阻抗匹配原理

抗匹配是無線電技術(shù)中常見的一種工作狀態(tài)，它反映了輸人電路與輸出電路之間的功率傳輸關(guān)系。當(dāng)電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配時(shí)，將獲得最大的功率傳輸。反之，當(dāng)電路阻抗失配時(shí)，不但得不到最大的功率傳輸，還可能對(duì)電路產(chǎn)生損害。阻抗匹配常見于各級(jí)放大電路之間、放大器與負(fù)載之間、測量儀器與被測電路之間、天線與接收機(jī)或發(fā)信機(jī)與天線之間，等等。例如，擴(kuò)音機(jī)的輸出電路與揚(yáng)聲器之間必須做到阻抗匹配，不匹配時(shí)，擴(kuò)音機(jī)的輸出功率將不能全部送至揚(yáng)聲器。如果揚(yáng)聲器的阻抗遠(yuǎn)小于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗，擴(kuò)音機(jī)就處于過載狀態(tài)，其末級(jí)功率放大管很容易損壞。

反之，如果揚(yáng)聲器的阻抗高于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗過多，會(huì)引起輸出電壓升高，同樣不利于擴(kuò)，音機(jī)的工作，聲音還會(huì)產(chǎn)生失真。因此擴(kuò)音機(jī)電路的輸出阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗越接近越好。又例如，無線電發(fā)信機(jī)的輸出阻抗與饋線的阻抗、饋線與天線的阻抗也應(yīng)達(dá)到一致。如果阻抗值不一致，發(fā)信機(jī)輸出的高頻能量將不能全部由天線發(fā)射出去。這部分沒有發(fā)射出去的能量會(huì)反射回來，產(chǎn)生駐波，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起饋線的絕緣層及發(fā)信機(jī)末級(jí)功放管的損壞。為了使信號(hào)和能量有效地傳輸，必須使電路工作在阻抗匹配狀態(tài)，即信號(hào)源或功率源的內(nèi)阻等于電路的輸人阻抗，電路的輸出阻抗等于負(fù)載的阻抗。在一般的輸人、輸出電路中常含有電阻、電容和電感元件，由它們所組成的電路稱為電抗電路，其中只含有電阻的電路稱為純電阻電路。下面對(duì)純電阻電路和電抗電路的阻抗匹配問題分別進(jìn)行簡要的分析。

1．純電阻電路

在中學(xué)物理電學(xué)中曾講述這樣一個(gè)問題：把一個(gè)電阻為R的用電器，接在一個(gè)電動(dòng)勢為E、內(nèi)阻為r的電池組上（見圖1），在什么條件下電源輸出的功率最大呢？當(dāng)外電阻等于內(nèi)電阻時(shí)，電源對(duì)外電路輸出的功率最大，這就是純電阻電路的功率匹配。假如換成交流電路，同樣也必須滿足R=r這個(gè)條件電路才能匹配。

2．電抗電路

電抗電路要比純電阻電路復(fù)雜，電路中除了電阻外還有電容和電感。元件，并工作于低頻或高頻交流電路。在交流電路中，電阻、電容和電感對(duì)交流電的阻礙作用叫阻抗，用字母Z表示。其中，電容和電感對(duì)交流電的阻礙作用，分別稱為容抗及和感抗而。容抗和感抗的值除了與電容和電感本身大小有關(guān)之外，還與所工作的交流電的頻率有關(guān)。值得注意的是，在電抗電路中，電阻R，感抗而與容抗雙的值不能用簡單的算術(shù)相加，而常用阻抗三角形法來計(jì)算（見圖 2）。因而電抗電路要做到匹配比純電阻電路要復(fù)雜一些，除了輸人和輸出電路中的電阻成分要求相等外，還要求電抗成分大小相等符號(hào)相反（共軛匹配）；或者電阻成分和電抗成分均分別相等（無反射匹配）。這里指的電抗X即感抗XL和容抗XC之差（僅指串聯(lián)電路來講，若并聯(lián)電路

