對(duì)阻抗和阻抗匹配的一點(diǎn)思考
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電阻的瞬態(tài)電壓除以瞬態(tài)電流的值一直不變,因此時(shí)域阻抗和頻域阻抗相同。電感電容的瞬態(tài)電壓除以瞬態(tài)電流是隨輸入信號(hào)周期變化的,因此時(shí)域阻抗和頻域阻抗不同。
頻域阻抗是電壓幅值除以電流幅值,再加上電壓和電流的相位差,這就是復(fù)阻抗。復(fù)阻抗與電阻唯一不同的地方在于電壓電流存在相位差,若沒有相位差就是電阻。
傳輸線是由損耗的,在損耗不可忽略的時(shí)候,會(huì)造成電壓電流產(chǎn)生相位差,從而是復(fù)阻抗。實(shí)際工程中,傳輸線的損耗很小,可以忽略,則傳輸線阻抗不會(huì)造成電壓電流相位差,其瞬態(tài)阻抗是個(gè)常數(shù),例如50歐姆傳輸線,75歐姆傳輸線等等。
阻抗匹配中,有純電阻匹配、LC匹配兩種。模擬/數(shù)字電路中,源端串聯(lián)50歐電阻、終端并聯(lián)50歐電阻,這類情況就是電阻匹配,源端輸出阻抗極小,就可以串聯(lián)50歐,終端負(fù)載極大,就可以并聯(lián)50歐,從而與50歐姆的傳輸線保持了阻抗連續(xù),這樣源端傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)能量在終端剛好可以消耗完,即電壓或電流不會(huì)發(fā)生突變,因?yàn)樽杩挂恢睕]變,電壓和電流的值會(huì)一直不變,所以終端負(fù)載上測(cè)到的電壓和電流也不會(huì)變。
還有一種情況是LC匹配,從史密斯圓圖上很容易看出任何源端阻抗和負(fù)載端阻抗都可以用LC進(jìn)行匹配,不過有個(gè)缺點(diǎn),LC阻抗由于在不同的頻率下阻抗大小會(huì)改變,所以只可能在一個(gè)頻率點(diǎn)做到完全匹配,在其他頻率點(diǎn)會(huì)失配,但是LC是不耗能元件,可以減小電路功耗。例如:傳輸線是50歐姆,傳輸?shù)碾妷簽?0V,電流為1A,負(fù)載阻抗是20歐姆,從負(fù)載端開始串電感,然后并聯(lián)電容,則可以將電壓調(diào)到31.6V,電流調(diào)到1.58A,但是總能量保持不變,即傳輸線傳輸?shù)哪芰康扔谪?fù)載端消耗的能量,因此電感電容起到的作用是將電壓調(diào)小了,電流調(diào)大了,從而讓負(fù)載電阻剛好消耗掉傳輸?shù)哪芰俊?如果負(fù)載是復(fù)阻抗,要想與傳輸線50歐阻抗完全匹配,則必須使用LC進(jìn)行匹配,因?yàn)?0歐姆傳輸電壓電流是同相位的,而負(fù)載是復(fù)阻抗,它的電壓電流有相位差,無法完全消耗掉同相位的電壓電流,因此需要使用LC來改變電壓電流的比值,來適應(yīng)負(fù)載的復(fù)阻抗大??;改變電壓電流的相位,來適應(yīng)負(fù)載的相位。
今天特意下載了個(gè)阻抗匹配軟件仿真了一下,與昨晚講的一致:

頻率為10kHz,傳輸線阻抗為50歐姆,負(fù)載阻抗為20歐姆,計(jì)算出匹配的電感為391.5uH,電容為389.5nF。


通過上圖仿真可以看出,探針1和2的電流相等,探針3的電流比源端輸出的電流增大了。

通過上圖仿真可以看出,探針2的電壓是探針1的電壓的一半,并且沒有相位差,因此達(dá)到了完全匹配,探針3的電壓比探針2的電壓減小了。

通過上圖仿真可以看出,源端50歐串聯(lián)匹配電阻消耗的功率與負(fù)載20歐姆電阻消耗的功率大小一樣,唯一不同的就是存在延遲,因此LC匹配調(diào)匹配可以不消耗功率,使負(fù)載端全部吃掉源端傳輸過來的能量。如果負(fù)載端通過串聯(lián)30歐姆電阻來進(jìn)行匹配,則源端傳輸過來的能量大部分都被匹配電阻吃掉了。
起始點(diǎn)源端電阻功率增加較大,是因?yàn)閱?dòng)時(shí),匹配電感和電容初始能量為0,需要吃一部門能量,很快達(dá)到平衡后,就不需要源端提供能量了。