输入阻抗与输出阻抗的功能及区别详解

有关输入阻抗与输出阻抗的功能及区别，输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗，输出阻抗就是一个信号源的内阻，阻抗匹配是指信号源或传输线跟负载间的一种合适的搭配方式。

输入阻抗与输出阻抗

一、输入阻抗

输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗，在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。

输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样，它反映了对电流阻碍作用的大小.对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响;而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。

因此，可以认为：如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好；如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好。

注：只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题。另外，在获取最大输出功率时，也要考虑阻抗匹配的问题。

二、输出阻抗

无论信号源或放大器还有电源，都有输出阻抗的问题。

输出阻抗就是一个信号源的内阻。

本来，对于一个理想的电压源(包括电源)，内阻应该为0，或理想电流源的阻抗应当为无穷大。输出阻抗在电路设计时，需要特别注意。但现实中的电压源，则不能做到这一点。

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)的内阻了。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。

这将导致电源输出电压的下降，从而限制了最大输出功率(关于为什么会限制最大输出功率，请看后面的“阻抗匹配”一问)。同样，一个理想的电流源，输出阻抗应是无穷大，但实际的电路是不可能的。

三、阻抗匹配

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式，将阻抗匹配分为低频和高频二种情况分开讨论。

先从直流电压源驱动一个负载入手，由于实际的电压源，总是有内阻的(请参看输出阻抗一问)，可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型.假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为:I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大.负载R上的电压为：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。

再来计算一下电阻R消耗的功率为：

P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)

=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]

=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的.注意式中[(R-r)2/R]，当R=r时，[(R-r)2/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r).即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。

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的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共扼匹配。

在低频电路中，一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑(可以这么理解:因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的)。

从以上分析，结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R;如果需要输出电压大，则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。

有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。

在高频电路中，还必须考虑反射的问题.当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。

如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即不匹配)时，在负载端就会产生反射。来源：www.dgjs123.com

为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。

传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。

例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆.另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上比较常见，用来做八木天线的馈线.因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω，所以300Ω的馈线将与其不能匹配。

实际中是如何解决这个问题的呢?不知道大家有没有留意到，电视机的附件中，有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器(一个塑料封装的，一端有一个圆形的插头的那个东东，大概有两个大拇指那么大).它里面其实就是一个传输线变压器，将300Ω的阻抗，变换成75Ω的，这样就可以匹配起来了。这里强调一点，特性阻抗跟通常理解的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关，也不能通过使用欧姆表来测量。

为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配，如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢？如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成驻波(简单的理解，就是有些地方信号强，有些地方信号弱)，导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。

当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配？

第一，可以考虑使用变压器来做阻抗转换，就像上面所说的电视机中的例子一样。

第二，可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用。

第三，可以考虑使用串联/并联电阻的办法。

一些驱动器的阻抗比较低，可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配，例如高速信号线，有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高，可以使用并联电阻的方法，来跟传输线匹配，例如，485总线接收器，常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。

为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题，举两个例子：假设你在练习拳击——打沙包。来自：电工天下

如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包，你打上去会感觉很舒服.但是，如果哪一天我把沙包做了手脚，例如换成了铁沙，还是用以前的力打上去，手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况，会产生很大的反弹力。相反，如果把里面换成很轻很轻的东西，一出拳可能会扑空，手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况。

另一个例子：就是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以为还有楼梯时，就会出现“负载不匹配”这样的感觉了。当然，可能这个例子不太恰当，但可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。

前置放大器的输入级阻抗为什么要高，提高阻抗有哪些办法?

输入阻抗高，表示该电路吸收的电源(或前一级电路的输出)功率小，电源或前级就能带动更多的负荷。对于测量电路，如电子电压表、示波器等，就要求很高的输入阻抗，以便接入仪表后，对被测电路的影响尽可能地小。

提高方法：(1)场效应管，输入阻抗自然高了。(2)用自举接法提高输入阻抗。(3)采用共集放大电路，三极管放大电路输入级一般接成共集方式。

理想状态下，电压驱动的后级电路从前级只吸取电压，没有电流，也就不吸取功率，对前级来说，几乎是空载，所以阻抗越大，越容易驱动。

实际上后级输入阻抗只能接近无穷大，像真空管或者CMOS器件输入可以做到GΩ级别，从前级吸取电流及其微小。

如场效应管，属于电压驱动型，由其构成的电路，就是电压驱动型的电路，因为其输入阻抗很大，以至于其输入电流可以忽略，那么功耗也就忽略了；而三极管则属于电流驱动型，由其构成的电路，就是电流驱动型的电路，因为其需要注入电流才能工作，尽管其输入阻抗比较小，仍然产生一定的功耗。

个人理解：所谓输入阻抗主要考虑的是电路本身消耗的功率(可以理解为无意义的损耗)，对于电压驱动电路来讲，阻抗越大，电流越小，P=I*I*R，也越小，电流驱动电路来讲，阻抗越小，P=I*I*R，也越小，消耗功率小，这样对于后级电路，可以输出更大的功率了。