谈谈阻抗与阻抗匹配

只看该作者 · 2019-3-25 17:22

谈谈阻抗与阻抗匹配

“电阻”在电路中有限制电流的作用，不管是在交流电路还是直流电路中，电阻的作用都是相同的。“阻抗”则是电阻与电抗共同作用的结果，可见，阻抗只有在交流电路中才可能出现。所以谈阻抗一定只是对交流电路而言。
每一个爱好者都知道“阻抗匹配”的重要性，但我们又经常看到阻抗不需要匹配的情况。究竟什么情况下需要进行阻抗匹配，什么情况下不需要进行阻抗匹配呢？我们不妨看看下面的论述。
在电子书籍中，到处都可以看到“阻抗”这个词，如输出阻抗，输入阻抗，负载阻抗，等效阻抗，特性阻抗、谐振阻抗等等。这些都说明阻抗在电子电路中占有很重要的地位，只有搞清楚了这些阻抗在电路中的作用，才能确定哪些“阻抗”需要进行匹配，哪些阻抗不需要匹配。下面就我对阻抗的肤浅认识谈谈看法，请有兴趣的朋友参与讨论，纠正谬误。

1.输出阻抗：全称是“从放大器输出端看进去的阻抗”，或者说“从放大器输出端测得的阻抗”。输出阻抗越低，说明电路可以输出的电流越大，带负载能力越强，频率特性越好，反之则反。
“输出阻抗”这一简称很容易被人错误理解，很多人都错误地认为“阻抗被输出了”，因此必须有一个与“输出阻抗”相等的阻抗与之配接，这就是“阻抗匹配”。事实上，阻抗是不可以传输的，阻抗仅仅是电路频率特性的描述，他不像电流那样可以输送，因此这样去认识阻抗匹配就会误入歧途。如果将“输出阻抗”改称为“输出端阻抗”或许误解会小一些。
“输出阻抗”是不需要进行匹配的，但必须注意与其连接的下一级的输入阻抗应该明显高于本级的输出阻抗。从等效电路分析可知，输出阻抗实际就是本级的信号源内阻，它等效于一个信号源和一个电阻串联，这个电阻会对输出信号分压。下一级的输入阻抗越低，在输出阻抗上的分压就越高，输出信号的衰减就越大。如果与之连接的下一级输入阻抗等于本级输出阻抗，下一级的输入端得到的信号将被衰减6db，即只有一半的输出电压耦合到下一级。
一个很实际的例子可以说明输出阻抗不需要进行匹配：一般CD机输出阻抗只有200～300Ω，而与其配接的放大器输入阻抗却多在100000Ω或以上。由于与CD机配接的阻抗很高，信号的衰减量很少，仅为－54db，完全可以忽略不计。

2.输入阻抗：即是从放大器输入端看进去的阻抗，或是从放大器输入端测得的阻抗。输入阻抗越高，对信号源或上一级电路的驱动能力要求越低，信号的传输损耗也越小（不考虑电路分布参数时），输出级可以很方便地与输入设备实现耦合。
“输入阻抗”只是电路的一个输入特性，同样不需要进行阻抗匹配。输入阻抗太低会加大前级输出的负担，造成较大的信号传输损失，严重时会造成输出信号的失真。

3.负载阻抗：放大器输出端应该配接的阻抗，也就是放大器的“设计阻抗”。他是设计者在考虑了失真、增益、输出功率、功耗、效率等居多因素后确定的数值，因此“负载阻抗”必须要进行阻抗匹配，否则，放大器质量指标将达不到设计要求。
在电压放大级，电路屏极或阴极(阴极输出时)接入的电阻就叫负载电阻，电流通过它会在负载电阻上产生电压降，提供电压输出。这个电阻的大小主要影响电压放大级增益，取值严重不合理，还会影响电路的通带特性和造成失真。
在功率放大级，负载电阻往往是以输出变压器的初级线圈出现，我们完全可以将这个线圈看成一个电阻。因为输出变压器初级线圈通过电磁感应与次级交联，次级线圈所接的负载电阻被如实地放大反射到初级，因此变压器初级表现出的就是一个实实在在的电阻，它上面的电压电流，完全遵循欧姆定理。他就是用以与设计阻抗相匹配的负载阻抗。

