機的阻抗是隨其所重放的音訊訊號的頻率而改變的,一般耳機阻抗在低頻最大,因此對低頻的衰減要小於高頻的;對大多數耳機而言,增大輸出阻抗會使聲音更暗更混(此時功放對耳機驅動單元的控制也會變弱),但某些耳機卻需要在高阻抗下才更好聽。

如果耳機聲音尖銳刺耳,可以考慮增大耳機插孔的有效輸出阻抗;如果耳機聲音暗淡渾濁,並且是通過功率放大器驅動的,則可以考慮減小有效輸出電阻。

不同阻抗的耳機主要用於不同的場合,在台式電腦或功放、vcd、***、電視等裝置上,常用到的是高阻抗耳機,有些專業耳機阻抗甚至會在200歐姆以上,這是為了與專業機上的耳機插口匹配,此時如果使用低阻抗耳機,一定先要把音量調低再插上耳機,再一點點把音量調上去,防止耳機過載將耳機燒壞或是音圈變形錯位造成破音。而對於各種可攜式隨身聽,例如cd、md或***,一般會使用低阻抗耳機(通常都在50歐姆以下),這是因為這些低阻抗耳機比較容易驅動,同時還要注意靈敏度要高,對隨身聽、***來說靈敏度指標更加重要。當然,阻抗越高的耳機搭配輸出功率大的音源時聲音效果更好。

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阻抗匹配

什麼是阻抗匹配以及為什麼要阻抗匹配

阻抗匹配在高頻設計中是乙個常用的概念,這篇文章對這個「阻抗匹配」進行了比較好的解析。回答了什麼是阻抗匹配。

阻抗匹配(impedance matching)是微波電子學裡的一部分,主要用於傳輸線上,來達至所有高頻的微波訊號皆能傳至負載點的目的,不會有訊號反射回**點,從而提公升能源效益。

大體上,阻抗匹配有兩種,一種是透過改變阻抗力(lumped-circuit matching),另一種則是調整傳輸線的波長(transmission line matching)。

要匹配一組線路,首先把負載點的阻抗值,除以傳輸線的特性阻抗值來歸一化,然後把數值劃在史密夫圖表上。

改變阻抗力

把電容或電感與負載串聯起來,即可增加或減少負載的阻抗值,在圖表上的點會沿著代表實數電阻的圓圈走動。如果把電容或電感接地,首先圖表上的點會以圖中心旋轉180度,然後才沿電阻圈走動,再沿中心旋轉180度。重複以上方法直至電阻值變成1,即可直接把阻抗力變為零完成匹配。

調整傳輸線

由負載點至**點加長傳輸線,在圖表上的圓點會沿著圖中心以逆時針方向走動,直至走到電阻值為1的圓圈上,即可加電容或電感把阻抗力調整為零,完成匹配 。

阻抗匹配則傳輸功率大,對於乙個電源來講,單它的內阻等於負載時,輸出功率最大,此時阻抗匹配。最大功率傳輸定理,如果是高頻的話,就是無反射波。對於普通的寬頻放大器,輸出阻抗50ω,功率傳輸電路中需要考慮阻抗匹配,可是如果訊號波長遠遠大於電纜長度,即纜長可以忽略的話,就無須考慮阻抗匹配了。

阻抗匹配是指在能量傳輸時,要求負載阻抗要和傳輸線的特徵阻抗相等,此時的傳輸不會產生反射,這表明所有能量都被負載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。高速 pcb佈線時,為了防止訊號的反射,要求是線路的阻抗為50歐姆。

這是個大約的數字,一般規定同軸電纜基帶50歐姆,頻帶75歐姆,對絞線則為100歐姆,只是取個整而已,為了匹配方便。

阻抗從字面上看就與電阻不一樣,其中只有乙個阻字是相同的,而另乙個抗字呢?簡單地說,阻抗就是電阻加電抗,所以才叫阻抗;周延一點地說,阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中,物體對電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。

電阻小的物質稱作良導體,電阻很大的物質稱作非導體,而最近在高科技領域中稱的超導體,則是一種電阻值幾近於零的東西。但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,這種作用就稱之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗,簡稱容抗及感抗。

它們的計量單位與電阻一樣是奧姆,而其值的大小則和交流電的頻率有關係,頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題,具有向量上的關係式,因此才會說:阻抗是電阻與電抗在向量上的和。

阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態。對於不同特性的電路,匹配條件是不一樣的。

在純電阻電路中,當負載電阻等於激勵源內阻時,則輸出功率為最大,這種工作狀態稱為匹配,否則稱為失配。

當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時,為使負載得到最大功率,負載阻抗與內阻必須滿足共扼關係,即電阻成份相等,電抗成份只數值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。

