阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图: 基本原理
本文利用史密斯圆图作为RF 阻抗匹配的设计指南。文中给出了反射系数、阻抗和导
纳的作图范例，并用作图法设计了一个频率为60MHz 的匹配网络。
实践证明：史密斯圆图仍然是计算传输线阻抗的基本工具。
在处理RF 系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大
器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO 输出与混频器输入之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。
在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预
知的影响。频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF 测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。
有很多种阻抗匹配的方法，包括:
? 计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。
? 手工计算: 这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。
? 经验: 只有在RF 领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之，它只适合于资深的专家。 ?
史密斯圆图: 本文要重点讨论的内容。
本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识，并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹配网络元件的数值。当然，史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。
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图1. 阻抗和史密斯圆图基础
基础知识
在介绍史密斯圆图的使用之前，最好回顾一下RF 环境下(大于100MHz) IC 连线的电磁波传播现象。这对RS-485传输线、PA 和天线之间的连接、LNA 和下变频器/混频器之间的连接等应用都是有效的。 大家都知道，要使信号源传送到负载的功率最大，信号源阻抗必须等于负载的共轭阻抗，即：
R s + jX s = R L - jX L
图2. 表达式R s + jX s = R L - jX L 的等效图
在这个条件下，从信号源到负载传输的能量最大。另外，为有效传输功率，满足这个条件可以避免能量从负载反射到信号源，尤其是在诸如视频传输、RF 或微波网络的高频应用环境更是如此。
史密斯圆图
史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。正确的使用它，可以在不作任何计算的前提下得到一个表面上看非常复杂的系统的匹配阻抗，唯一需要作的就是沿着圆周线读取并跟踪数据。
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史密斯圆图是反射系数(伽马，以符号表示)的极座标图。反射系数也可以从数学上定义为单端口散射参数，即s 11。
史密斯圆图是通过验证阻抗匹配的负载产生的。这里我们不直接考虑阻抗，而是用反射系数L ，反射系数可以反映负载的特性(如导纳、增益、跨导)，在处理RF 频率的问题时，L 更加有用。 我们知道反射系数定义为反射波电压与入射波电压之比:
图3. 负载阻抗
负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的失配程度。反射系数的表达式定义为：
由于阻抗是复数，反射系数也是复数。
为了减少未知参数的数量，可以固化一个经常出现并且在应用中经常使用的参数。这里Z o (特性阻抗)通常
为常数并且是实数，是常用的归一化标准值，如50、75
、100
和600
。于是我们可以定义归一化
的负载阻抗：
据此，将反射系数的公式重新写为：
从上式我们可以看到负载阻抗与其反射系数间的直接关系。但是这个关系式是一个复数，所以并不实用。我们可以把史密斯圆图当作上述方程的图形表示。
为了建立圆图，方程必需重新整理以符合标准几何图形的形式(如圆或射线)。
首先，由方程2.3求解出；
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并且
令等式2.5的实部和虚部相等，得到两个独立的关系式：
重新整理等式2.6，经过等式2.8至2.13得到最终的方程2.14。这个方程是在复平面(r, i)上、圆的参数
方程(x-a)2 + (y-b)2 = R 2，它以(r/r+1, 0)为圆心，半径为1/1+r.
更多细节参见图4a 。
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图4a. 圆周上的点表示具有相同实部的阻抗。例如，R ＝1的圆，以(0.5, 0)为圆心，半径为0.5。它包含了代表反射零点的原点(0, 0) (负载与特性阻抗相匹配）。以(0，0)为圆心、半径为1的圆代表负载短路。负载开路时，圆退化为一个点(以1，0为圆心，半径为零)。与此对应的是最大的反射系数1，即所有的入射
波都被反射回来。
在作史密斯圆图时，有一些需要注意的问题。下面是最重要的几个方面：
? 所有的圆周只有一个相同的，唯一的交点(1, 0)。 ? 代表0
、也就是没有电阻(r = 0)的圆是最大的圆。
? 无限大的电阻对应的圆退化为一个点(1, 0)
? 实际中没有负的电阻，如果出现负阻值，有可能产生振荡。 ?
选择一个对应于新电阻值的圆周就等于选择了一个新的电阻。
作图
经过等式2.15至2.18的变换，2.7式可以推导出另一个参数方程，方程2.19。
同样，2.19也是在复平面(r, i)上的圆的参数方程(x-a)2 + (y-b)2 = R 2,它的圆心为(1, 1/x)，半径1/x 。
更多细节参见图4b 。
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图4b. 圆周上的点表示具有相同虚部x 的阻抗。例如，x=1的圆以(1, 1)为圆心，半径为1。所有的圆(x 为常数)都包括点(1, 0)。与实部圆周不同的是，x 既可以是正数也可以是负数。这说明复平面下半部是其上半
部的镜像。所有圆的圆心都在一条经过横轴上1点的垂直线上。
完成圆图
为了完成史密斯圆图，我们将两簇圆周放在一起。可以发现一簇圆周的所有圆会与另一簇圆周的所有圆相交。若已知阻抗为r + jx ，只需要找到对应于r 和x 的两个圆周的交点就可以得到相应的反射系数。
可互换性
上述过程是可逆的，如果已知反射系数，可以找到两个圆周的交点从而读取相应的r 和x 的值。过程如下：
? 确定阻抗在史密斯圆图上的对应点 ? 找到与此阻抗对应的反射系数 () ? 已知特性阻抗和，找出阻抗 ? 将阻抗转换为导纳 ? 找出等效的阻抗
?
