电路设计中的阻抗匹配详解-KIA MOS管

什么是阻抗匹配

相信大家在电路原理中都学到过，某个电路的负载电阻多大时，其输出功率才是最大；阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。

在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

阻抗控制在硬件设计中是一个比较重要的环节，IC厂商针对其应用一般会向终端产商提供PCB板材质、PCB叠层、PCB板厚等一些相关参考设计建议（这些都是跟PCB阻抗控制设计息息相关的），终端厂商在拿到这些资料后，会结合实际情况据此进行本地化的设计调整，然后将相关设计资料及要求提供给PCB的生产厂家进行PCB生产。

针对不同信号系统有不同的特征阻抗值，比如75ohm、100ohm、90ohm、50ohm等，而对频率较高的RF信号来讲，最常见的是50ohm的阻抗控制。

阻抗匹配的重要性

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。阻抗匹配主要有两点作用，调整负载功率和抑制信号反射。

在实际的PCB设计中，RF传输线通常都会采用微带线和带状线的走线方式， 且需要选取参考层来进行阻抗控制。考虑到芯片的RF特性、实际PCB生产工艺、及元器件用料的因素，除了需进行PCB RF传输线的阻抗控制外，在硬件设计上通常还需添加一些匹配网络电路用作RF的调试。

阻抗匹配的作用主要有：

1、调整负载功率

如下图所示：假定激励源已定，那么负载的功率由两者的阻抗匹配度决定。对于一个理想化的纯电阻电路或者低频电路，由电感、电容引起的电抗值基本可以忽略，此时电路的阻抗来源主要为电阻。

如图2所示，电路中电流I=U/（r+R），负载功率P=I*I*R。由以上两个方程可得当R=r时P取得最大值，Pmax=U*U/（4*r）。

2、抑制信号反射

当一束光从空气射向水中时会发生反射，这是因为光和水的光导特性不同。同样，当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变也会发生反射。

波长与频率成反比，低频信号的波长远远大于传输线的长度，因此一般不用考虑反射问题。

高频领域，当信号的波长与传输线长出于相同量级时反射的信号易与原信号混叠，影响信号质量。通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射。

3、谐振频率以及带宽的调整

4、功率、EVM、ACLR、PA电流、传导杂散和辐射杂散等指标的调试等

阻抗匹配的理想模型

射频工程师大都遇到过匹配阻抗的问题，通俗的讲，阻抗匹配的目的是确保能实现信号或能量从“信号源”到“负载”的有效传送，其最最理想模型当然是希望Source端的输出阻抗为50欧姆，传输线的阻抗为50欧姆，Load端的输入阻抗也是50欧姆，一路50欧姆下去，这是最理想的。

阻抗匹配到的理想模型

然而实际情况是：源端阻抗不会是50ohm，负载端阻抗也不会是50ohm，这个时候就需要若干个阻抗匹配电路，而匹配电路就是由电感和电容所构成，这个时候我们就需要使用电容和电感来进行阻抗匹配电路调试，以达到RF性能最优。

在普通的宽频带放大器中，因为输出阻抗为50Ω，所以需要考虑在功率传输电路中进行阻抗匹配。但是，实际上当电缆的长度对于信号的波长来说可以忽略不计时，就勿需阻抗匹配的。

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。（图H）

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。

阻抗匹配的方法

阻抗匹配的方法主要有两个，一是改变组抗力，二是调整传输线。

改变阻抗力就是通过电容、电感与负载的串并联调整负载阻抗值，以达到源和负载阻抗匹配。

调整传输线是加长源和负载间的距离，配合电容和电感把阻抗力调整为零。此时信号不会发生发射，能量都能被负载吸收。高速PCB布线中，一般把数字信号的走线阻抗设计为50欧姆。一般规定同轴电缆基带50欧姆，频带75欧姆，对绞线（差分）为85-100欧姆。

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