4.等效阻抗：放大器在特定工作状态和特定电路结构下工作时所表现出的阻抗。放大器的“等效阻抗”是由电路的特定结构产生的，如电压负反馈可以使电子管的等效内阻降低，而电流负反馈可以使电子管等效内阻升高。之所以要冠以“等效”二字，就是要区别此阻抗并非是电子管的真实阻抗，这是其一。其二，等效阻抗是有条件限制的。电子管加了电压负反馈后等效阻抗降低了，但这个低阻抗只在一定的条件下成立。比如KT88内阻为12k，在加入50%本级电压负反馈后，内阻变成了2/S=182Ω。从这个简单的算式可以看出，受电子管阴极发射能力限制，跨导S的电流不可能无限制地增大，当电子管电流增大到跟不上外电路电压变化时，上面那个算式就不成立了。
由于等效阻抗是电路在特定条件下工作时表现出的阻抗，因此我们不需要对其进行阻抗匹配，只要利用好这个低阻抗的优点就是。譬如：KT88内阻1200Ω，屛极负载阻抗为3000Ω，此时的阻尼系数仅为2.5，如果加入50%本级电压负反馈，他的阻尼系数就变成16.5了。

5.特性阻抗：一个电路网络、一个电路组件、一段电缆线……，在特定的频率范围内表现出的阻抗称之为特性阻抗。换言之，由电路分布参数合成的阻抗称之为特性阻抗。
特性阻抗须要由外电路进行匹配，否则通过该电路的交变电流就会在电路内部形成反射，产生驻波，使电路的损耗和干扰都加大，造成不必要的损失和额外干扰。像电视电缆，他的特性阻抗是75Ω，如果接收端不与其进行阻抗匹配，在传输线上就会形成较大的损耗和干扰。又如有线广播网，如果传输距离较长(≥10km)，如在线路末端不对线路特性阻抗进行阻抗匹配，就会在线路上形成驻波，造成有的地段声音特别大，有的地段声音特别小，由于不是硬件问题，一般还很难找到问题出在哪里。
再举一个电路网络特性阻抗失配的例子：由两个串联谐振电路组成的π型滤波网络，接入电路降噪效果明显，但出现了一种类似吉它声的干扰，这就是外电路没有与该网络特性阻抗匹配产生的干扰。当在电路网络的输入端和输出端都接上与该网络特性阻抗一致的电阻进行匹配，干扰就消失了。

6.谐振阻抗：当电路发生谐振时表现出的阻抗叫谐振阻抗。不同的谐振电路，不同的品质因数，谐振阻抗相差巨大。并联谐振电路谐振阻抗最高，Z=L/RC，一般可达数百K以上；串联谐振电路谐振阻抗最低，Z=R(电感线圈的直流电阻)。电路谐振时，电感和电容的电抗相等，通过电感和电容的电流达到最大，器件的端电压升到最高(电压升至电源电压的Q倍)。
谐振阻抗是在特定的频率下发生的事件，它不需要进行阻抗匹配，但根据不同的使用目的，对外电路有不同的要求。为了提高谐振回路的品质因数，他要求与其配接的外电路阻抗越高越好，以得到良好的选择性和增益；如果我们希望得到一个合适的通带宽度，往往在谐振回路上并联一个合适的电阻，以降低谐振阻抗(降低谐振回路品质因数)，展宽通频带；如果我们希望抑制谐振的发生，往往是以增加谐振回路的损耗达到目的。如输出变压器在音频通带内出现了不希望的谐振峰，为了降低它的影响，往往是采用负反馈方式来降低功放管的等效内阻，用以抑制谐振峰的出现。

综上所述，可以得到如下结论：
电子电路中可能出现的阻抗种类固然很多，但真正需要进行阻抗匹配的却很少，上面谈到的几种阻抗只有“负载阻抗”和“特性阻抗”需要进行阻抗匹配，其他阻抗却不需要进行匹配，只要在使用时注意相互间的搭配或根据使用目的选择外电路阻抗就行。
虽然我们说阻抗是直流电阻和交流电抗的合矢量，但在很多情况下并不需要这三个量同时存在，甚至只有电阻存在我们照样称之为阻抗。如输出变压器，在音频范围低端和音频范围高端，由于受电抗元件的影响，实际阻抗都会低于标称阻抗。而处于音频范围的中频段，由于电抗元件的影响甚微，表现出的阻抗就相当于一个直流电阻，恰恰是这个电阻，我们却将他确定为输出变压器的“标称阻抗”。还有，像电子管的“内阻”也有类似情况，我们却毫不忌讳地称之为阻抗，或者称他为“输出阻抗”(屏极输出时)。所以应该可以这样认为：凡是在直流电路中表现出的电阻就称之为电阻，凡是在交流电路中表现出的电阻(不管是电阻电抗还是他们的合成分量)都统称为阻抗。