什么是輸入阻抗和輸出阻抗?它有什么特點?阻抗匹配(impedance matching)是指信號傳輸過程中負載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對于低頻電路和高頻電路，阻抗匹配有很大的不同。

在理解阻抗匹配前，先要搞明白輸入阻抗和輸出阻抗。

一、輸入阻抗

輸入阻抗是指一個電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個電壓源 U，測量輸入端的電流 I，則輸入阻抗 Rin 就是 U/I。你可以把輸入端想象成一個電阻的兩端，這個電阻的阻值，就是輸入阻抗。

輸入阻抗跟一個普通的電抗元件沒什么兩樣，它反映了對電流阻礙作用的大小。對于電壓驅(qū)動的電路，輸入阻抗越大，則對電壓源的負載就越輕，因而就越容易驅(qū)動，也不會對信號源有影響;而對于電流驅(qū)動型的電路，輸入阻抗越小，則對電流源的負載就越輕。因此，我們可以這樣認為：如果是用電壓源來驅(qū)動的，則輸入阻抗越大越好;如果是用電流源來驅(qū)動的，則阻抗越小越好(注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問題),另外如果要獲取最大輸出功率時，也要考慮阻抗匹配問題

二、輸出阻抗

無論信號源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個信號源的內(nèi)阻。本來，對于一個理想的電壓源(包括電源)，內(nèi)阻應(yīng)該為 0，或理想電流源的阻抗應(yīng)當為無窮大。但現(xiàn)實中的電壓源，則不能做到這一點。我們常用一個理想電壓源串聯(lián)一個電阻 r 的方式來等效一個實際的電壓源。這個跟理想電壓源串聯(lián)的電阻 r，就是(信號源 / 放大器輸出 / 電源)內(nèi)阻了。當這個電壓源給負載供電時，就會有電流 I 從這個負載上流過，并在這個電阻上產(chǎn)生 I×r 的電壓降。這將導(dǎo)致電源輸出電壓的下降，從而限制了最大輸出功率(關(guān)于為什么會限制最大輸出功率，請看后面的“阻抗匹配”一問)。同樣的，一個理想的電流源，輸出阻抗應(yīng)該是無窮大，但實際的電路是不可能的。

三、阻抗匹配

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅(qū)動一個負載入手。由于實際的電壓源，總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個實際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻 r 串聯(lián)的模型。假設(shè)負載電阻為 R，電源電動勢為 U，內(nèi)阻為 r，那么我們可以計算出流過電阻 R 的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負載電阻 R 越小，則輸出電流越大。負載 R 上的電壓為：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，負載電阻 R 越大，則輸出電壓 Uo 越高。再來計算一下電阻 R 消耗的功率為：

P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)

=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]

=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

對于一個給定的信號源，其內(nèi)阻 r 是固定的，而負載電阻 R 則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)2/R]，當 R=r 時，[(R-r)2/R]可取得最小值 0，這時負載電阻 R 上可獲得最大輸出功率 Pmax=U2/(4×r)。即，當負載電阻跟信號源內(nèi)阻相等時，負載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時，結(jié)論有所改變，就是需要信號源與負載阻抗的的實部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共扼匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負載之間的情況，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(可以這么理解：因為線短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的)。

從以上分析我們可以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負載 R;如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負載 R;如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內(nèi)阻匹配的電阻 R。有時阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設(shè)計的，如果負載條件改變了，則可能達不到原來的性能，這時我們也會叫做阻抗失配。

在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負載阻抗不相等(即不匹配)時，在負載端就會產(chǎn)生反射。

為什么阻抗不匹配時會產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。

傳輸線的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關(guān)。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為 75Ω，而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為 50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為 300Ω的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為 75Ω，所以 300Ω的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢?不知道大家有沒有留意到，電視機的附件中，有一個 300Ω到 75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器(一個塑料封裝的，一端有一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那么大)。

它里面其實就是一個傳輸線變壓器，將 300Ω的阻抗，變換成 75Ω的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強調(diào)一點的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關(guān)，也不能通過使用歐姆表來測量。

為了不產(chǎn)生反射，負載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配，如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢?如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率;會在傳輸線上形成駐波(簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱)，導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低;功率發(fā)射不出去，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載阻抗不匹配時，會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。

當阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢?第一，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說的電視機中的那個例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián) / 并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián) / 并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485 總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián) 120 歐的匹配電阻。(始端串聯(lián)匹配，終端并聯(lián)匹配)

為了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題，我來舉兩個例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會受不了了——這就是負載過重的情況，會產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會撲空，手也可能會受不了——這就是負載過輕的情況。

附：阻抗匹配的四種處理方式

當傳輸路徑上阻抗不連續(xù)時，會有反射發(fā)生，阻抗匹配的作用就是通過端接元器件，時傳輸路線上的阻抗連續(xù)以去除傳輸鏈路上產(chǎn)生的反射。常見的阻抗匹配有如下幾種：

一、串聯(lián)端接方式

靠近輸出端的位置串聯(lián)一個電阻，要達到匹配效果，串聯(lián)電阻和驅(qū)動端輸出阻抗的總和應(yīng)等于傳輸線的特征阻抗 Z0。

在通常的數(shù)字信號系統(tǒng)中，器件的輸出阻抗通常是十幾歐姆到二十幾歐姆，傳輸線的阻抗通常會控制在 50 歐姆，所以始端匹配電阻常見為 33 歐姆電阻。

當然要達到好的匹配效果，驅(qū)動端輸出到串聯(lián)電阻這一段的傳輸路徑最好較短，短到可以忽略這一段傳輸線的影響。

串聯(lián)電阻優(yōu)缺點如下：

(1)優(yōu)點

1、只需要一個電阻;

2、沒有多余的直流功耗;

3、消除驅(qū)動端的二次反射;

4、不受接收端負載變化的影響;

(2)缺點

1、接收端的一次發(fā)射依然存在;

2、信號邊沿會有一些變化;

3、電阻要靠近驅(qū)動端放置，不適合雙向 傳輸信號;

4、在線上傳輸?shù)碾妷菏球?qū)動電壓的一半，不適合菊花鏈的多型負載結(jié)構(gòu)。

二、并聯(lián)端接方式

并聯(lián)端接又叫終端匹配，要達到阻抗匹配的要求，端接的電阻應(yīng)該和傳輸線的特征阻抗 Z0 相等。

在通常的數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)里，接收端的阻抗范圍為幾兆到十幾兆，終端匹配電阻如果和傳輸線的特征阻抗相等，其和接收端阻抗并聯(lián)后的阻抗大致還是在傳輸線的特征阻抗左右，那么終端的反射系數(shù)為 0。不會產(chǎn)生反射，消除的是終端的一次反射。

并聯(lián)端接優(yōu)缺點

(1)優(yōu)點

1、適用于多個負載

2、只需要一個電阻并且阻值容易選取

(2)缺點

1、增加了直流功耗

2、并聯(lián)端接可以上拉到電源或者下拉到地，是的低電平升高或者高電平降低，減小噪聲容限。

三、AC 并聯(lián)端接

并聯(lián)端接為消除直流功耗，可以采用如下所示的 AC 并聯(lián)端接(AC 終端匹配)。要達到匹配要求，端接的電阻應(yīng)該和傳輸線的特征阻抗 Z0 相等。

優(yōu)缺點描述如下：

(1)優(yōu)點

1、適用于多個負載

2、無直流功耗增加

(2)缺點

1、需要兩個器件

2、增加了終端的容性負載，增加了 RC 電路造成的延時

3、對周期性的信號有效(如時鐘)，不適合于非周期信號(如數(shù)據(jù))

四、戴維南端接

戴維南端接同終端匹配，如下圖，要達到匹配要求，終端的電阻并聯(lián)值要和傳輸線的特征阻抗 Z0 相等。

優(yōu)缺點描述：

(1)優(yōu)點

1、適用于多個負載

2、很適用于 SSTL/HSTL 電平上拉或下拉輸出阻抗很好平衡的情況。

(2)缺點

1、直流功耗增加

2、需要兩個器件

3、端接電阻上拉到電源或下拉到地，會使得低電平升高或高電平降低

4、電阻值較難選擇，電阻值取值小會使低電平升高，高電平降低更加惡劣;電阻值取大有可能造成不能完全匹配，使反射增大，可以通過仿真來確定。以上就是輸入阻抗和輸出阻抗解析，希望能給大家?guī)椭?