在电路设计中，我们经常会遇到与阻抗相关的问题，那么阻抗到底是什么呢？
在由电阻、电感和电容组成的电路中，电路中对电流的阻力称为阻抗。常用z作为表达式，其值由交流频率、电阻R、电感L和电容c的相互作用决定。
可以看出，特定电路的阻抗随时都在变化，而且会随着电流频率的变化而变化。
一个
输入阻抗
输入阻抗是指电路输入端的等效阻抗。在输入端加一个电压源U，测量输入端的电流I，那么输入阻抗Rin就是U/I，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。
输入阻抗与普通的电抗元件没有什么不同，它反映了对电流的阻碍程度。
对于电压驱动电路，输入阻抗越大，电压源上的负载越轻，因此更容易驱动，不会影响信号源。
对于电流驱动电路，输入阻抗越小，电流源的负载越轻。
因此，我们可以这样想：
如果是电压源驱动，输入阻抗越大越好；
如果用电流源驱动，阻抗越小越好(注：只适用于低频电路，高频电路要考虑阻抗匹配)。此外，如果要获得最大输出功率，还应该考虑阻抗匹配。
2
出端阻抗
无论信号源、放大器还是电源，都存在输出阻抗的问题。输出阻抗是信号源的内阻。本来对于一个理想的电压源(包括电源)，内阻应该是0，或者说理想电流源的阻抗应该是无穷大。但现实中的电压源可以不要这样做。
我们经常用一个理想的电压源和一个电阻R串联来等效一个实际的电压源。与理想电压源串联的电阻R为(信号源/放大器输出/电源)的内阻。当该电压源向负载供电时，电流I将流过负载，该电阻上将产生Ir的压降。
这将导致电源的输出电压下降，从而限制最大输出功率(请参考问题阻抗匹配后来因为限制最大输出功率的原因)。同样，理想电流源的输出阻抗应该是无穷大，但实际电路是不可能的。
三
感应淬火
阻抗匹配是指信号源或传输线与负载之间合适的匹配方法。阻抗匹配分为低频和高频两种情况。让让我们从一个DC电压源驱动一个负载开始。
因为实际的电压源总是有内阻，所以我们可以把实际的电压源等同于一个与电阻r串联的理想电压源模型。
假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为R，那么我们可以计算流经电阻R的电流如下：
I=U/(R r)
可以看出，负载电阻R越小，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，输出电压Uo越高。
让通过下式计算电阻R的功耗：
对于给定的信号源，其内阻R是固定的，而负载电阻R是我们选择的。注意公式中的[(r-r) 2/r]，当R=r时，[(r-r) 2/r]可以得到最小值0，然后在负载电阻R上可以得到最大输出功率Pmax=U2/(4r)。
即当负载电阻等于信号源内阻时，负载可以获得最大的输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。这个结论同样适用于低频电路和高频电路。
当交流电路含有容性或感性阻抗时，结论改变，即信号源与负载阻抗的实部应相等，虚部应相反，称为共轭匹配。
在低频电路中，我们一般不不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源和负载之间的情况。因为低频信号的波长与传输线相比很长，所以传输线可以被视为短线，并且反射可以忽略(可以理解为，即使线路被反射回来，仍然和原始信号一样)。
从以上分析，我们可以得出一个结论：
如果我们需要大的输出电流，选择小的负载R；
如果我们需要大的输出电压，选择大的负载R；
如果我们需要最大输出功率，选择与信号源内阻匹配的电阻R。
有时候阻抗不匹配还有另一层意思。例如，一些仪器输出是在特定负载条件下设计的。如果负载条件发生变化，可能无法达到最初的性能。这时候我们也会称之为阻抗不匹配。
在高频电路中，还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，信号的波长很短。当波长与传输线的长度相当时，叠加在原始信号上的反射信号将改变原始信号的形状。如果传输线的特性阻抗不等于负载阻抗(即不匹配)，则在负载端会发生反射。