一、阻抗匹配的研究

在高速的設計中,阻抗的匹配與否關係到訊號的質量優劣。阻抗匹配的技術可以說是豐富多樣,但是在具體的系統中怎樣才能比較合理的應用,需要衡量多個方面的因素。例如我們在系統中設計中,很多採用的都是源段的串連匹配。

對於什麼情況下需要匹配,採用什麼方式的匹配,為什麼採用這種方式。

例如:差分的匹配多數採用終端的匹配;時鐘採用源段匹配;

1、 串聯終端匹配

串聯終端匹配的理論出發點是在訊號源端阻抗低於傳輸線特徵阻抗的條件下,在訊號的源端和傳輸線之間串接乙個電阻r,使源端的輸出阻抗與傳輸線的特徵阻抗相匹配,抑制從負載端反射回來的訊號發生再次反射.

串聯終端匹配後的訊號傳輸具有以下特點:

a 由於串聯匹配電阻的作用,驅動訊號傳播時以其幅度的50%向負載端傳播;

b 訊號在負載端的反射係數接近+1,因此反射訊號的幅度接近原始訊號幅度的50%。

c 反射訊號與源端傳播的訊號疊加,使負載端接受到的訊號與原始訊號的幅度近似相同;

d 負載端反射訊號向源端傳播,到達源端後被匹配電阻吸收;

e 反射訊號到達源端後,源端驅動電流降為0,直到下一次訊號傳輸。

相對併聯匹配來說,串聯匹配不要求訊號驅動器具有很大的電流驅動能力。

選擇串聯終端匹配電阻值的原則很簡單,就是要求匹配電阻值與驅動器的輸出阻抗之和與傳輸線的特徵阻抗相等。理想的訊號驅動器的輸出阻抗為零,實際的驅動器總是有比較小的輸出阻抗,而且在訊號的電平發生變化時,輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為+4.

5v的cmos驅動器,在低電平時典型的輸出阻抗為 37ω,在高電平時典型的輸出阻抗為45ω[4];ttl驅動器和cmos驅動一樣,其輸出阻抗會隨訊號的電平大小變化而變化。因此,對ttl或cmos 電路來說,不可能有十分正確的匹配電阻,只能折中考慮。

鏈狀拓撲結構的訊號網路不適合使用串聯終端匹配,所有的負載必須接到傳輸線的末端。否則,接到傳輸線中間的負載接受到的波形就會象圖3.2.

5中c點的電壓波形一樣。可以看出,有一段時間負載端訊號幅度為原始訊號幅度的一半。顯然這時候訊號處在不定邏輯狀態,訊號的雜訊容限很低。

串聯匹配是最常用的終端匹配方法。它的優點是功耗小,不會給驅動器帶來額外的直流負載,也不會在訊號和地之間引入額外的阻抗;而且只需要乙個電阻元件。

2、 併聯終端匹配

併聯終端匹配的理論出發點是在訊號源端阻抗很大的情況下,通過增加併聯電阻使負載端輸入阻抗與傳輸線的特徵阻抗相匹配,達到消除負載端反射的目的。實現形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。

併聯終端匹配後的訊號傳輸具有以下特點:

a 驅動訊號近似以滿幅度沿傳輸線傳播;

b 所有的反射都被匹配電阻吸收;

c 負載端接受到的訊號幅度與源端傳送的訊號幅度近似相同。

在實際的電路系統中,晶元的輸入阻抗很高,因此對單電阻形式來說,負載端的併聯電阻值必須與傳輸線的特徵阻抗相近或相等。假定傳輸線的特徵阻抗為50ω,則r值為50ω。如果訊號的高電平為5v,則訊號的靜態電流將達到100ma。

由於典型的ttl或cmos電路的驅動能力很小,這種單電阻的併聯匹配方式很少出現在這些電路中。

雙電阻形式的併聯匹配,也被稱作戴維南終端匹配,要求的電流驅動能力比單電阻形式小。這是因為兩電阻的併聯值與傳輸線的特徵阻抗相匹配,每個電阻都比傳輸線的特徵阻抗大。考慮到晶元的驅動能力,兩個電阻值的選擇必須遵循三個原則:

⑴. 兩電阻的併聯值與傳輸線的特徵阻抗相等;

⑵. 與電源連線的電阻值不能太小,以免訊號為低電平時驅動電流過大;

⑶. 與地連線的電阻值不能太小,以免訊號為高電平時驅動電流過大。

因而不適用於電池供電系統等對功耗要求高的系統。另外,單電阻方式由於驅動能力問題在一般的ttl、cmos系統中沒有應用,而雙電阻方式需要兩個元件,這就對pcb的板面積提出了要求,因此不適合用於高密度印刷電路板。

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