找出与反射系数对应的元件值(尤其是匹配网络的元件，见图7)
推论
因为史密斯圆图是一种基于图形的解法，所得结果的精确度直接依赖于图形的精度。下面是一个用史密斯
圆图表示的RF 应用实例： 例: 已知特性阻抗为50
，负载阻抗如下：
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Z 1 = 100 + j50 Z 2 = 75 -j100 Z 3 = j200 Z 4 = 150 Z 5 =
(开路) Z 6 = 0 (短路)
Z 7 = 50
Z 8 = 184 -j900
对上面的值进行归一化并标示在圆图中(见图5)：
z 1 = 2 + j z 2 = 1.5 -j2 z 3 = j4 z 4 = 3 z 5 = 8
z 6 = 0
z 7 = 1
z 8 = 3.68 -j18S
图5. 史密斯圆图上的点
现在可以通过图5的圆图直接解出反射系数。画出阻抗点(等阻抗圆和等电抗圆的交点)，只要读出它们在
直角坐标水平轴和垂直轴上的投影，就得到了反射系数的实部r 和虚部i (见图6)。 该范例中可能存在八种情况，在图6所示史密斯圆图上可以直接得到对应的反射系数：
1 = 0.4 + 0.2j
2 = 0.51 - 0.4j
3 = 0.875 + 0.48j
4 = 0.
5 5 = 1
6 = -1
7 = 0
8 = 0.96 - 0.1j
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图6. 从X-Y 轴直接读出反射系数的实部和虚部
用导纳表示
史密斯圆图是用阻抗(电阻和电抗)建立的。一旦作出了史密斯圆图，就可以用它分析串联和并联情况下的参数。可以添加新的串联元件，确定新增元件的影响只需沿着圆周移动到它们相应的数值即可。然而，增加并联元件时分析过程就不是这么简单了，需要考虑其它的参数。通常，利用导纳更容易处理并联元件。
我们知道，根据定义Y = 1/Z ，Z = 1/Y 。导纳的单位是姆欧或者-1
(早些时候导纳的单位是西门子或S)。
并且，如果Z 是复数，则Y 也一定是复数。
所以Y = G + jB (2.20),其中G 叫作元件的“电导”，B 称“电纳”。在演算的时候应该小心谨慎，按照似乎合乎逻辑的假设，可以得出：G = 1/R 及B = 1/X ，然而实际情况并非如此，这样计算会导致结果错误。 用导纳表示时，第一件要做的事是归一化， y = Y/Y o ，得出 y = g + jb 。但是如何计算反射系数呢？通过
下面的式子进行推导：
结果是G 的表达式符号与z 相反，并有(y) = -(z).
如果知道z ，就能通过将的符号取反找到一个与(0，0)的距离相等但在反方向的点。围绕原点旋转180°可
以得到同样的结果。(见图7).
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图7. 180°度旋转后的结果
当然，表面上看新的点好像是一个不同的阻抗，实际上Z 和1/Z 表示的是同一个元件。(在史密斯圆图上，不同的值对应不同的点并具有不同的反射系数，依次类推)出现这种情况的原因是我们的图形本身是一个阻抗图，而新的点代表的是一个导纳。因此在圆图上读出的数值单位是姆欧。 尽管用这种方法就可以进行转换，但是在解决很多并联元件电路的问题时仍不适用。
导纳圆图
在前面的讨论中，我们看到阻抗圆图上的每一个点都可以通过以复平面原点为中心旋转180°后得到与之对应的导纳点。于是，将整个阻抗圆图旋转180°就得到了导纳圆图。这种方法十分方便，它使我们不用建立一个新图。所有圆周的交点(等电导圆和等电纳圆)自然出现在点(-1, 0)。使用导纳圆图，使得添加并联元件变得很容易。在数学上，导纳圆图由下面的公式构造：
解这个方程
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接下来，令方程3.3的实部和虚部相等，我们得到两个新的独立的关系：
从等式3.4，我们可以推导出下面的式子：
它也是复平面 (r, i)上圆的参数方程(x-a)2 + (y-b)2 = R 2
(方程3.12)，以(-g/g+1, 0)为圆心，半径为
1/(1+g)。
从等式3.5，我们可以推导出下面的式子：
同样得到(x-a)2 + (y-b)2 = R 2型的参数方程(方程3.17)。
求解等效阻抗
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当解决同时存在串联和并联元件的混合电路时，可以使用同一个史密斯圆图，在需要进行从z 到y 或从y 到z 的转换时将图形旋转。
考虑图8所示网络(其中的元件以Z o =50
进行了归一化)。串联电抗(x)对电感元件而言为正数，对电容元件
而言为负数。而电纳(b)对电容元件而言为正数，对电感元件而言为负数。
图8. 一个多元件电路
这个电路需要进行简化(见图9)。从最右边开始，有一个电阻和一个电感，数值都是1，我们可以在r ＝1
的圆周和I ＝1的圆周的交点处得到一个串联等效点，即点A 。下一个元件是并联元件，我们转到导纳圆图(将整个平面旋转180°)，此时需要将前面的那个点变成导纳，记为A'。现在我们将平面旋转180°，于是我们在导纳模式下加入并联元件，沿着电导圆逆时针方向(负值)移动距离0.3，得到点B 。然后又是一个串联元件。现在我们再回到阻抗圆图。
图9. 将图8网络中的元件拆开进行分析
在返回阻抗圆图之前，还必需把刚才的点转换成阻抗(此前是导纳)，变换之后得到的点记为B'，用上述方
法，将圆图旋转180°回到阻抗模式。沿着电阻圆周移动距离1.4得到点C 就增加了一个串联元件，注意是
逆时针移动(负值)。进行同样的操作可增加下一个元件(进行平面旋转变换到导纳)，沿着等电导圆顺时针方向(因为是正值)移动指定的距离(1.1)。这个点记为D 。最后，我们回到阻抗模式增加最后一个元件(串联电感)。于是我们得到所需的值，z ，位于0.2电阻圆和0.5电抗圆的交点。至此，得出z ＝0.2 + j0.5。如果系
统的特性阻抗是50
,有 Z = 10 + j25
(见图10)。
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图10. 在史密斯圆图上画出的网络元件
逐步进行阻抗匹配
史密斯圆图的另一个用处是进行阻抗匹配。这和找出一个已知网络的等效阻抗是相反的过程。此时，两端(通常是信号源和负载)阻抗是固定的，如图12所示。我们的目标是在两者之间插入一个设计好的网络已达到合适的阻抗匹配。
图11. 阻抗已知而元件未知的典型电路
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初看起来好像并不比找到等效阻抗复杂。但是问题在于有无限种元件的组合都可以使匹配网络具有类似的效果，而且还需考虑其它因素(比如滤波器的结构类型、品质因数和有限的可选元件)。
实现这一目标的方法是在史密斯圆图上不断增加串联和并联元件、直到得到我们想要的阻抗。从图形上看，就是找到一条途径来连接史密斯圆图上的点。同样，说明这种方法的最好办法是给出一个实例。
我们的目标是在60MHz 工作频率下匹配源阻抗(Z S )和负载阻抗(Z L ) (见图12)。网络结构已经确定为低通，L 型(也可以把问题看作是如何使负载转变成数值等于Z S 的阻抗，即ZS 复共轭)。下面是解的过程：
图12. 图11的网络，将其对应的点画在史密斯圆图上
要做的第一件事是将各阻抗值归一化。如果没有给出特性阻抗，选择一个与负载/信号源的数值在同一量级
的阻抗值。假设 Z o 为50
。于是 z S = 0.5 -j0.3, z*S = 0.5 + j0.3, Z L = 2 -j0.5。
下一步，在图上标出这两个点，A 代表z L ，D 代表Z*S
然后判别与负载连接的第一个元件(并联电容)，先把zL 转化为导纳，得到点A'。
确定连接电容C 后下一个点出现在圆弧上的位置。由于不知道C 的值，所以我们不知道具体的位置，然而我们确实知道移动的方向。并联的电容应该在导纳圆图上沿顺时针方向移动、直到找到对应的数值，得到点B (导纳)。下一个元件是串联元件，所以必需把B 转换到阻抗平面上去，得到B'。B'必需和D 位于同一个电
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阻圆上。从图形上看，从A'到D 只有一条路径，但是如果要经过中间的B 点(也就是B')，就需要经过多次的尝试和检验。在找到点B 和B'后，我们就能够测量A'到B 和B'到D 的弧长，前者就是C 的归一化电纳值，后者为L 的归一化电抗值。A'到B 的弧长为b = 0.78，则B = 0.78 x Y o = 0.0156姆欧。因为 C = B,所以 C = B/ = B/(2
