阻抗不匹配有什么后果_阻抗不匹配对信号影响

发表于 2018-03-13 10:05:33 收藏 已收藏
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阻抗不匹配有什么后果_阻抗不匹配对信号影响

发表于 2018-03-13 10:05:33

  什么是阻抗

  在具有电阻、电感和电容的电路里,对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示,是一个复数,实际称为电阻,虚称为电抗,其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗 ,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗,电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。 阻抗的单位是欧姆。阻抗的概念不仅存在与电路中,在力学的振动系统中也有涉及。

  电学解释

  阻抗是表示元件性能或一段电路电性能的物理量。交流电路中一段无源电路两端电压峰值(或有效值)Um与通过该电路电流峰值(或有效值)Im之比称为阻抗,用z表示,单位为欧姆(Ω)。在U一定的情况下,z越大则I越小,阻抗对电流有限制的作用。[2]

  在电流中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻。除了超导体外,世界上所有的物质都有电阻,只是电阻值的大小差异而已。电阻很小的物质称作良导体,如金属等;电阻极大的物质称作绝缘体,如木头和塑料等。还有一种介于两者之间的导体叫做半导体,而超导体则是一种电阻值等于零的物质,不过它要求在足够低的温度和足够弱的磁场下,其电阻率才为零。

  在直流电和交流电中,电阻对两种电流都有阻碍作用;作为常见元器件,除了电阻还有电容和电感,这两者对交流电和直流电的作用就不像电阻那样都有阻碍作用了。电容是“隔直通交”,就是对直流电有隔断作用,就是直流不能通过,而交流电可以通过,而且随着电容值的增大或者交流电的增大,电容对交流电的阻碍作用越小,这种阻碍作用可以理解为“电阻”,但是不等同于电阻,这是一种电抗,电抗和电阻单位一样,合称“阻抗”。当然,准确的说,“阻抗”应该有三个部分,除了这两个,就是“感抗”。感抗就是电感对电流的阻碍作用,和电容不同,电感对直流电无阻碍作用(如果严谨的研究的话,在通电达到饱和之前的那个短暂的几毫秒的暂态内,也是有阻碍的)对交流有阻碍作用,感抗的单位和容抗以及电阻的单位都一样是欧姆。

  力学解释

  阻抗、抗、阻的概念不只存在在电路中,在振动系统中,阻抗也用Z表示,是一个复数,也是一个相量(Phasor),含有Magnitude和Phase/Polarity。由阻(Resistance)和抗(Reactance)组成。阻(resistance)是对能量的消耗,而抗(reactance)是对能量的保存。在振动系统中,由质量产生的抗,是质量抗(mass resistance),而由劲度(stiffness)产生的抗,是劲度抗(stiffness resistance)。

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  什么是阻抗匹配

  阻抗匹配(impedance matching) 信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同,或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同,分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态,简称为阻抗匹配。否则,便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。

  信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对电子设备互连来说,例如信号源连放大器,前级连后级,只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上,就可认为阻抗匹配良好;对于放大器连接音箱来说,电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱,而晶体管放大器则无此限制,可以接任何阻抗的音箱。

  输入端阻抗匹配时,传输线获得最大功率;在输出端阻抗匹配的情况下,传输线上只有向终端行进的电压波和电流波,携带的能量全部为负载所吸收。

  在阻抗失配的情况下,传输线上将同时存在-射波和应射波。

  从传输的角度来说,总是竭力避免阻抗失配现象的出现,因为反射波的出现,意味着递送到传输线终端的功率不能全部为负载所吸收,降低了传输效率;在输送功率较高的情况下,电压或电流的波腹有可能损坏传输线的介质;而且传输线始端的输入阻抗随频率而变化,输送多频信号时,将因机、线阻抗难于匹配而出现失真。

  阻抗匹配的程度常用电压反射系数来衡量。

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  阻抗不匹配有什么后果

  阻抗不匹配的后果有很多,主要举例说明一下阻抗不匹配在数字电路中产生的后果。

  1、数字信号在接收器件的输入端和发送器件的输出端来回反射。反射的信号在两边来回反弹直至最终完全被电阻所吸收。

  2、反射信号引入振铃信号沿着走线传播。振铃影响了信号的电压和时序,并严重影响了信号质量。

  3、一个不匹配的信号通路会导致信号辐射到环境中去。

  阻抗不匹配有什么后果_阻抗不匹配对信号影响

  由于阻抗不匹配产生的问题可以通过使用终端来减少。终端通常是一个或两个放置在信号线接收器附近的分立元件。一个简单的例子,终端是一个低值的串连电阻。

  终端抑制了信号的上升时间,并吸收了部分反射能源。特别是要注意到,终端并不能完全消除由于阻抗不匹配而产生的破坏性的影响。但是通过仔细选择的配置和元件的值,一个终端可以非常有效地控制了信号完整性的效果。

  并非所有的信号线都需要阻抗控制。一些标准,如Compact PCI需要特定的走线阻抗和(或)终端电阻。通过制订阻抗的要求,这些标准对减少反射,振铃和信号线的辐射是相当有效的。

  其他标准没有对阻抗控制有具体的要求,留给设计者决定是否需要加阻抗控制。而决定的结果随设计的不同而不同,但它往往取决于信号线的长度(信号线延迟Td)和信号的上升时间( Tr)。一个经常使用的规则是,当Td大于Tr的1/6的时候就对阻抗控制有要求了。

  阻抗不匹配对信号影响

  阻抗不匹配信号会出现很多谐波,阻抗匹配概念很广,但是从你说产生谐波的角度来说,我认为你是想知道高速信号链阻抗匹配的概念的,论述如下。

  1、无论是什么频率的信号,收发两端阻抗匹配都会使得下一级接收到最大功率,这是显然的。

  2、对于低频信号,阻抗匹配的概念用处不大。这些我亲自侧过,只要上下级的负载均在彼此的适配范围内,毫无压力,信号会完好无损,不用考虑太多。

  3、对于高频信号,由于信号频率升高之后,各类元件的高频效应显现,各类元件开始表现出频率响应,甚至局部会出现谐振。一方面,信号的谐波是普遍存在的,只是功率和信号相比非常小,有时元件的频率响应会对信号的某次谐波产生谐振效应,从而将一部分谐波能量放大,产生给类谐波。另一方面,由于元件在高频会出现频响的非线性,这回导致各类谐波甚至加减谐波的出现。阻抗匹配可以使得前后级的阻抗为纯阻性(消除了电抗的影响),使得信号能够无损传输。

  4、对于射频甚至微波信号,电路信号根本就不是集总的,需要通过偏微分方程(而非常微分方程)来描述。这时,元器件的尺寸会彻底改变元器件的频响,必须要进行阻抗匹配,因为哪怕是连线的尺寸都会使得联线表现出电抗特性,且没点电抗特性不同。否则即使在理想状态下,也会发生反射现象,使得信号链路上出现各类谐波。

  5、综上,阻抗匹配在低频时意义不大,但高频到射频上非常有必要;另外,阻抗匹配是作为一个电子工程师应该有的必备素养,很多时候哪怕是不必要的,也应该脑袋里时刻记着这么个事情,这是近些年来电赛模拟部分的一个考察点。 低频时,关心的是传输的波形;高频甚至射频时,同时也要关心传递的功率。

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