阻抗变换器的作用分析,阻抗变换器电路

　　一、阻抗变换器简介

　　阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系．当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输．反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害．

　　阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间，等等．例如，扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阻抗匹配，不匹配时，扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器．如果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗，扩音机就处于过载状态，其末级功率放大管很容易损坏．反之，如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多，会引起输出电压升高，同样不利于扩音机的工作，声音还会产生失真．因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好．

　　为使其阻抗匹配，需采用阻抗变换器进行匹配。常用阻抗变换器的同轴线阻抗变换器有直线渐变式和阶梯式两种。使入端阻抗与出端阻抗形成一定关系的二端口网络。1954年J.G.林维尔把负阻抗变换器用于有源滤波器并建立了有关理论。随着集成电路技术的进步，使用集成运算放大器构成阻抗变换器，已成为阻抗变换器有源滤波器设计的基该方法。

　　二、阻抗变换器种类

　　广义阻抗变换器

　　对于图1的二端口网络，输入电压U1（s）、输入电流I1（s）与输出电压U2（s）、输出电流I2（s）的关系，可根据电路传输方程写为 　（1）式中参数A、B、C、D由网络的结构、元件性质和数值决定。若一网络的构成使得这四个参数中B=C=0，但A、D厵0，那么这个网络的输入阻抗Zi（s）将为 （2）式中f（s）=A/D，称为变换因子，是复频率变量s的函数。式（2）反映输入阻抗Zi（s）与负载阻抗ZL（s）有一定比例的变换关系。

图一

　　阻抗变换器

　　在有源网络中常用的负阻抗变换器（NIC），也是一种广义阻抗变换器，只是它的变换因子f（s）是负实常数，使接在网络一侧的阻抗被变换为另一侧的负阻抗，因而可用以作为负阻元件。

　　广义阻抗倒量器

　　对于图1的二端口网络的四个参数，若A=D=0，但B、C厵0，那么两个端口上的阻抗关系将为 　 （3）它表示从一个端口看进去的阻抗 Zi（s）与另一端口跨接的负载ZL（s）成倒数关系。式中g（s）=B/C，称为倒量变换因子。广义阻抗倒量器是B.D.H.特勒根于1948年首先提出的。网络结构不同，由它所决定的参数B、C也不同，因而可以获得不同类型的阻抗倒量特性。

图2a

　　回转器

　　一种常用的阻抗倒量器，它的网络参数B=r，C=1/r，倒量变换因子g（s）=B/C=r2。式中r为正实常数，称为回转电阻。当在回转器的一个端口上接电容器C 时，其另一个端口的阻抗将呈感抗特性，即依式（3）有 　 （4）式中称为模拟电感值。如C=1微法，r=10千欧，即可用以模拟一个100亨的电感器。

　　阻抗变换器的变换内容和电路形式很多。图2a是由运算放大器组成的一种典型的 GIC电路。若运算放大器是理想的，则该电路的输入阻抗为 　（5）若将图中的Z1、Z2、Z3分别换为电阻R1、R2、R3，且以电容器C 取代Z4并使负载为纯电阻RL，则这一电路就变成图2b的形式，其输入阻抗为 　 （6）它相当于接地电感器，其等效电感。

　　阻抗变换器

　　若图2a的Z2、Z3、Z4分别换为电阻R2、R3、R4，且以电容器C1取代Z1并负载为纯电容CL，则这一电路就变成图2c的形式，其输入阻抗为 　 （7）当s=jw时， 　 （8）它是一种与频率的平方成反比的负电阻，称为频变负阻（FDNR），是有源网络中的又一种二端口元件。

　　用两个运算放大器可实现回转器电路。若运算放大器为理想器件，且负载端接电容器C，则从输入端看进去的输入阻抗等效为一个电。此外，用来实现阻抗变换的网络元件尚可举出变压器、射极跟随器和各种传输线元件。

　　三、阻抗变换器的作用

　　阻抗变换器的作用是解决微波传输线与微波器件之间匹配的，在通常情况下，同轴传输线的阻抗为75Ω，而与馈线相连的极化分离器和波道滤波器的输入输出阻抗为50Ω。

　　四、阻抗变换器电路

　　阻抗变换器将两根电极之间的阻抗转换成电压送至HMS87C1408B进行A/D转换，HMS87C-1408B将转换值进行处理后送LCD显示，并由语音电路输出报数信息或超标提示。由于测试仪常常需要在室外阳光下和傍晚时操作，因此可用自动背光控制电路自动调节LCD显示的亮度。自动背光通过光敏电阻感应外界环境的光照度，并将其转换成电压直接去控制背光源的电流，实现自动背光控制。按键用于设置待测试物的种类或品种、选择语音提示或语音报数的方式、超标阈值、因为温度变化需要修正的值以及通过按键来显示平均值等等。电源电路用于将6 V的电池电压转换成3.9 V的系统供电，当电池电压下降到4.5 V时，由低电压检测电路检测并提供电平转换信号给主控芯片，由主控芯片通过语音电路播出“请更换电池”语音。

　　阻抗变换器电路是本系统的一个重要电路，它的性能关系到测试数据的精度和测试数据的有效范围。本系统选择单电源供电、低漂移、高阻运算放大器TLC27L2B结合外围电阻构成阻抗变换器电路。TLC27L2B的输入阻抗高达1012 Ω，而被测物籽棉、菜籽和粮食（包括稻谷、玉米、小麦）的阻抗范围在几百KΩ到10 GΩ，所以，TLC27L2B适合用作阻抗变换器，并且其功耗极低。阻抗变换器电路如图2。它实际上是一个电压跟随器电路。电压跟随器具有高阻输入低阻输出的特点，它的增益为：

　　

　　Rc、Rd分别是运放的差分输入电阻和共模输入电阻；K是运放的开环增益。

　　输出电压：

　　

　　Rm为被测阻抗，当电子开关Kd闭合时R12=R1//R2，当Kd打开时R12=R1。Kd用于调节被测阻抗的范围。当R1选择30 MΩ时，被测阻抗可高达lO GΩ。Usc经分压后送主控芯片作A/D转换可得到含水量。