f) = 0.0156/(2
607) = 41.4pF 。B 到D 的弧长为 x = 1.2,于是 X = 1.2 × Z o = 60
.由L = X, 得 L
= X/ = X/(2 f) = 60/(2
607) = 159nH 。
总结
在拥有功能强大的软件和高速、高性能计算机的今天，人们会怀疑在解决电路基本问题的时候是否还需要这样一种基础和初级的方法。
实际上，一个真正的工程师不仅应该拥有理论知识，更应该具有利用各种资源解决问题的能力。在程序中加入几个数字然后得出结果的确是件容易的事情，当问题的解十分复杂、并且不唯一时，让计算机作这样的工作尤其方便。然而，如果能够理解计算机的工作平台所使用的基本理论和原理，知道它们的由来，这样的工程师或设计者就能够成为更加全面和值得信赖的专家，得到的结果也更加可靠。
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输入、输出阻抗以及阻抗匹配 在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成，但不是三者简单相加。阻抗的单位是欧。在直流电中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。电阻很小的物质称作良导体，如金属等；电阻极大的物质称作绝缘体，如木头和塑料等。还有一种介于两者之间的导体叫做半导体，而超导体则是一种电阻值几近于零的物质。但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和。对于一个具体电路，阻抗不是不变的，而是随着频率变化而变化。在电阻、电感和电容串联电路中，电路的阻抗一般来说比电阻大。也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中，谐振的时候阻抗增加到最大值，这和串联电路相反。 一、输入阻抗 输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。 输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样，它反映了对电流阻碍作用的大小。输入阻抗是用来衡量放大器对信号源的影响的一个性能指标： 对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，表明放大器从信号源取的电流越小，放大器输入端得到的信号电压也越大，即信号源电压衰减的少，对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响。理论基础：Us=（Rs+Ri）×I。Rs为信号源内阻，Ri为放大器输入电阻。因此作为测量信号电压的示波器、电压表等仪器的放大电路应当具有较大的输入电阻。对于一般的放大电路来说，输入电阻当然是越大越好。如果想从信号源取得较大的电流，则应该使放大器具有较小的输入电阻 而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。因此，我们可以这样认为：如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好；如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好（注：只适合于低频电路，在高频电路中，还要
阻抗匹配基本認識 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得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。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，总是有内阻的（请参看输出阻抗一问），我们可以把一个实际电压源，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，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为：Uo=IR=U×[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为： 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) 对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则 是由我们来选择的。注意式中((R-r)2/R)，当R=r时，(R-r)2/R可 取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率 Pmax=U2/(4×r)。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可 获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。 对于纯电阻电路，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，结论有所改变，就是需 要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共厄匹配。 Z=R+jX ﹐Z=R-jX 在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，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，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。 在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，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相等（即不匹配）时，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，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，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（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。 例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上比较常见，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75Ω，所以
阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图：基本原理
在处理 RF 系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。一般情况下， 需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、 功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、 LNA/VCO 输出与混频器输入 之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。
在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。频率在数十兆赫兹 以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的 RF 测试、并进行适当调谐。 需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。
有很多种阻抗匹配的方法，包括
?
计算机仿真： 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的 格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外，除非计算机是专门为这个用途 制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。
? ? ?
