阻抗不匹配有什么后果_阻抗不匹配對(duì)信號(hào)影響

什么是阻抗

在具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)電路中的電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示，是一個(gè)復(fù)數(shù)，實(shí)際稱(chēng)為電阻，虛稱(chēng)為電抗，其中電容在電路中對(duì)交流電所起的阻礙作用稱(chēng)為容抗 ，電感在電路中對(duì)交流電所起的阻礙作用稱(chēng)為感抗，電容和電感在電路中對(duì)交流電引起的阻礙作用總稱(chēng)為電抗。 阻抗的單位是歐姆。阻抗的概念不僅存在與電路中，在力學(xué)的振動(dòng)系統(tǒng)中也有涉及。

電學(xué)解釋

阻抗是表示元件性能或一段電路電性能的物理量。交流電路中一段無(wú)源電路兩端電壓峰值（或有效值）Um與通過(guò)該電路電流峰值（或有效值）Im之比稱(chēng)為阻抗，用z表示，單位為歐姆（Ω）。在U一定的情況下，z越大則I越小，阻抗對(duì)電流有限制的作用。［2］

在電流中，物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻。除了超導(dǎo)體外，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。電阻很小的物質(zhì)稱(chēng)作良導(dǎo)體，如金屬等；電阻極大的物質(zhì)稱(chēng)作絕緣體，如木頭和塑料等。還有一種介于兩者之間的導(dǎo)體叫做半導(dǎo)體，而超導(dǎo)體則是一種電阻值等于零的物質(zhì)，不過(guò)它要求在足夠低的溫度和足夠弱的磁場(chǎng)下，其電阻率才為零。

在直流電和交流電中，電阻對(duì)兩種電流都有阻礙作用；作為常見(jiàn)元器件，除了電阻還有電容和電感，這兩者對(duì)交流電和直流電的作用就不像電阻那樣都有阻礙作用了。電容是“隔直通交”，就是對(duì)直流電有隔斷作用，就是直流不能通過(guò)，而交流電可以通過(guò)，而且隨著電容值的增大或者交流電的增大，電容對(duì)交流電的阻礙作用越小，這種阻礙作用可以理解為“電阻”，但是不等同于電阻，這是一種電抗，電抗和電阻單位一樣，合稱(chēng)“阻抗”。當(dāng)然，準(zhǔn)確的說(shuō)，“阻抗”應(yīng)該有三個(gè)部分，除了這兩個(gè)，就是“感抗”。感抗就是電感對(duì)電流的阻礙作用，和電容不同，電感對(duì)直流電無(wú)阻礙作用（如果嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯康脑?，在通電達(dá)到飽和之前的那個(gè)短暫的幾毫秒的暫態(tài)內(nèi)，也是有阻礙的）對(duì)交流有阻礙作用，感抗的單位和容抗以及電阻的單位都一樣是歐姆。

力學(xué)解釋

阻抗、抗、阻的概念不只存在在電路中，在振動(dòng)系統(tǒng)中，阻抗也用Z表示，是一個(gè)復(fù)數(shù)，也是一個(gè)相量（Phasor），含有Magnitude和Phase/Polarity。由阻（Resistance）和抗（Reactance）組成。阻（resistance）是對(duì)能量的消耗，而抗（reactance）是對(duì)能量的保存。在振動(dòng)系統(tǒng)中，由質(zhì)量產(chǎn)生的抗，是質(zhì)量抗（mass resistance），而由勁度（stiffness）產(chǎn)生的抗，是勁度抗（stiffness resistance）。

什么是阻抗匹配

阻抗匹配（impedance matching） 信號(hào)源內(nèi)阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負(fù)載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱(chēng)為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)為阻抗匹配。否則，便稱(chēng)為阻抗失配。有時(shí)也直接叫做匹配或失配。

信號(hào)傳輸過(guò)程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿(mǎn)足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對(duì)器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對(duì)電子設(shè)備互連來(lái)說(shuō)，例如信號(hào)源連放大器，前級(jí)連后級(jí)，只要后一級(jí)的輸入阻抗大于前一級(jí)的輸出阻抗5-10倍以上，就可認(rèn)為阻抗匹配良好；對(duì)于放大器連接音箱來(lái)說(shuō)，電子管機(jī)應(yīng)選用與其輸出端標(biāo)稱(chēng)阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無(wú)此限制，可以接任何阻抗的音箱。

輸入端阻抗匹配時(shí)，傳輸線獲得最大功率；在輸出端阻抗匹配的情況下，傳輸線上只有向終端行進(jìn)的電壓波和電流波，攜帶的能量全部為負(fù)載所吸收。

在阻抗失配的情況下，傳輸線上將同時(shí)存在-射波和應(yīng)射波。

從傳輸?shù)慕嵌葋?lái)說(shuō)，總是竭力避免阻抗失配現(xiàn)象的出現(xiàn)，因?yàn)榉瓷洳ǖ某霈F(xiàn)，意味著遞送到傳輸線終端的功率不能全部為負(fù)載所吸收，降低了傳輸效率；在輸送功率較高的情況下，電壓或電流的波腹有可能損壞傳輸線的介質(zhì)；而且傳輸線始端的輸入阻抗隨頻率而變化，輸送多頻信號(hào)時(shí)，將因機(jī)、線阻抗難于匹配而出現(xiàn)失真。

