關(guān)于阻抗、阻抗匹配和電容的作用 收藏
1. 阻抗的概念
在具有電阻、電感和電容的電路里，對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。常用Z來(lái)表示，它的值由交流電的頻率、電阻R、電感L、電容C相互作用來(lái)決定。由此可見(jiàn)，一個(gè)具體的電路，其阻抗是隨時(shí)變化的，它會(huì )隨著(zhù)電流頻率的改變而改變。
2. 阻抗匹配的概念
阻抗匹配是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線(xiàn)上，來(lái)達到所有高頻微波信號都能傳至負載的目的，不會(huì )有信號反射回來(lái)源點(diǎn)，從而提高能源效益。如果不匹配有什么后果呢？如果不匹配，則會(huì )形成反射，能力傳遞不過(guò)去，降低效率，會(huì )在傳輸線(xiàn)上形成駐波，導致傳輸線(xiàn)的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至會(huì )損壞發(fā)射設備。如果是電路板上的高速信號線(xiàn)與負載阻抗不匹配時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。其對整個(gè)系統的影響是非常嚴重的。而在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線(xiàn)的匹配問(wèn)題,只考慮信號源跟負載之間的情況,因為低頻信號的波長(cháng)相對于傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)很長(cháng),傳輸線(xiàn)可以看成是“短線(xiàn)”,反射可以不考慮（因為線(xiàn)短,即使反射回來(lái),跟原信號還是一樣的）。
當阻抗不匹配時(shí),有哪些辦法讓它匹配呢？第一,可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉換。第二,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法,這在調試射頻電路時(shí)常使用，在一般電路設計較為少用。第三,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法，即為串聯(lián)終端匹配和并聯(lián)終端匹配。
下面針對第三種匹配方法做簡(jiǎn)單的介紹，
1）、串聯(lián)終端匹配
串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號源端阻抗低于傳輸線(xiàn)特征阻抗的條件下，在信號端和傳輸線(xiàn)之間串接一個(gè)電阻R，使源端的輸出阻抗與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相匹配，抑制從負載端反射回來(lái)的信號發(fā)生再次反射。串聯(lián)匹配不要求信號驅動(dòng)器具有很大的電流驅動(dòng)能力。
串聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點(diǎn)：
A 由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅動(dòng)信號傳播時(shí)以其幅度的50％向負載端傳播；
B 信號在負載端的反射系數接近＋1，因此反射信號的幅度接近原始信號幅度的50％。
C 反射信號與源端傳播的信號疊加，使負載端接受到的信號與原始信號的幅度近似相同；
D 負載端反射信號向源端傳播，到達源端后被匹配電阻吸收；？
E 反射信號到達源端后，源端驅動(dòng)電流降為0，直到下一次信號傳輸。
選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單，就是要求匹配電阻值與驅動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等。傳輸線(xiàn)的特性阻抗是由傳輸線(xiàn)的結構以及材料決定的,而與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度,以及信號的幅度、頻率等均無(wú)關(guān)。而特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念,它與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度無(wú)關(guān),也不能通過(guò)使用歐姆表來(lái)測量?？梢酝ㄟ^(guò)特殊的儀器來(lái)測量，例如網(wǎng)上有資料寫(xiě)到可以使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)準確測量平衡雙絞線(xiàn)傳輸線(xiàn)的特性阻抗。而在TTL和CMOS的輸出阻抗會(huì )隨電平大小的變化而變化，因此在TTL或CMOS電路中，不可能十分準確的做到阻抗完全匹配，只能折衷考慮。
串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法，它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小，不會(huì )給驅動(dòng)器帶來(lái)額外的直流負載，也不會(huì )在信號和地之間引入額外的阻抗；而且只需要一個(gè)電阻元件。
2）、并聯(lián)終端匹配