阻抗失配时为什么会产生反射以及特性阻抗的求解方法涉及到二阶偏微分方程的求解。我们赢了这里不赘述。有兴趣的话可以参考电磁场和微波方面的书籍中的传输线理论。传输线的特性阻抗(也称特性阻抗)是由传输线的结构和材料决定的，与传输线的长度、信号的幅度和频率等无关。
实践中如何解决这个问题？我不不知道大家有没有注意到，电视机的配件里面有一个300到75的阻抗转换器(一个塑料包装，一端有一个圆插头，大概两个拇指大小)。它其实就是一个传输线变压器，把300的阻抗转换成75，这样就可以匹配了。
这里需要强调的是，特性阻抗与我们通常理解的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关，它可以不能用欧姆表测量。影响特性电阻的因素有很多，比如倒置的材料，导线与地板的距离等。
为了避免反射，负载阻抗应该等于传输线的特性阻抗，也就是传输线的阻抗匹配。阻抗不匹配会有什么不良后果？
如果没有匹配，就会形成反射，能量可以被传输，会降低效率；输电线路上会形成驻波(简单理解就是信号有的地方强，有的地方弱)，导致输电线路有效功率容量降低；权力可以发射，甚至发射设备也会损坏。如果电路板上的高速信号线不负载阻抗不匹配，会造成冲击和辐射干扰。
当阻抗不匹配时，有哪些方法可以使其匹配？
首先，考虑使用变压器进行阻抗转换，就像上面提到的电视机中的例子一样。
其次，可以考虑使用串/并联电容或电感，在调试射频电路时经常用到。
第三，可以考虑使用串/并联电阻。
有些驱动器的阻抗很低，可以串联一个合适的电阻来匹配传输线，比如高速信号线，有时可以串联几十欧姆的电阻。但有些接收机输入阻抗较高，可以通过并联电阻与传输线匹配。例如，485总线接收器通常在数据线终端并联120欧姆匹配电阻。(起始端串联匹配，终端并联匹配)
帮你理解阻抗不匹配时的反射问题，比如：假设你在练拳击——，打一个沙袋。如果是一个重量和硬度合适的沙袋，玩起来会觉得很舒服。但是，如果有一天我在沙袋上做手脚，比如里面换成了铁砂，你还是用之前的力打，你的手可能就受不了3354了。过载就是这种情况，会产生很大的反弹力。相反，如果我把里面换成很轻的东西，你出拳的话，你可能会把自己扔到空中，你的手可能会受不了3354。这是负载过轻的情况。
四
阻抗匹配原理
阻抗匹配的基本原理：
1、纯电阻电路
中学物理和电学中讲了一个问题：一个电阻为R的电器接在电动势为E内阻为R的电池组上，什么条件下电源的功率输出最大？
当外电阻等于内阻时，电源输出给外电路的功率最大，这就是纯电阻电路的功率匹配。如果换成交流电路，还必须满足R=r的条件才能匹配电路。
2、电抗电路
电抗电路比纯电阻电路复杂，电路中除电阻外，还有电容和电感。元件，并工作在低频或高频交流电路中。在交流电路中，电阻、电容和电感阻碍交流电源，称为阻抗，用字母z表示。
其中，电容和电感对交流电的阻断作用分别称为容抗和感抗。电容和电感的值不仅与电容和电感的大小有关，还与工作交流电的频率有关。
值得注意的是，在电抗电路中，电阻R、电感、电容的值不能用简单的算术相加，通常用阻抗三角形法计算(见图2)。
因此，电抗电路的匹配比纯电阻电路的匹配更复杂。除了要求输入输出电路中电阻分量相等外，还要求电抗分量大小相等，符号相反(共轭匹配)。或者电阻分量和电抗分量相等(无反射匹配)。
这里的电抗X指的是感抗XL和容抗XC之差(仅指串联电路，如果用并联电路计算就比较复杂)。满足以上条件称为阻抗匹配，负载能获得最大功率。
阻抗匹配的关键是前级的输出阻抗等于后级的输入阻抗。输入阻抗和输出阻抗广泛存在于各级电子电路、各种测量仪器和各种电子元件中。那么什么是输入阻抗和输出阻抗呢？
输入阻抗是指电路对信号源的阻抗。如图3所示，当去掉信号源E和内阻R时，放大器的输入阻抗是从AB两端看到的等效阻抗。值为z=ui/i1，即输入电压与输入电流之比。就信号源而言，放大器就成了它的负载。从数值上看，放大器的等效负载值就是输入阻抗值。对于不同的电路，输入阻抗值的幅度是不同的。
例如，万用表中电压块的输入阻抗(称为电压灵敏度)越高，被测电路的分流就越小，测量误差也就越小。电流模块的输入阻抗越低，被测电路的分压就越小，因此测量误差就越小。