阻抗匹配的程度常用電壓反射系數(shù)來(lái)衡量。

阻抗不匹配有什么后果

阻抗不匹配的后果有很多，主要舉例說(shuō)明一下阻抗不匹配在數(shù)字電路中產(chǎn)生的后果。

1、數(shù)字信號(hào)在接收器件的輸入端和發(fā)送器件的輸出端來(lái)回反射。反射的信號(hào)在兩邊來(lái)回反彈直至最終完全被電阻所吸收。

2、反射信號(hào)引入振鈴信號(hào)沿著走線傳播。振鈴影響了信號(hào)的電壓和時(shí)序，并嚴(yán)重影響了信號(hào)質(zhì)量。

3、一個(gè)不匹配的信號(hào)通路會(huì)導(dǎo)致信號(hào)輻射到環(huán)境中去。

由于阻抗不匹配產(chǎn)生的問(wèn)題可以通過(guò)使用終端來(lái)減少。終端通常是一個(gè)或兩個(gè)放置在信號(hào)線接收器附近的分立元件。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，終端是一個(gè)低值的串連電阻。

終端抑制了信號(hào)的上升時(shí)間，并吸收了部分反射能源。特別是要注意到，終端并不能完全消除由于阻抗不匹配而產(chǎn)生的破壞性的影響。但是通過(guò)仔細(xì)選擇的配置和元件的值，一個(gè)終端可以非常有效地控制了信號(hào)完整性的效果。

并非所有的信號(hào)線都需要阻抗控制。一些標(biāo)準(zhǔn)，如Compact PCI需要特定的走線阻抗和（或）終端電阻。通過(guò)制訂阻抗的要求，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)減少反射，振鈴和信號(hào)線的輻射是相當(dāng)有效的。

其他標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)阻抗控制有具體的要求，留給設(shè)計(jì)者決定是否需要加阻抗控制。而決定的結(jié)果隨設(shè)計(jì)的不同而不同，但它往往取決于信號(hào)線的長(zhǎng)度（信號(hào)線延遲Td）和信號(hào)的上升時(shí)間（ Tr）。一個(gè)經(jīng)常使用的規(guī)則是，當(dāng)Td大于Tr的1/6的時(shí)候就對(duì)阻抗控制有要求了。

阻抗不匹配對(duì)信號(hào)影響

阻抗不匹配信號(hào)會(huì)出現(xiàn)很多諧波，阻抗匹配概念很廣，但是從你說(shuō)產(chǎn)生諧波的角度來(lái)說(shuō)，我認(rèn)為你是想知道高速信號(hào)鏈阻抗匹配的概念的，論述如下。

1、無(wú)論是什么頻率的信號(hào)，收發(fā)兩端阻抗匹配都會(huì)使得下一級(jí)接收到最大功率，這是顯然的。

2、對(duì)于低頻信號(hào)，阻抗匹配的概念用處不大。這些我親自側(cè)過(guò)，只要上下級(jí)的負(fù)載均在彼此的適配范圍內(nèi)，毫無(wú)壓力，信號(hào)會(huì)完好無(wú)損，不用考慮太多。

3、對(duì)于高頻信號(hào)，由于信號(hào)頻率升高之后，各類(lèi)元件的高頻效應(yīng)顯現(xiàn)，各類(lèi)元件開(kāi)始表現(xiàn)出頻率響應(yīng)，甚至局部會(huì)出現(xiàn)諧振。一方面，信號(hào)的諧波是普遍存在的，只是功率和信號(hào)相比非常小，有時(shí)元件的頻率響應(yīng)會(huì)對(duì)信號(hào)的某次諧波產(chǎn)生諧振效應(yīng)，從而將一部分諧波能量放大，產(chǎn)生給類(lèi)諧波。另一方面，由于元件在高頻會(huì)出現(xiàn)頻響的非線性，這回導(dǎo)致各類(lèi)諧波甚至加減諧波的出現(xiàn)。阻抗匹配可以使得前后級(jí)的阻抗為純阻性（消除了電抗的影響），使得信號(hào)能夠無(wú)損傳輸。

4、對(duì)于射頻甚至微波信號(hào)，電路信號(hào)根本就不是集總的，需要通過(guò)偏微分方程（而非常微分方程）來(lái)描述。這時(shí)，元器件的尺寸會(huì)徹底改變?cè)骷念l響，必須要進(jìn)行阻抗匹配，因?yàn)槟呐率沁B線的尺寸都會(huì)使得聯(lián)線表現(xiàn)出電抗特性，且沒(méi)點(diǎn)電抗特性不同。否則即使在理想狀態(tài)下，也會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，使得信號(hào)鏈路上出現(xiàn)各類(lèi)諧波。

5、綜上，阻抗匹配在低頻時(shí)意義不大，但高頻到射頻上非常有必要；另外，阻抗匹配是作為一個(gè)電子工程師應(yīng)該有的必備素養(yǎng)，很多時(shí)候哪怕是不必要的，也應(yīng)該腦袋里時(shí)刻記著這么個(gè)事情，這是近些年來(lái)電賽模擬部分的一個(gè)考察點(diǎn)。 低頻時(shí)，關(guān)心的是傳輸?shù)牟ㄐ?；高頻甚至射頻時(shí)，同時(shí)也要關(guān)心傳遞的功率。