手工计算： 这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。 经验： 只有在 RF 领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之，它只适合于资深的专家。 史密斯圆图：本文要重点讨论的内容。
本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识，并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹 配网络元件的数值。当然，史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的 影响以及进行稳定性分析。
图 1. 阻抗和史密斯圆图基础
基础知识
在介绍史密斯圆图的使用之前，最好回顾一下 RF 环境下(大于 100MHz) IC 连线的电磁波传播现象。这对 RS-485 传输线、PA 和天线之间 的连接、LNA 和下变频器/混频器之间的连接等应用都是有效的。
辽宁大学学报 自然科学版 第28卷 第3期 2001年 JOURNAL OF LIAONING UNIV ERSITY Natural Sciences Edition V ol.28 N o.3 2001 关于阻抗匹配问题的分析 郭继红Ξ (辽宁大学信息科学与技术学院,辽宁沈阳110036) 摘 要:就输入电路与输出电路之间的功率传输关系而言,当电路实现阻抗匹配时,电路 将获得最大的输出功率,实现理想的效果. 关键词:阻抗;纯电阻;阻抗匹配. 中图分类号:T N911 文献标识码:A 文章编号:100025846(2001)0320257203 阻抗匹配是无线电技术中常用的一种工作状态,它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系.当电路实现阻抗匹配时,将获得最大的功率传输.反之,当电路阻抗失配时,不但得不到最大的功率传输,还可能对电路产生损害. 阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测量电路之间、天线与接收机或发射机与天线之间,等等.例如,扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阻抗匹配,不匹配时,扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器.如果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗,扩音机就处于过载状态,其末级功率放大管很容易损坏.反之,如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多,会引起输出电压升高,同样不利于扩音机的工作,声音还会产生失真.因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好.又如,无线电发射机的输出阻抗与馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致.如果阻抗值不一致,发射机输出的高频能量将不能全部由天线发射出去.这部分没有发射出去的能量会反射回来,产生驻波,严重时会引起馈线的绝缘层及发射机末级功放管的损坏.为了使信号和能量有效地传输,必须使电路工作在阻抗匹配状态,即信号源或功率源的内阻等于电路的输入阻抗,电路的输出阻抗等于负载的阻抗.在一般的输入、输出电路中常含有电阻、电容和电感元件,由它们所组成的电路称为电抗电路,其中只含有电阻的电路称为纯电阻电路.下面对纯电阻电路和电抗电路的阻抗匹配问题分别进行简要的分析. 1 纯电阻电路 把一个电阻为R的用电器,接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上(如图1所示),在什么条件下电源输出的功率最大呢?这个问题运用全电路欧姆定律I=EΠ(R+ Ξ收稿日期:2001203205 作者简介:郭继红(19572),男,沈阳市人,实验师,从事高频电子线路实验和电视图像处理研究
怎样理解阻抗匹配 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。 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，总是有内阻的（请参看输出阻抗一问），我们可以把一个实际电压源，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，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R 越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为：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} 对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R]，当R=r时，[(R-r)2/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路，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，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共扼匹配。在低频电路中，我们一般不考虑传输线的
匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是"短线"，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，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，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。 在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，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相等（即不匹配）时，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，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，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（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。 例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上
关于阻抗匹配的理解 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。 我们先从直流电压源驱动一个负载入手。实际的电压源总是有内阻的，我们可以把一个实际电压源，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，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为：Uo=IR=U*[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为： P="I"*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r) =U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r] =U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r} 对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R]，当R=r时，[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U*U/(4*r)。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路，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，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共轭匹配。在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信
