阻抗

首先，什么是阻抗。在電學中，常把對電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，是一個復數Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。具體說來阻抗可分為兩部分，電阻（實部）和電抗（虛部）。其中電抗又包括容抗和感抗，由電容引起的電流阻礙稱為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。

說明：負載是電阻、電感的感抗、電容的容抗三種類型的復物，復合后統稱“阻抗”，寫成數學公式即是Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。其中R為電阻，ωL為感抗，1/(ωC)為容抗。

如果( ωL–1/ωC）>0，稱為“感性負載”；

反之，如果( ωL–1/ωC）<0，稱為“容性負載”。

圖1 復數表示方法

輸入阻抗

輸入阻抗是指一個電路輸入端的等效阻抗。在輸入端加上一個電壓源U，測量輸入端的電流I，則輸入阻抗R就是U/I。你可以把輸入端想象成一個電阻的兩端，這個電阻的阻值就是輸入阻抗。輸入阻抗跟一個普通的電抗元件沒什么兩樣，它反映了對電流阻礙作用的大小。

對于電壓驅動的電路，輸入阻抗越大，則對電壓源的負載就越輕，因而就越容易驅動，也不會對信號源有影響；而對于電流驅動型的電路，輸入阻抗越小，則對電流源的負載就越輕。

因此，我們可以這樣認為：如果用電壓源來驅動的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來驅動的，則阻抗越小越好（注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問題）。另外如果要獲取最大輸出功率時，也要考慮阻抗匹配問題。

輸出阻抗

無論信號源或放大器還要電源，都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個信號源的內阻。本來，對于一個理想的電壓源（包括電源），內阻應該為0，或理想電流源的阻抗應當為無窮大。

但在現實中的電源，則不能做到這一點。我們常用一個理想電壓源串聯一個電阻R的方式來等效一個實際的電壓源。這個跟理想電壓源串聯的電阻r，就是（信號源或放大器還要電源）的內阻了。

當這個電壓源給負載供電時，就會有電流I從這個負載上流過，并在這個電阻上產生I*R的壓降。這將導致電源輸出電壓的下降，從而限制了最大輸出功率。同樣的1，一個理想的電流源，輸出阻抗應該是無窮大，但實際的電路是不可能的。

阻抗匹配

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。阻抗匹配的目的是確保能實現信號或能量從“信號源”到“負載”的有效傳送，其主要有兩點作用，調整負載功率和抑制信號反射。

調整負載功率

假定激勵源已定，那么負載的功率由兩者的阻抗匹配度決定。對于一個理想化的純電阻電路或者低頻電路，由電感、電容引起的電抗值基本可以忽略，此時電路的阻抗來源主要為電阻。如圖2所示，電路中電流I=U/(r+R)，負載功率P=I*I*R。由以上兩個方程可得當R=r是P取得最大值，Pmax=U*U/(4r).

圖2 負載功率調整

抑制信號反射

當一束光從空氣射向水中時會發生反射，這是因為光和水的光導特性不同。同樣，當信號傳輸中如果傳輸線上發生特性阻抗突變也會發生反射。波長與頻率成反比，低頻信號的波長遠遠大于傳輸線的長度，因此一般不用考慮反射問題。高頻領域，當信號的波長與傳輸線長處于相同量級時反射的信號易與原信號混疊，影響信號質量，通過阻抗匹配可有效減少、消除高頻信號反射。

圖3 正常信號

圖4 異常信號（反射引起超調）

其最理想模型當然是希望Source端的輸出阻抗為50歐姆，傳輸線的阻抗為50歐姆，Load端的輸入阻抗也是50歐姆，一路50歐姆下去，這是最理想的。

然而實際情況是：源端阻抗不會是50歐姆，負載端阻抗也不會是50歐姆，這個時候就需要若干個阻抗匹配電路，而匹配電路就是由電感和電容所構成，這個時候我們就需要使用電容和電感來進行阻抗匹配電路調試，以達到RF性能最優。

阻抗匹配的方法主要有兩個，一是改變阻抗力，二是調整傳輸線。

改變阻抗力就是通過電容、電感與負載的串并聯調整負載阻抗值，以達到源和負載阻抗匹配。

調整傳輸線是加長源和負載間的距離，配合電容和電感把阻抗力調整為零。

此時信號不會發生發射，能量都能被負載吸收。

高速PCB布線中，一般把數字信號的走線阻抗設計為50歐姆。一般規定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對絞線（差分）為85-100歐姆。

阻抗不匹配有什么后果

如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢？

1.如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；
2.如果不匹配，會在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱），導致傳輸線的有效功率容量降低；
3.如果不匹配，功率反射不出去，甚至會損壞反射設備；
4.如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時，會產生震蕩，輻射干擾等。

阻抗匹配應用

對于一般的高頻信號領域，比如時鐘信號、總線信號，甚至高達幾百兆的DDR信號等，一般器件的收發端的感抗和容抗都比較小，相對電阻（即阻抗中的虛部）來說可以忽略不記，這時，阻抗匹配就只需要考慮實數部分就可以了。

在射頻領域，很多器件如天線，功放等其他輸入輸出阻抗是非實數的（非純電阻），并且其虛部（容抗或者感抗）很大以至于不忽略，這時就要采用共軛匹配的方法。

還有其他領域也要用到阻抗匹配，比如功放與音響、PCB走線、天線設計、終端匹配電阻等等。