則計(jì)算更為復(fù)雜）。滿足上述條件即稱為阻抗匹配，負(fù)載即能得到最大的功率．阻抗匹配的關(guān)鍵是前級(jí)的輸出阻抗與后級(jí)的輸人阻抗相等。而輸人阻抗與輸出阻抗廣泛存在于各級(jí)電子電路、各類測量儀器及各種電子元器件中。那么什么是輸人阻抗和輸出阻抗呢？輸人阻抗是指電路對(duì)著信號(hào)源講的阻抗。如圖3所示的放大器，它的輸人阻抗就是去掉信號(hào)源E及內(nèi)電阻r時(shí)，從AB兩端看進(jìn)去的等效阻抗。其值為Z=UI／I1，即輸人電壓與輸人電流之比。對(duì)于信號(hào)源來講，放大器成為其負(fù)載。從數(shù)值上看，放大器的等效負(fù)載值即為輸人阻抗值。輸人阻抗值的大小，對(duì)于不同的電路要求不一樣。

例如：萬用表中電壓擋的輸人阻抗（稱為電壓靈敏度）越高，對(duì)被測電路的分流就越小，測量誤差也就小。而電流擋的輸人阻抗越低，對(duì)被測電路的分壓就越小，因而測量誤差也越小。對(duì)于功率放大器，當(dāng)信號(hào)源的輸出阻抗與放大電路的輸人阻抗相等時(shí)即稱阻抗匹配，這時(shí)放大電路就能在輸出端獲得最大功率。輸出阻抗是指電路對(duì)著負(fù)載講的阻抗。

將電路輸人端的電源短路，輸出端去掉負(fù)載后，從輸出端CD看進(jìn)去的等效阻抗稱為輸出阻抗。如果負(fù)載阻抗與輸出阻抗不相等，稱阻抗不匹配，負(fù)載就不能獲得最大的功率輸出。輸出電壓U2和輸出電流I2之比即稱為輸出阻抗。輸出阻抗的大小視不同的電路有不同的要求。例如：電壓源要求輸出阻抗要低，而電流源的輸出阻抗要高。對(duì)于放大電路來講，輸出阻抗的值表示其承擔(dān)負(fù)載的能力。通常輸出阻抗小，承擔(dān)負(fù)載的能力就強(qiáng)。如果輸出阻抗與負(fù)載不能匹配時(shí)，可加接變壓器或網(wǎng)絡(luò)電路來達(dá)到匹配。

例如：晶體管放大器與揚(yáng)聲器之間通常接有輸出變壓器，放大器的輸出阻抗與變壓器的初級(jí)阻抗相匹配，變壓器的次級(jí)阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗相匹配。而變壓器通過初次級(jí)繞組的匝數(shù)比來變換阻抗比。在實(shí)際的電子電路中，常會(huì)遇到信號(hào)源與放大電路或放大電路與負(fù)載的阻抗不相等的情況，因而不能把它們直接相連。解決的辦法是在它們之間加人一個(gè)匹配電路或匹配網(wǎng)絡(luò)。最后要說明一點(diǎn)，阻抗匹配僅適用于電子電路。因?yàn)殡娮与娐分袀鬏數(shù)男盘?hào)功率本身較弱，需用匹配來提高輸出功率。而在電工電路中一般不考慮匹配，否則會(huì)導(dǎo)致輸出電流過大，損壞用電器。

電子管

基本電子管一般有三個(gè)極，一個(gè)陰極（K）用來發(fā)射電子，一個(gè)陽極（A）用來吸收陰極所發(fā)射的電子，一個(gè)柵極（G）用來控制流到陽極的電子流量。陰極發(fā)射電子的基本條件是：陰極本身必須具有相當(dāng)?shù)臒崃浚帢O又分兩種，一種是直熱式，它是由電流直接通過陰極使陰極發(fā)熱而發(fā)射電子;另一種稱旁熱式陰極，其結(jié)構(gòu)一般是一個(gè)空心金屬管，管內(nèi)裝有繞成螺線形的燈絲，加上燈絲電壓使燈絲發(fā)熱從而使陰極發(fā)熱而發(fā)射電子，現(xiàn)在日常用的多半是這種電子管（如圖所示）。由陰極發(fā)射出來的電子穿過柵極金屬絲間的空隙而達(dá)到陽極，由于柵極比陽極離陰極近得多，因而改變柵極電位對(duì)陽極電流的影響比改變陽極電壓時(shí)大得多，這就是三極管的放大作用。換句話說就是柵極電壓對(duì)陽極電流的控制作用。我們用一個(gè)參數(shù)稱跨導(dǎo)（S）來表示。另外還有一個(gè)參數(shù)μ來描述電子管的放大系數(shù)，它的意義是說明了柵極電壓控制陽流的能力比陽極電壓對(duì)陽流的作用大多少倍。