号源跟负载之间匹配的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R，如果我们需要输出功率最大，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，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。 在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，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（相等），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，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的朋友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（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75欧，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，这在农村使用的电视天线架上比较常见，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，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？不知道大家有没有留意到，电视机的附件中，有一个300欧到75
阻抗匹配的研究 在高速的设计中，阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。阻抗匹配的技术可以说是丰富多样，但是在具体的系统中怎样才 能比较合理的应用，需要衡量多个方面的因素。例如我们在系统中设计中，很多采用的都是源段的串连匹配。对于什么情况下需 要匹配，采用什么方式的匹配，为什么采用这种方式。 例如：差分的匹配多数采用终端的匹配；时钟采用源段匹配； 1、串联终端匹配 串联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R，使 源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射. 串联终端匹配后的信号传输具有以下特点： A 由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50％向负载端传播； B 信号在负载端的反射系数接近＋1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50％。 C 反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同； D 负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收；？ E 反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。 相对并联匹配来说，串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动能力。 选择串联终端匹配电阻值的原则很简单，就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。理想的信 号驱动器的输出阻抗为零，实际的驱动器总是有比较小的输出阻抗，而且在信号的电平发生变化时，输出阻抗可能不同。比如电 源电压为＋4.5V的CMOS驱动器，在低电平时典型的输出阻抗为37?，在高电平时典型的输出阻抗为45?[4]；TTL驱动器和CMOS驱动 一样，其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。因此，对TTL或CMOS电路来说，不可能有十分正确的匹配电阻，只能折中考
说明：信号源输出阻抗一般都为50ohm ，信号源面板显示的输出信号幅度，频率是图2处信号的幅度，频率。 （1）若负载输入阻抗为50ohm ，则信号源输出与负载输入匹配，则负载获得的信号幅度，频率与2处的电压幅度理论上一致。 （2）若负载输入阻抗为1Mohm ，则信号源输出与负载输入不匹配，则负载获得的信号幅度，频率与1处的电压幅度理论上一致。 ◆ 纯电阻电路：低频和高频都存在；（匹配） 1、 负载电阻R 电压：1 1l i i R U U U r R r R = =++；负载电阻越大，则负载获得的电压越高。 2、 负载R 电流：i l U i R r = +；负载越小，则负载获得的电流越小。 3、 负载获得的功率：2 22222//24l i l i i U U R r P i R U R U R r R R r R r ????====++≤ ? ?+???? ；当且 仅当R=r 时；负载功率最大。 ◆ 存在容性和感性阻抗时，（共轭匹配） 共轭匹配：当交流电路中含有容性或感性阻抗时，若信号源与负载阻抗的实部相等，虚 部互为相反数，此时负载获得最大功率。 源电抗：r r Z r jX =+
负载电抗：R R Z R jX =+ 负载功率： ()() ()()()()22 22 22222 142R r R r R r R r U R U U U P r R r X X R r X X r X X R r X X R R R R = ==≤??+++??+++++++++ ????? 当且仅当R r R r X X =??=-?时，负载获得最大功率。 结论： 1、需要大的电流输出，则选择小的负载R ； 2、需要大的电压输出，则选择大的负载R ； 3、需要输出最大功率，则选择与信号源内阻匹配的电阻R 。（功率传递！） 低频时，信号的波长相对与传输线来说很长，传输线可以看成短线，反射可以不考虑。 高频时，f c λ=；信号频率很高时，信号的波长就很短，当波长和传输线的长度可以比拟时，反射信号叠加在原来信号上将会改变原信号的形状。例：传输线的特性阻抗跟负载阻抗不匹配时，在负载端就产生反射，能量传输不过去，降低效率，功率发射不出去，甚至会顺坏发射设备。 当信号源和传输线、负载的阻抗相互匹配时候，有更多的能量从信号源中发射出来！！！ 问题：、25kHz~80kHz 用示波器50ohm 输入阻抗实测，为何信号源输出和示波器显示信号的幅度不一致？（据说这种射频源有些频段幅度不准,建议下次问问罗德斯瓦茨做源的代理）