并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號源端阻抗很小的情況下，通過(guò)增加并聯(lián)電阻使負載端輸入阻抗與傳輸線(xiàn)的特征阻抗匹配，達到消除負載端反射的目的。實(shí)現形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。
并聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點(diǎn)：
① 驅動(dòng)信號近似以滿(mǎn)幅度沿傳輸線(xiàn)傳播；
② 所有的反射都被匹配電阻吸收；
③ 負載端接受到的信號幅度與源端發(fā)送的信號幅度近似相同。
在實(shí)際的電路系統中，芯片的輸入阻抗很高，因此對單電阻形式來(lái)說(shuō)，負載端的并聯(lián)電阻值必須與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相近或相等。由于典型的TTL或CMOS電路的驅動(dòng)能力很小，這種單電阻的并聯(lián)匹配方式很少出現在這些電路中。
雙電阻形式的并聯(lián)匹配，也被稱(chēng)作戴維南終端匹配，要求的電流驅動(dòng)能力比單電阻形式小。這是因為兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相匹配，每個(gè)電阻都比傳輸線(xiàn)的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅動(dòng)能力，兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則：
① 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等；
② 與電源連接的電阻值不能太小，以免信號為低電平時(shí)驅動(dòng)電流過(guò)大；
③ 與地連接的電阻值不能太小，以免信號為高電平時(shí)驅動(dòng)電流過(guò)大。
并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行；顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是會(huì )帶來(lái)直流功耗：?jiǎn)坞娮璺绞降闹绷鞴呐c信號的占空比緊密相關(guān)；雙電阻方式則無(wú)論信號是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統等對功耗要求高的系統。另外，單電阻方式由于驅動(dòng)能力問(wèn)題在一般的TTL、CMOS系統中沒(méi)有應用，而雙電阻方式需要兩個(gè)元件，這就對PCB的板面積提出了要求，因此不適合用于高密度印刷電路板。
電容的功能簡(jiǎn)單的說(shuō)就是隔直流通交流，在電路中的電容主要有這幾種作用：濾波、去耦、旁路等作用。
1、 濾波電容
濾波電容用在電源整流電路中，用來(lái)濾除交流成分，使輸出的直流更平穩。從使用電路的頻率不同，可以將濾波電容分為低頻濾波電容和高頻濾波電容。低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波，其工作頻率與市電一致為50Hz；而高頻濾波電容主要工作在開(kāi)關(guān)電源整流后的濾波，其工作頻率為幾千Hz到幾萬(wàn)Hz。使用時(shí)切忌不可以將低頻濾波電容用于高頻電路，否則會(huì )出現產(chǎn)生太大的熱量，可能會(huì )燒壞電容。
2、 去耦電容
高頻信號，如RF信號通過(guò)信號線(xiàn)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生干擾，而干擾的進(jìn)入方式就是通過(guò)電磁輻射。去耦電容的主要作用就是去除器件切換時(shí)從高頻器件進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )中的RF干擾。在實(shí)際中，芯片附近的電容還有蓄能的作用，即起一個(gè)緩存能量的作用。在高頻器件工作的時(shí)候，由于Vcc到總電源有一段距離，即使不長(cháng)，在頻率的影響下，也會(huì )產(chǎn)生很大的電感影響，導致器件供電不及時(shí)，該去耦電容同時(shí)可以解決此問(wèn)題。
有源器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲將沿著(zhù)電源線(xiàn)傳播。去耦電容主要就是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導到地。
3、 旁路電容
用在有電阻連接時(shí)，接在電阻兩端，從而將不需要的RF能量。這主要是產(chǎn)生交流旁路消除無(wú)意的能量進(jìn)入敏感部分，另外還可以提供基帶濾波功能。例如電源和地之間的去耦電容，具有三個(gè)方面的作用：①.作為電路的蓄能電容； ②.濾除該器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過(guò)供電回路進(jìn)行傳播的通路； ③.防止電源攜帶的噪聲對電路構成干擾。
其實(shí)在電路中去耦電容和旁路電容都是起抗干擾的作用，電容所處的位置不同，稱(chēng)呼就不一樣。對于同一個(gè)電路來(lái)說(shuō)，旁路電容就是把輸入信號中的高頻噪聲作為濾除對象，把前級攜帶的高頻雜波濾除；去耦電容也稱(chēng)退耦電容，是把輸出信號的干擾作為濾除對象。