為了提高電子管的放大系數(shù)，在三極管的陽極和控制柵極之間另外加入一個(gè)柵極稱之為簾柵極，而構(gòu)成四極管，由于簾柵極具有比陰極高很多的正電壓，因此也是一個(gè)能力很強(qiáng)的加速電極，它使得電子以更高的速度迅速到達(dá)陽極，這樣控制柵極的控制作用變得更為顯著。因此比三極管具有更大的放大系數(shù)。但是由于簾柵極對(duì)電子的加速作用，高速運(yùn)動(dòng)的電子打到陽極，這些高速電子的動(dòng)能很大，將從陽極上打出所謂二次電子，這些二次電子有些將被簾柵吸收形成簾柵電流，使簾柵電流上升這會(huì)導(dǎo)致簾柵電壓的下降，從而導(dǎo)致陽極電流的下降，為此四極管的放大系數(shù)受到一定而限制。

為了解決上述矛盾，在四極管簾柵極外的兩側(cè)再加入一對(duì)與陰極相連的集射極，由于集射極的電位與陰極相同，所以對(duì)電子有排斥作用，使得電子在通過簾柵極之后在集射極的作用下按一定方向前進(jìn)并形成扁形射束，這扁形電子射束的電子密度很大，從而形成了一個(gè)低壓區(qū)，從陽極上打出來的二次電子受到這個(gè)低壓區(qū)的排斥作用而被推回到陽極，從而使簾柵電流大大減少，電子管的放大能力得而加強(qiáng)。這種電子管我們稱為束射四極管，束射四極管不但放大系數(shù)較三極管為高，而且其陽極面積較大，允許通過較大的電流，因此現(xiàn)在的功放機(jī)常用到它作為功率放大。

電子電路中的反饋電路

反饋電路在各種電子電路中都獲得普遍的應(yīng)用，反饋是將放大器輸出信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部，回授到放大器輸入端與輸入信號(hào)進(jìn)行比較（相加或相減），并用比較所得的有效輸入信號(hào)去控制輸出，這就是放大器的反饋過程。凡是回授到放大器輸入端的反饋信號(hào)起加強(qiáng)輸入原輸入信號(hào)的，使輸入信號(hào)增加的稱正反饋。反之則反。按其電路結(jié)構(gòu)又分為：電流反饋電路和電壓反饋電路。正反饋電路多應(yīng)用在電子振蕩電路上，而負(fù)反饋電路則多應(yīng)用在各種高低頻放大電路上。因應(yīng)用較廣，所以我們?cè)谶@里就負(fù)反饋電路加以論述。負(fù)反饋對(duì)放大器性能有四種影響：

1.負(fù)反饋能提高放大器增益的穩(wěn)定性。

2.負(fù)反饋能使放大器的通頻帶展寬。

3.負(fù)反饋能減少放大器的失真。

4.負(fù)反饋能提高放大器的信噪比。

5.負(fù)反饋對(duì)放大器的輸出輸入電阻有影響。

圖F1是一種最基本的放大器電路，這個(gè)電路看上去很簡單，但其實(shí)其中包含了直流電流負(fù)反饋電路和交流電壓負(fù)反饋電路。圖中的R1和R2為BG的直流偏置電阻，R3是放大器的負(fù)載電阻，R5是直流電流負(fù)反饋電阻，C2和R4組成的支路是交流電壓負(fù)反饋支路，C3是交流旁路電容，它防止交流電流負(fù)反饋的產(chǎn)生。