一.阻抗匹配的研究 在高速的设计中，阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。阻抗匹配的技术可以说是丰富多样，但是在具体的系统中怎样才能比较合理的应用，需要衡量多个方面的因素。例如我们在系统中设计中，很多采用的都是源段的串连匹配。对于什么情况下需要匹配，采用什么方式的匹配，为什么采用这种方式。 例如：差分的匹配多数采用终端的匹配；时钟采用源段匹配； 1、串联终端匹配 串联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射. 串联终端匹配后的信号传输具有以下特点： A 由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50％向负载端传播； B 信号在负载端的反射系数接近＋1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50％。 C 反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同； D 负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收；？ E 反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。 相对并联匹配来说，串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动能力。 选择串联终端匹配电阻值的原则很简单，就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。理想的信号驱动器的输出阻抗为零，实际的驱动器总是有比较小的输出阻抗，而且在信号的电平发生变化时，输出阻抗可能不同。比如电源电压为＋4.5V的CMOS驱动器，在低电平时典型的输出阻抗为37Ω，在高电平时典型的输出阻抗为45Ω[4]；TTL驱动器和CMOS驱动一样，其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。因此，对TTL或CMOS电路来说，不可能有十分正确的匹配电阻，只能折中考虑。 链状拓扑结构的信号网路不适合使用串联终端匹配，所有的负载必须接到传输线的末端。否则，接到传输线中间的负载接受到的波形就会象图3.2.5中C点的电压波形一样。可以看出，有一段时间负载端信号幅度为原始信号幅度的一半。显然这时候信号处在不定逻辑状态，信号的噪声容限很低。 串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗小，不会给驱动器带来额外的直流负载，也不会在信号和地之间引入额外的阻抗；而且只需要一个电阻元件。 2、并联终端匹配 并联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的。实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。 并联终端匹配后的信号传输具有以下特点： A 驱动信号近似以满幅度沿传输线传播； B 所有的反射都被匹配电阻吸收； C 负载端接受到的信号幅度与源端发送的信号幅度近似相同。 在实际的电路系统中，芯片的输入阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载端的并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。假定传输线的特征阻抗为50Ω，则R值为50Ω。如果信号的高电平为5V，则信号的静态电流将达到100mA。由于典型的TTL或CMOS电路的驱动能力很小，这种单电阻的并联匹配方式很少出现在这些电路中。
阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图: 基本原理 本文利用史密斯圆图作为RF 阻抗匹配的设计指南。文中给出了反射系数、阻抗和导 纳的作图范例，并用作图法设计了一个频率为60MHz 的匹配网络。 实践证明：史密斯圆图仍然是计算传输线阻抗的基本工具。 在处理RF 系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大 器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO 输出与混频器输入之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。 在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预 知的影响。频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF 测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。 有很多种阻抗匹配的方法，包括: ? 计算机仿真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。 ? 手工计算: 这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。 ? 经验: 只有在RF 领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之，它只适合于资深的专家。 ? 史密斯圆图: 本文要重点讨论的内容。 本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识，并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹配网络元件的数值。当然，史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。 w w w . p c b t e c h .n e t
什么是典型的电缆阻抗？ 同轴电缆使用的最典型阻抗值为50欧姆和75欧姆。50欧姆同轴电缆大概是使用中最常见的，一般使用在无线电发射接收器，实验室设备，以太等环境下。 另一种常用的电缆类型是75欧姆的同轴电缆，一般用在视频传输，有限电视网络，天线馈线，长途电讯应用等场合。 电报和电话使用的裸露平行导线也是典型的阻抗为600欧姆。一对线径标准22的双绞线，使用合适的绝缘体，因为机械加工的限制，平均阻抗大约在120欧姆左右，这是另一种具有自己特有特性阻抗的传输线。 某些天线系统中使用300欧姆的双引线，以匹配折合半波阵子在自由空间阻抗。（但当折合阵子处于八木天线中的时候，阻抗通常会下降很多，一般在100-200欧姆左右） （注：加反射板也会改变阵子的阻抗值，一般会降低，而且反射板越近则阻抗降低越多。） 为什么是50欧姆的同轴电缆？ 在美国，用作射频功率传输的标准同轴电缆的阻抗几乎无一例外地都是50欧姆。为什么选用这个数值，在伯德电子公司出示的一篇论文中有解释。 不的的参数都对应一个最佳的阻抗值。内外导体直径比为 1.65时导线有最大功率传输能力，对应阻抗为30欧姆（注：lg1.65*138 =30欧姆，要使用空气为绝缘介质，因为这个时候介电常数最小，
如果使用介电常数为2.3的固体聚乙烯，则阻抗只有不到20欧姆）。最合适电压渗透的直径比为2.7，对应阻抗大约是60欧姆。（顺带一提，这个是很多欧洲国家使用的标准阻抗） 当发生击穿时，对功率传输能力的考量是忽略了渗透电流的，而在阻抗很低，30欧姆时，渗透电流会很高。衰减只源自导体的损失，此时的衰减大约比最小衰减阻抗（直径比3.5911）77欧姆的时候上升了50%，而在这个比率下（D/d=3.5911），最大功率的上限为3 0欧姆电缆最大功率的一半。 以前，很少使用微波功率，电缆也无法应付大容量传输。因此减少衰减是最重要的因素，导致了选择77（75欧姆）为标准。同时也确立了硬件的规格。当低耗的绝缘材料在实际中应用到柔性电缆上，电缆的尺寸规格必须保持不变，才能和现存的设备接口吻合。 聚乙烯的介电常数为2.3，以空气（介电常数为1）为绝缘层的导线的阻抗为77欧姆，如果以聚乙烯来填充绝缘空间的话，阻抗将减少为51欧姆。虽然精确的标准是50欧姆，51欧姆的电缆在今天仍然在使用。 在77欧姆点的衰减最小，60欧姆点的击穿电压为最大，而30欧姆点的功率输送量是最大的。（注：洋人的思维也如此混乱，这些性能指标明明不是由阻抗决定的。前面说过，这些由D/d比决定的。闲扯这些只让人产生误解） 另外一个可以导致50欧姆同轴电缆的事情，如果您使用一个合适直径的中心导体，并将绝缘体注入中心倒替周围，再在外围装上屏