对于功率放大器来说，当信号源的输出阻抗等于放大电路的输入阻抗时，称为阻抗匹配，这时放大电路在输出端可以获得最大功率。输出阻抗是指电路对负载的阻抗。
如图4所示，当电路输入端的电源短路，输出端的负载去掉后，从输出端CD看到的等效阻抗称为输出阻抗。如果负载阻抗不等于输出阻抗，这被称为阻抗不匹配，负载可以我得不到最大的功率输出。输出电压的比率
例如，输出变压器通常连接在晶体管放大器和扬声器之间。放大器的输出阻抗与变压器的初级阻抗匹配，变压器的次级阻抗与扬声器的阻抗匹配。变压器通过初级绕组的匝数比来改变阻抗比。
在实际的电子电路中，信号源与放大电路之间或放大电路与负载之间的阻抗是不相等的，所以它们不能直接连接。解决方案是在它们之间添加一个匹配电路或网络。
最后，需要注意的是，阻抗匹配只适用于电子电路。因为电子电路本身传输的信号功率很弱，所以需要匹配来提高输出功率。但在电气电路中，一般不考虑匹配，否则输出电流会过大，损坏电器。
应始终考虑阻抗匹配。
在常见的宽带放大器中，由于输出阻抗为50 ，所以需要考虑功率传输电路中的阻抗匹配。然而，实际上，当电缆的长度对于信号的波长来说可以忽略不计时，就不需要阻抗匹配了。
考虑信号频率为1MHz，其波长在空气中为300m，在同轴电缆中约为200m。在常用的长约1m的同轴电缆中，完全可以忽略不计。
如果有阻抗，那么阻抗上会发生功耗，那么放大器的输出功率在没有阻抗匹配的情况下会被浪费掉。
对于纯电阻电路，这个结论同样适用于低频电路和高频电路。当交流电路含有容性或感性阻抗时，结论改变，即信号源与负载阻抗的实部应相等，虚部应相反，称为共轭匹配。低频电路和高频电路的比较如下。
(1)在低频电路中，我们一般不不考虑传输线的匹配，只考虑信号源和负载之间的情况。因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，所以传输线可以被视为短线，反射可以忽略(可以理解为，因为线路短，所以即使反射回来，也还是和原来的信号一样)。
从以上分析可以得出结论：如果需要大的输出电流，应选择小负载R；如果我们需要大的输出电压，选择大的负载R；如果我们需要最大输出功率，选择与信号源内阻匹配的电阻R。
注：有时阻抗不匹配有另一种含义。例如，一些仪器输出是在特定负载条件下设计的。如果负载条件发生变化，可能无法达到最初的性能。这时候我们也会称之为阻抗不匹配。
(2)在高频电路(包括高速数字电路)中，还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，信号的波长很短。当波长与传输线的长度相当时，叠加在原始信号上的反射信号将改变原始信号的形状。
如果传输线的特性阻抗与负载阻抗不相等(不匹配)，负载端就会发生反射。阻抗不匹配为什么会引起反射和特性阻抗的求解，涉及到二阶偏微分方程的求解，所以我们赢了这里不赘述。有兴趣的话可以参考电磁场和微波方面的书籍中的传输线理论。传输线的特性阻抗(又称特性阻抗)是由传输线的结构和材料决定的，与传输线的长度、信号的幅度和频率等无关。
比如闭路电视常见的同轴电缆的特性阻抗为75，而一些射频设备中常用的同轴电缆的特性阻抗为50。
另一种常见的传输线是特性阻抗为300的扁平平行线，常见于农村地区使用的电视天线支架。因为电视射频输入端的输入阻抗为75，所以用作八木天线的馈线。所以，300馈线不会与之匹配。实践中如何解决这个问题？
我不不知道大家有没有注意到，电视的配件里面有一个300到75的阻抗转换器(一个塑料包装，一端有一个圆插头，大概两个拇指大小)。它其实就是一个传输线变压器，把300的阻抗转换成75，这样就可以匹配了。
这里需要强调的是，特性阻抗和我们通常理解的电阻不是一个概念。与传输线的长度无关，也不能用欧姆表测量。为了避免反射，负载阻抗应该等于传输线的特性阻抗，也就是传输线的阻抗匹配。如果电路板上的高速信号线不负载阻抗不匹配，会造成冲击和辐射干扰。
所以了解了阻抗匹配的概念和条件以后，以后类似的问题就很容易解决了~
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标签：电路信号电阻