功率放大器的阻抗匹配原理

　　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

　　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：

　　图：ATA-3090功率放大器指标参数

　　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。