我来大概概括一下ADC输入阻抗的问题： 1:SAR型ADC这种ADC内阻都很大，一般500K以上。即使阻抗小的ADC，阻抗也是固定的。所以即使只要被测源内阻稳定，只是相当于电阻分压，可以被校正。 2:开关电容型，如TLC2543之类。他要求很低的输入阻抗用于对内部采样电容快速充电。这时最好有低阻源，否则会引起误差。实在不行，可以外部并联一很大的电容，每次被取样后，大电容的电压下降不多。因此并联外部大电容后，开关电容输入可以等效为一个纯阻性阻抗，可以被校正。 3：FLASH.html">FLASH型（直接比较型）。大多高速ADC都是直接比较型，也称闪速型（FLASH），一般都是低阻抗的。要求低阻源。对外表现纯阻性，可以和运放直接连接 4：双积分型大多输入阻抗极高，几乎不用考虑阻抗问题 5：Sigma-Delta型。这是目前精度最高的ADC类型，也是最难伺候的一种ADC。重点讲一下要注意的问题： a.内部缓冲器的使用。SigmaDelta型ADC属于开关电容型输入，必须有低阻源。所以为了简化外部设计，内部大多集成有缓冲器。缓冲器打开，则对外呈现高阻，使用方便。但要注意了，缓冲器实际是个运放。那么必然有上下轨的限制。大多数缓冲器都是下轨50mV，上轨AVCC-1.5V。在这种应用中，共莫输入范围大大的缩小，而且不能到测0V。一定要特别小心！一般用在电桥测量中，因为共模范围都在1/2VCC附近。不必过分担心缓冲器的零票，通过内部校零寄存器
很容易校正的。 b.输入阻抗问题。SigmaDelta型ADC属于开关电容型输入，在低阻源上工作良好。但有时候为了抑制共模或抑制乃奎斯特频率外的信号，需要在输入端加RC滤波器，一般DATASHEET上会给一张最大允许输入阻抗和C和Gain的关系表。这时很奇怪的一个特性是，C越大，则最大输入阻抗必须随之减小！刚开始可能很多人不解，其实只要想一下电容充电特性久很容易明白的。还有一个折衷的办法是，把C取很大，远大于几百万倍的采样电容Cs(一般4~20PF),则输入等效纯电阻，分压误差可以用GainOffset寄存器校正。 c.运放千万不能和SigmaDelta型ADC直连！前面说过，开关电容输入电路电路周期用采样电容从输入端采样，每次和运放并联的时候，会呈现低阻，和运放输出阻抗分压，造成电压下降，负反馈立刻开始校正，但运放压摆率(SlewRate)有限，不能立刻响应。于是造成瞬间电压跌落，取样接近完毕时，相当于高阻，运放输出电压上升，但压摆率使运放来不及校正，结果是过冲。而这时正是最关键的采样结束时刻。 所以，运放和SD型ADC连接，必须通过一个电阻和电容连接（接成低通）。而RC的关系又必须服从5.c里面所述规则。 d.差分输入和双极性的问题。SD型ADC都可以差分输入，都支持双极性输入。但这里的双极性并不是指可以测负压，而是Vi+Vi-两脚之间的电压。假设Vi-接AGND，那么负压测量范围不会超过-0.3V。正确的接法是Vi+Vi-共模都在-0.3~VCC之间差分输入。一个典型的
传输线阻抗匹配方法 匹配阻抗的端接有多种方式，包括并联终端匹配、串联终端匹配、戴维南终端匹配、AC终端匹配、肖特基二极管终端匹配。 1.并联终端匹配 并联终端匹配是最简单的终端匹配技术，通过一个电阻R将传输线的末端接到地或者接到V CC上。电阻R的值必须同传输线的特征阻抗Z0匹配，以消除信号的反射。终端匹配到V CC可以提高驱动器的源的驱动能力，而终端匹配到地则可以提高电流的吸收能力。 并联终端匹配技术突出的优点就是这种类型终端匹配技术的设计和应用简便易行，在这种终端匹配技术中仅需要一个额外的元器件；这种技术的缺点在于终端匹配电阻会带来直流功率消耗。另外并联终端匹配技术也会使信号的逻辑高输出电平的情况退化。将TTL输出终端匹配到地会降低V OH的电平值，从而降低了接收器输入端对噪声的免疫能力。 对长走线进行并联终端匹配后仿真，波形如下： 2.串联终端匹配 串联终端匹配技术是在驱动器输出端和信号线之间串联一个电阻，是一种源
端的终端匹配技术。驱动器输出阻抗R0以及电阻R值的和必须同信号线的特征阻抗Z0匹配。对于这种类型的终端匹配技术，由于信号会在传输线、串联匹配电阻以及驱动器的阻抗之间实现信号电压的分配，因而加在信号线上的电压实际只有一半的信号电压。 而在接收端，由于信号线阻抗和接收器阻抗的不匹配，通常情况下，接收器的输入阻抗更高，因而会导致大约同样幅度值信号的反射，称之为附加的信号波形。因而接收器会马上看到全部的信号电压（附加信号和反射信号之和），而附加的信号电压会向驱动端传递。然而不会出现进一步的信号反射，这是因为串联的匹配电阻在接收器端实现了反射信号的终端匹配。 串联终端匹配技术的优点是这种匹配技术仅仅为系统中的每一个驱动器增加一个电阻元件，而且相对于其它的电阻类型终端匹配技术来说，串联终端匹配技术中匹配电阻的功耗是最小的，而且串联终端匹配技术不会给驱动器增加任何额外的直流负载，也不会在信号线与地之间引入额外的阻抗。 由于许多的驱动器都是非线性的驱动器，驱动器的输出阻抗随着器件逻辑状态的变化而变化，从而导致串联匹配电阻的合理选择更加复杂。所以，很难应用某一个简单的设计公式为串联匹配电阻来选择一个最合适的值。 对长走线进行串联终端匹配后仿真，波形如下： 3.戴维南终端匹配
PCB阻抗设计及计算简介
特性阻抗的定义 ?何谓特性阻抗（Characteristic Impedance，Z0） ?电子设备传输信号线中，其高频信号在传输线中传播时所遇到的阻力称之为特性阻抗;包括阻抗、容抗、感抗等，已不再只是简单直流电的“欧姆电阻”。 ?阻抗在显示电子电路，元件和元件材料的特色上是最重要的参数.阻抗(Z)一般定义为：一装置或电路在提供某特定频率的交流电(AC)时所遭遇的总阻力. ?简单的说，在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。
设计阻抗的目的 ?随着信号传送速度迅猛的提高和高频电路的广泛应用，对印刷电路板也提出了更高的要求。印刷电路板提供的电路 性能必须能够使信号在传输过程中不发生反射现象，信号 保持完整，降低传输损耗，起到匹配阻抗的作用，这样才 能得到完整、可靠、精确、无干扰、噪音的传输信号。?阻抗匹配在高频设计中是很重要的，阻抗匹配与否关系到信号的质量优劣。而阻抗匹配的目的主要在于传输线上所有 高频的微波信号皆能到达负载点，不会有信号反射回源点。
设计阻抗的目的 ?因此，在有高频信号传输的PCB板中，特性阻抗的控制是尤为重要的。 ?当选定板材类型和完成高频线路或高速数字线路的PCB 设计之后，则特性阻抗值已确定，但是真正要做到预计的特性阻抗或实际控制在预计的特性阻抗值的范围内，只有通过PCB生产加工过程的管理与控制才能达到。
PCB的制造中影响阻抗的因素 ?从PCB制造的角度来讲，影响阻抗和关键因素主要有： –线宽（w） –线距（s）、 –线厚（t）、 –介质厚度（h） –介质常数（Dk） εr相对电容率(原俗称Dk介质常数)，白容生对此有研究和专门诠释。 注：其实阻焊也对阻抗有影响，只是由于阻焊层贴在介质上，导致介电常数增大，将此归于介电常数的影响，阻抗值会相应减 少4%
谈谈嵌入式系统PCB设计中的阻抗匹配与0欧电阻 1、阻抗匹配 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。根据接入方式阻抗匹配有串行和并行两种方式；根据信号源频率阻抗匹配可分为低频和高频两种。 （1）高频信号一般使用串行阻抗匹配。串行电阻的阻值为20~75Ω，阻值大小与信号频率成正比，与PCB走线宽度和长度成反比。在嵌入式系统中，一般频率大于20M的信号PCB走线长度大于5cm时都要加串行匹配电阻，例如系统中的时钟信号、数据和地址总线信号等。串行匹配电阻的作用有两个： ◆减少高频噪声以及边沿过冲。如果一个信号的边沿非常陡峭，则含有大量的高频成分，将会辐射干扰，另外，也容易产生过冲。串联电阻与信号线的分布电容以及负载输入电容等形成一个RC电路，这样就会降低信号边沿的陡峭程度。 ◆减少高频反射以及自激振荡。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，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相等（即不匹配）时，在负载端就会产生反射，造成自激振荡。PCB板内走线的低频信号直接连通即可，一般不需要加串行匹配电阻。 （2）并行阻抗匹配又叫“终端阻抗匹配”，一般用在输入/输出接口端，主要指与传输电缆的阻抗匹配。