阻抗和阻抗匹配

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* 同样条件,线宽越大,阻抗越小。1.5 mm 线宽,板厚 0.8mm,则阻抗变为 128 Ω (介电常数依然为 4.58)
 
* 同样条件,线宽越大,阻抗越小。1.5 mm 线宽,板厚 0.8mm,则阻抗变为 128 Ω (介电常数依然为 4.58)
* 同样条件,板厚越小,阻抗越小。1 mm 线宽, 板厚变为 0.2cm,阻抗变为 92 Ω; 板厚变为 0.1cm,阻抗变为 69 Ω; 因此 4 层 板以上做阻抗,控制好顶层和第二层的厚度,即可做阻抗。。。
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* 同样条件,板厚越小,阻抗越小。1 mm 线宽, 板厚变为 0.2cm,阻抗变为 92 Ω; 板厚变为 0.1cm,阻抗变为 69 Ω; 因此 4 层 板以上做阻抗,控制好顶层和第二层的厚度,即可做 50 Ω阻抗。。。
 
* 同样条件,介电常数越大,阻抗越小。1 mm 线宽,板厚 0.1mm,介电常数 8,则阻抗变为 53 Ω
 
* 同样条件,介电常数越大,阻抗越小。1 mm 线宽,板厚 0.1mm,介电常数 8,则阻抗变为 53 Ω
  

2021年1月19日 (二) 15:04的版本

目录

1 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


2 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


3 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。

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。


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300Ω的馈线将与其不能匹配。实际中是有一个 300Ω到 75Ω的阻抗转换器(一个塑料封装的,一端有一个圆形的插头的那个东东,大概有两个大拇指那么大)。它里面其实就是一个传输线变压器,将 300Ω的阻抗,变换成 75Ω的,这样就可以匹配起来了。


特性阻抗跟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,不能通过使用欧姆表来测量,需要专门的阻抗测试仪来测量。传输线的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


为了不产生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等,这就是传输线的阻抗匹配,如果阻抗不匹配,则会形成反射,能量传递不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,辐射干扰等。


当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配:

  • 使用变压器来做阻抗转换,就像上面所说的电视机中的那个例子那样
  • 使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用
  • 使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低,可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配,例如高速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高,可以使用并联电阻的方法,来跟传输线匹配,例如,485 总线接收器,常在数据线终端并联 120欧的匹配电阻。

参考:VNA



4 Notes

FR-4 板材参数:

  • 介电常数 (Dielectric Constant): 4.58
  • 介质损耗 (Loss Tangent): 0.022
  • 1oz 铜,厚 0.035mm (35um)


1 mm 线宽,板厚 0.8mm,阻抗约为 142 Ω

  • 同样条件,线宽越大,阻抗越小。1.5 mm 线宽,板厚 0.8mm,则阻抗变为 128 Ω (介电常数依然为 4.58)
  • 同样条件,板厚越小,阻抗越小。1 mm 线宽, 板厚变为 0.2cm,阻抗变为 92 Ω; 板厚变为 0.1cm,阻抗变为 69 Ω; 因此 4 层 板以上做阻抗,控制好顶层和第二层的厚度,即可做 50 Ω阻抗。。。
  • 同样条件,介电常数越大,阻抗越小。1 mm 线宽,板厚 0.1mm,介电常数 8,则阻抗变为 53 Ω









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