電路設計中的阻抗匹配詳解-KIA MOS管

什么是阻抗匹配

相信大家在電路原理中都學到過，某個電路的負載電阻多大時，其輸出功率才是最大；阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。

在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態稱為匹配，否則稱為失配。

阻抗控制在硬件設計中是一個比較重要的環節，IC廠商針對其應用一般會向終端產商提供PCB板材質、PCB疊層、PCB板厚等一些相關參考設計建議（這些都是跟PCB阻抗控制設計息息相關的），終端廠商在拿到這些資料后，會結合實際情況據此進行本地化的設計調整，然后將相關設計資料及要求提供給PCB的生產廠家進行PCB生產。

針對不同信號系統有不同的特征阻抗值，比如75ohm、100ohm、90ohm、50ohm等，而對頻率較高的RF信號來講，最常見的是50ohm的阻抗控制。

阻抗匹配的重要性

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間達到一種適合的搭配。阻抗匹配主要有兩點作用，調整負載功率和抑制信號反射。

在實際的PCB設計中，RF傳輸線通常都會采用微帶線和帶狀線的走線方式， 且需要選取參考層來進行阻抗控制。考慮到芯片的RF特性、實際PCB生產工藝、及元器件用料的因素，除了需進行PCB RF傳輸線的阻抗控制外，在硬件設計上通常還需添加一些匹配網絡電路用作RF的調試。

阻抗匹配的作用主要有：

1、調整負載功率

如下圖所示：假定激勵源已定，那么負載的功率由兩者的阻抗匹配度決定。對于一個理想化的純電阻電路或者低頻電路，由電感、電容引起的電抗值基本可以忽略，此時電路的阻抗來源主要為電阻。

如圖2所示，電路中電流I=U/（r+R），負載功率P=I*I*R。由以上兩個方程可得當R=r時P取得最大值，Pmax=U*U/（4*r）。

2、抑制信號反射

當一束光從空氣射向水中時會發生反射，這是因為光和水的光導特性不同。同樣，當信號傳輸中如果傳輸線上發生特性阻抗突變也會發生反射。

波長與頻率成反比，低頻信號的波長遠遠大于傳輸線的長度，因此一般不用考慮反射問題。

高頻領域，當信號的波長與傳輸線長出于相同量級時反射的信號易與原信號混疊，影響信號質量。通過阻抗匹配可有效減少、消除高頻信號反射。

3、諧振頻率以及帶寬的調整

4、功率、EVM、ACLR、PA電流、傳導雜散和輻射雜散等指標的調試等

阻抗匹配的理想模型

射頻工程師大都遇到過匹配阻抗的問題，通俗的講，阻抗匹配的目的是確保能實現信號或能量從“信號源”到“負載”的有效傳送，其最最理想模型當然是希望Source端的輸出阻抗為50歐姆，傳輸線的阻抗為50歐姆，Load端的輸入阻抗也是50歐姆，一路50歐姆下去，這是最理想的。

阻抗匹配到的理想模型

然而實際情況是：源端阻抗不會是50ohm，負載端阻抗也不會是50ohm，這個時候就需要若干個阻抗匹配電路，而匹配電路就是由電感和電容所構成，這個時候我們就需要使用電容和電感來進行阻抗匹配電路調試，以達到RF性能最優。

在普通的寬頻帶放大器中，因為輸出阻抗為50Ω，所以需要考慮在功率傳輸電路中進行阻抗匹配。但是，實際上當電纜的長度對于信號的波長來說可以忽略不計時，就勿需阻抗匹配的。

考慮信號頻率為1MHz，其波長在空氣中為300m，在同軸電纜中約為200m。在通常使用的長度為1m左右的同軸電纜中，是在完全可忽略的范圍之內。（圖H）

如果存在阻抗，那么在阻抗上就會產生功率消耗，所以不做阻抗匹配其結果就會使放大器的輸出功率發生無用的浪費。

阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有兩個，一是改變組抗力，二是調整傳輸線。

改變阻抗力就是通過電容、電感與負載的串并聯調整負載阻抗值，以達到源和負載阻抗匹配。

調整傳輸線是加長源和負載間的距離，配合電容和電感把阻抗力調整為零。此時信號不會發生發射，能量都能被負載吸收。高速PCB布線中，一般把數字信號的走線阻抗設計為50歐姆。一般規定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對絞線（差分）為85-100歐姆。

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