一。直流電流負(fù)反饋電路。

晶體管BG的基極電壓VB為R1和R2的分壓值，BG發(fā)射極的電壓VE為Ie*R5那么BG的B、E間的電壓=VB-VE=VB-Ie*R5.當(dāng)某種原因（如溫度變化）引起B(yǎng)G的Ie ↑則VE↑，BG基發(fā)極的電壓=VB-VE=VB-Ie*R5↓這樣使Ie↓。使直流工作點(diǎn)獲得穩(wěn)定。這個(gè)負(fù)反饋過程是由于Ie↑所引起的，所以屬于電流負(fù)反饋電路。其中發(fā)射極電容C3是提供交流通路的，因?yàn)槿绻麤]有C3，放大器工作時(shí)交流信號(hào)同樣因R5的存在而形成負(fù)反饋?zhàn)饔茫狗糯笃鞯姆糯笙禂?shù)大打折扣。

二。交流電壓負(fù)反饋電路

交流電壓負(fù)反饋支路由R4，C4組成，輸出電壓經(jīng)過這條支路反饋回輸入端。由于放大器的輸出端的信號(hào)與輸入信號(hào)電壓在相位上是互為反相的，所以由于反饋信號(hào)的引入削弱了原輸入信號(hào)的作用。所以是電壓負(fù)反饋電路.R4是控制著負(fù)反饋量的大小，C4起隔直流通交流的作用。當(dāng)輸入的交流信號(hào)幅值過大時(shí)，如果沒有R4和C4的負(fù)反饋支路，放大器就會(huì)進(jìn)入飽和或截止的狀態(tài)，使輸出信號(hào)出現(xiàn)削頂失真。由于引入了負(fù)反饋使輸入交流信號(hào)幅值受到控制，所以避免了失真的產(chǎn)生。

阻抗匹配的基本原理

右圖中R為負(fù)載電阻，r為電源E的內(nèi)阻，E為電壓源。由于r的存在，當(dāng)R很大時(shí)，電路接近開路狀態(tài)；而當(dāng)R很少時(shí)接近短路狀態(tài)。顯然負(fù)載在開路及短路狀態(tài)都不能獲得最大功率。根據(jù)式：

從上式可看出，當(dāng)R=r時(shí)式中的 式中分母中的（R-r）的值最小為0，此時(shí)負(fù)載所獲取的功率最大。所以，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，負(fù)載將獲得最大功率。這就是電子電路阻抗匹配的基本原理。

串，并聯(lián)諧振電路的特性

一。串聯(lián)諧振電路：當(dāng)外來頻率加于一串聯(lián)諧振電路時(shí)，它有以下特性：

1.當(dāng)外加頻率等于其諧振頻率時(shí)其電路阻抗呈純電阻性，且有最少值，它這個(gè)特性在實(shí)際應(yīng)用中叫做陷波器。

2.當(dāng)外加頻率高于其諧振頻率時(shí)，電路阻抗呈感性，相當(dāng)于一個(gè)電感線圈。

3.當(dāng)外加頻率低于其諧振頻率時(shí)，這時(shí)電路呈容性，相當(dāng)于一個(gè)電容。

二。并;聯(lián)諧振電路：當(dāng)外來頻率加于一并聯(lián)諧振電路時(shí)，它有以下特性：

1.當(dāng)外加頻率等于其諧振頻率時(shí)其電路阻抗呈純電阻性，且有最大值，它這個(gè)特性在實(shí)際應(yīng)用中叫做選頻電路。

2.當(dāng)外加頻率高于其諧振頻率時(shí)，電路阻抗呈容性，相當(dāng)于一個(gè)電容。

3.當(dāng)外加頻率低于其諧振頻率時(shí)，這時(shí)電路呈感性，相當(dāng)于一個(gè)電感線圈。

所以當(dāng)串聯(lián)或并聯(lián)諧振電路不是調(diào)節(jié)在信號(hào)頻率點(diǎn)時(shí)，信號(hào)通過它將會(huì)產(chǎn)生相移。（即相位失真）

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