阻抗匹配（轉載）

終端電阻是爲了消除在通訊電纜中的信號反射。 

在通訊過程當中，有兩種緣由因致使信號反射：阻抗不連續和阻抗不匹配。 

阻抗不連續，信號在傳輸線末端忽然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引發反射。這種信號反射的原理，與光從一種媒質進入另外一種媒質要引發反射是類似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗一樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續。因爲信號在電纜上的傳輸是雙向的，所以，在通信電纜的另外一端可跨接一個一樣大小的終端電阻。 

引發信號反射的另個緣由是數據收發器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種緣由引發的反射，主要表如今通信線路處在空閒方式時，整個網絡數據混亂。 

要減弱反射信號對通信線路的影響，一般採用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實際應用中，對於比較小的反射信號，爲簡單方便，常常採用加偏置電阻的方法。 

一個485網絡，可能最多會有32個設備接上去，線長最大爲1公里。這個終端負載電阻線路的兩端用阻抗匹配電阻,是全部的電阻都是XXX歐，仍是這麼多並起來的等效電阻值是120歐（是芯片的資料上給出的終端負載電阻）.

 

 

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分爲低頻和高頻兩種狀況討論。

 

咱們先從直流電壓源驅動一個負載入手。因爲實際的電壓源，老是有內阻的（請參看輸出阻抗一問），咱們能夠把一個實際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯的模型。假設負載電阻爲R，電源電動勢爲U，內阻爲r，那麼咱們能夠計算出流過電阻R的電流爲：I=U/(R+r)，能夠看出，負載電阻R越小，則輸出電流越大。負載R上的電壓爲：Uo=IR=U×[1+(r/R)]，能夠看出，負載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來計算一下電阻R消耗的功率爲：

P=I²×R=[U/(R+r)]²×R=U²×R/(R²+2×R×r+r²)

                                   =U²×R/[(R-r)²+4×R×r]

                                   =U²/{[(R-r)²/R]+4×r}

對於一個給定的信號源，其內阻r是固定的，而負載電阻R則是由咱們來選擇的。注意式中[(R-r)²/R]，當R=r時，[(R-r)²/R]可取得最小值0，這時負載電阻R上可得到最大輸出功率Pmax=U²/(4×r)。即，當負載電阻跟信號源內阻相等時，負載可得到最大輸出功率，這就是咱們常說的阻抗匹配之一。對於純電阻電路，此結論一樣適用於低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時，結論有所改變，就是須要信號源與負載阻抗的的實部相等，虛部互爲相反數，這叫作共扼匹配。在低頻電路中，咱們通常不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負載之間的狀況，由於低頻信號的波長相對於傳輸線來講很長，傳輸線能夠當作是「短線」，反射能夠不考慮（能夠這麼理解：由於線短，即便反射回來，跟原信號仍是同樣的）。從以上分析咱們能夠得出結論：若是咱們須要輸出電流大，則選擇小的負載R；若是咱們須要輸出電壓大，則選擇大的負載R；若是咱們須要輸出功率最大，則選擇跟信號源內阻匹配的電阻R。有時阻抗不匹配還有另一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設計的，若是負載條件改變了，則可能達不到原來的性能，這時咱們也會叫作阻抗失配。

 

在高頻電路中，咱們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當波長短得跟傳輸線長度能夠比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。若是傳輸線的特徵阻抗跟負載阻抗不相等（即不匹配）時，在負載端就會產生反射。爲何阻抗不匹配時會產生反射以及特徵阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這裏咱們不細說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特徵阻抗（也叫作特性阻抗）是由傳輸線的結構以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關。

例如，經常使用的閉路電視同軸電纜特性阻抗爲75Ω，而一些射頻設備上則經常使用特徵阻抗爲50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗爲300Ω的扁平平行線，這在農村使用的電視天線架上比較常見，用來作八木天線的饋線。由於電視機的射頻輸入端輸入阻抗爲75Ω，因此300Ω的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢？不知道你們有沒有留意到，電視機的附件中，有一個300Ω到75Ω的阻抗轉換器（一個塑料封裝的，一端有一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那麼大）。它裏面其實就是一個傳輸線變壓器，將300Ω的阻抗，變換成75Ω的，這樣就能夠匹配起來了。這裏須要強調一點的是，特性阻抗跟咱們一般理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關，也不能經過使用歐姆表來測量。爲了避免產生反射，負載阻抗跟傳輸線的特徵阻抗應該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。若是阻抗不匹配會有什麼不良後果呢？若是不匹配，則會造成反射，能量傳遞不過去，下降效率；會在傳輸線上造成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱），致使傳輸線的有效功率容量下降；功率發射不出去，甚至會損壞發射設備。若是是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時，會產生震盪，輻射干擾等。

 

當阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，能夠考慮使用變壓器來作阻抗轉換，就像上面所說的電視機中的那個例子那樣。第二，能夠考慮使用串聯/並聯電容或電感的辦法，這在調試射頻電路時常使用。第三，能夠考慮使用串聯/並聯電阻的辦法。一些驅動器的阻抗比較低，能夠串聯一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可使用並聯電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數據線終端並聯120歐的匹配電阻。

    爲了幫助你們理解阻抗不匹配時的反射問題，我來舉兩個例子：假設你在練習拳擊——打沙包。若是是一個重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感受很舒服。可是，若是哪一天我把沙包作了手腳，例如，裏面換成了鐵沙，你仍是用之前的力打上去，你的手可能就會受不了了——這就是負載太重的狀況，會產生很大的反彈力。相反，若是我把裏面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會撲空，手也可能會受不了——這就是負載太輕的狀況。另外一個例子，不知道你們有沒有過這樣的經歷：就是看不清樓梯時上/下樓梯，當你覺得還有樓梯時，就會出現「負載不匹配」這樣的感受了。固然，也許這樣的例子不太恰當，但咱們能夠拿它來理解負載不匹配時的反射狀況。

 

原文：http://blog.163.com/qiu_zhi2008/blog/static/6014097720091027111052777/