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焦点快报!功率放大器为什么要关注阻抗匹配问题?如何进行阻抗匹配?

2023-03-28 17:05:07 来源:agitek2021

设计电路的时候,经常会有很多人对于阻抗有疑问,那么什么是阻抗?在电感电容电阻的电路中,能够对电路中电流起到阻碍作用的就是阻抗,阻抗经常用Z表示,阻抗的值是由交流电的频率、电阻R、电感L、电容C互相作用决定的。在实际电路中,阻抗是随时变化的,能够跟随电流频率的改变而改变。

一、输入阻抗介绍


(资料图)

输入阻抗是电路输入端的等效阻抗。对输入端加上电压源U,测量输入端电流I,那么输入阻抗Rin就等于U/I。输入端如果是电阻的两端,电阻的阻值,就是输入阻抗。

输入阻抗反映对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路来说,输入阻抗越大,对于电压源的负载越轻,所以越容易驱动,也不影响信号源;对于电流驱动的电路来说,输入阻抗越小,对于电流源的负载越轻。

电压源驱动,输入阻抗越大越好;

电流源驱动,阻抗越小越好。

二、输出阻抗介绍

无论放大器、信号源还是电源,都会有输出阻抗的问题。输出阻抗是信号源的内阻。对于理想的电压源来说,内阻应该都是0,但是实际中却无法做到。

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)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。

电源输出电压下降,会限制最大的输出功率。而理想的电流源,输出阻抗无穷大,但是实际却是不可能。

三、阻抗匹配

阻抗匹配是信号源或者传输线和负载间的搭配方式,阻抗匹配一般分为高频和低频两种。

当交流电路中出现容性或者感性阻抗的时候,需要信号源和负载阻抗的实部相等,而虚部互为相反数,就称作共轭匹配。

如果需要输出电流大,就选择小的负载R;

如果需要输出电压大,就选择大的负载R;

如果需要输出功率大,就选择跟信号源内阻匹配的电阻R。

有时还会出现阻抗不匹配的情况,比如仪器输出端是特定负载条件下设计的,当改变负载条件的时候,就不能达到原来性能,就称作阻抗失配。

当阻抗不匹配的时候,有哪些方法可以匹配呢?

1、采用变压器来做阻抗转换;

2、使用串联/并联电容或者电感的办法;

3、使用串联/并联电阻的办法。

四、阻抗匹配的原理

1、纯电阻电路

外电阻等于内电阻的时候,电源对外电路输出功率大,这就是纯电阻电路的功率匹配。如果换成交流电路,也需要满足R=r这个条件电路才能匹配。

2、电抗电路

电抗电路的情况会比纯电阻电路复杂很多,因为电路中不仅有电阻还有电容和电感。交流电路中,电阻、电容和电感对于交流电的阻碍作用叫阻抗,用字母Z表示。

电容和电感对于交流电的阻碍作用,也被称为容抗和感抗。容抗和感抗的值除了与电容和电感大小有关外,还和工作交流电的频率有关。

阻抗匹配的关键是前级的输出阻抗和后级的输入阻抗相等,而输入阻抗和输出阻抗广泛存在在各种电子电路和测量仪器当中。那么什么是输入阻抗和输出阻抗?

输入阻抗是电路对着信号源讲的阻抗。对于功率放大器来说,信号源的输出阻抗和放大电路输入阻抗相等的时候称为阻抗匹配,这时候放大电路能在输出端获得最大功率。

输出阻抗是指电路对着负载讲的阻抗。

要注意的是:阻抗匹配只适用于电子电路,因为电子电路中传输信号功率本身很弱,需要匹配来提高输出功率。而电工电路中不考虑匹配,否则会造成输出电流过大,损坏电器。

ATA-3090功率放大器:

什么时候都要考虑阻抗匹配?

普通的宽频带放大器中,输出阻抗是50Ω,就要考虑在功率传输电路中进行阻抗匹配。但是实际中,电缆长度对于信号波长是可以忽略不计的,就不需要阻抗匹配。

考虑信号频率为1MHz,其波长在空气中为300m,在同轴电缆中约为200m。在通常使用的长度为1m左右的同轴电缆中,是在完全可忽略的范围之内。

如果存在阻抗,那么在阻抗上就会产生功率消耗,所以不做阻抗匹配其结果就会使放大器的输出功率发生无用的浪费.

对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的实部相等,虚部互为相反数,这叫作共轭匹配。审核编辑黄宇

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