例如，LVDS与RS422/485使用5类双绞线的输入端匹配电阻为100~120Ω；视频信号使用同轴电缆的匹配电阻为75Ω或50Ω、使用篇平电缆为300Ω。并行匹配电阻的阻值与传输电缆的介质有关，与长度无关，其主要作用也是防止信号反射、减少自激振荡。值得一提的是，阻抗匹配可以提高系统的EMI性能。此外，解决阻抗匹配除了使用串/并联电阻外，还可使用变压器来做阻抗变换，典型的例子如以太网接口、CAN总线等。 2、0欧电阻的作用 （1）最简单的是做跳线用，如果某段线路不用，直接不焊接该电阻即可（不影响外观）。 （2）在匹配电路参数不确定的时候，以0欧姆代替，实际调试的时候，确定参数，再以具体数值的元件代替。 （3）想测某部分电路的工作电流时，可以去掉0欧电阻，接上电流表，这样方便测量电流。 （4）在布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻起跨接作用。（5）在高频信号网络中，充当电感或电容（起阻抗匹配作用，0欧电阻也有阻抗！）。充当电感用时，主要是解决EMC问题。 （6）单点接地，例如模拟地与数字地的单点对接共地。 （7）配置电路，可以取代跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置，易引起误会，为了减少维护费用，应用0欧电阻代替跳线等焊在板子上。 （8）系统调试用，例如将系统分成几个模块，模块间的电源与地用0欧电阻分开，调试阶段发现电源或地短路时，去掉0欧电阻可缩小查找范围。 上述功能也可使用“磁珠”替代。0欧电阻与磁珠虽然功能上有点类似，但存在本质差别，前者呈阻抗特性，后者呈感抗特性。磁珠一般用在电源与地网络中，有滤波作用。
RFID天线阻抗自动匹配技术 射频设别( Radio Frequency Identification，RFID)技术是从20世纪90年代兴起并逐步走向成熟的一项自动识别技术，通过射频耦合方式进行非接触双向通信，达到目标识别和数据交换的目的。 RFID读写器在移动过程中，天线感应系数和阻抗的易变性造成读写器传输功率不必要的损耗和识别能力的下降。对于读写器天线阻抗的匹配，国外一些大公司的研究已经转向自动匹配方面，并有了比较成功的案例，而国内应用研究主要还集中于手动匹配方面。随着集成技术的发展，天线与读写器模块将向集成化发展，对于天线阻抗的匹配也将提出新的要求，而手动匹配是个耗时长且复杂的过程。 因此，天线阻抗的自动匹配技术也将成为一种发展趋势。本文论证了天线阻抗的手动匹配方法，并在最大化应用集成元件的情况下，提出了一种新的适用于13. 56 MHz RFID读写器的天线阻抗自动匹配方法。 1 阻抗手动匹配技术 RFID系统使用外接天线与电子标签进行无线通信。天线夹具形状和尺寸的易变性使天线的输入阻抗易随外部环境的变化还发生微弱变化，导致传输功率的无用损耗。国际上RFID 读写器天线标准阻抗一般都为50Ω，本文设定阻抗匹配目标为(50 + j0)Ω。天线电路，一般包含3个部分: (1)电磁兼容( EMC)滤波(L0 ， C0 )电路；(2)包含可调谐电容C1、C2 的匹配电路；(3)天线。 EMC滤波电路滤去了载波频率为 13. 56 MHz阻抗变换时的谐波干扰。它有一个固定的谐振频率，这个频率是实际数据传输率和最高副载波频率的结合。如用曼切斯特编码时，传输的最高数据率为424 kbit/ s，频率为848 kHz，则谐振频率为14. 408MHz。 图1 天线电路框图 在载波频率为13. 56 MHz时，通过在TX1 和TX2 两点测量天线线路的反射系数(即参数S11 )来手动调谐，直到天线电路的输入阻抗达到目标，计算方程如下： ，又有ZL = 50W，可以看出，要使(S11 ) = 50Ω， S11必须为0。 手动调谐即是交替不断调整电容C1、C2 的值，同时观察曲线变化，直到在所要求的频率点S11等于0。图2为某一天线电路在频率在10～20MHz之间变化时，其反射系数的变化曲线，其中，标记13. 56MHz的点， S11值近似为0，达到了匹配要求。 图2 经过手动匹配的天线smit图 2 阻抗自动匹配技术 本文提出了一种自动匹配技术，其电路，主要包含测量电路，匹配电路和控制电路。因为手工匹配方法耗时长，且需要良好的意识和丰富的经验来选择合适的电容，另外必须配备一些昂贵的设备，如网络分析仪或阻抗分析仪等。对于一些小公司来说，是不现实的。同时，一些手持式RF设备的发展使得手动匹配越来越不适应。对于这些移动设备，最理想的天线电路应该仅仅包含集成模块，且随着阻抗变化可以自动匹配。 图3 自动调谐匹配电路图 2. 1 测试电路 手工匹配采用的是阻抗分析仪或者网络分析仪，网络分析仪是用定向耦合器来测量天线
输入阻抗、输出阻抗、阻抗匹配分析 输入阻抗 四端网络、传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗,才能进行阻抗匹配,从信号源、传感器等获取输入信号。阻抗是电路或设备对交流电流的阻力,输入阻抗是在入口处测得的阻抗。高输入阻抗能够减小电路连接时信号的变化,因而也是最理想的。在给定电压下最小的阻抗就是最小输入阻抗。作为输入电流的替代或补充,它确定输入功率要求。 天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比。其值表征了天线与发射机或接收机的匹配状况,体现了辐射波与导行波之间能量转换的好坏。 输出阻抗 阻抗是电路或设备对交流电流的阻力,输出阻抗是在出口处测得的阻抗。阻抗越小,驱动更大负载的能力就越高。 输入阻抗和输出阻抗在很多地方都用到,非常重要。 首先,输入阻抗和输出阻抗是相对的,我们先要明白阻抗的意思。 阻抗,简单的说就是阻碍作用,甚至可以说就是电阻,即一种另一层意思上的等效电阻。 引入输入阻抗和输出阻抗这两个词,最大的目的是在设计电路中,要提高效率,即要达到阻抗匹配,达到最佳效果。 有了输入输出阻抗这两个词,还可以方便两个电路独立的分开来设计。当A电路中输入阻抗和B电路的输出阻抗相同(或者在一定范围时,两个电路就可不作任何更改,直接组合成一个更复杂的电路(或者系统。
由上也可以得出:输入阻抗和输出阻抗实际上就是等效电阻,单位自然就是欧姆了。 一、输入阻抗 输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的阻值,就是输入阻抗。 输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样,它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对 信号源有影响;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。因此,我们可以这样认为:如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(注:只适合于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题。另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑阻抗匹配问题 二、输出阻抗 无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来,对于一个理想的电压源(包括电源,内阻应该为0,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。输出阻抗在电路设计最特别需要注意 但现实中的电压源,则不能做到这一点。我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r,就是(信号源/放大器输出/电源的内阻了。当这个电压源给负载供电时,就会有电流I从这个负载上流过,并在这个电阻上产生I×r的电压降。这将导致电源输出电压的下降,从而限制了最大输出功率(关于为什么会限制最大输出功率,请看后面的“阻抗匹配”一问。同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际的电路是不可能的 三、阻抗匹配