阻抗匹配電路在電子測量儀器前端模擬通道中的應用

唐金元，王翠珍，于 潞

（海軍航空工程學院青島分院，山東 青島 266041）

0 引 言

隨著電子技術的不斷發展，電子測量在工程應用中的作用越來越重要。電子測量儀器作為實現電子測量的基本工具，其前端模擬輸入通道性能的高低直接決定了儀器的測量范圍、測量準確度和測量靈敏度。國內外電子測量儀器生產廠商對電子測量儀器前端模擬輸入通道的設計極其重視。目前，國外電子測量儀器的測量靈敏度、測量動態范圍和測量準確度等已達到了前所未有的高度，例如，Agilent公司生產的PSA系列頻譜分析儀的測量靈敏度已達到了-169dBm（接近物理界熱噪聲極限值-173dBm），PNA網絡分析儀動態范圍高達143dB。與國外相比，目前國產電子測量儀器在前端模擬通道設計技術上尚有較大的差距。對電子測量儀器前端模擬輸入通道設計技術進行研究具有重要現實意義。

1 電子測量儀器前端模擬通道組成與功能

一套完整的電子測量系統通常由以下3部分組成[1-3]：

（1）傳感器；

（2）信息轉換、調整、濾波及驅動電路；

（3）信息處理和使用電路。

其中信息轉換、調整、濾波及驅動電路的任務是將傳感器的輸出信息轉換成便于處理的信息，也就是說不僅要將信息放大（將信息能量增強到能夠按所需要的距離進行傳輸的強度），而且還要提供該部分電路與前一環節（即傳感器）和后一環節（即信息處理和使用電路）相匹配的阻抗。

通常，電子測量系統的后兩部分構成了電子測量儀器，其中信息的轉換、調整、濾波及驅動電路構成信號的前端模擬通道，實現信號的調理，使被測量變成適合測量或滿足后端電路要求的信號。

電子測量儀器的前端模擬通道組成框圖如圖1所示。前端模擬通道的主要功能是：

（1）對輸入信號進行交/直流（AC/DC）耦合；

（2）對輸入信號進行阻抗匹配；

（3）對信號進行程控放大或衰減。

圖1 電子測量儀器前端模擬通道組成框圖

從圖1可看出，在電子測量儀器前端模擬通道中，要實現信息的正確處理與傳輸，首要任務是要實現阻抗匹配。阻抗匹配網絡和阻抗變換電路都可用來實現阻抗匹配，只是前者在實現阻抗匹配的同時，如果有需要還能同時完成信號的衰減。

2 常用阻抗匹配變換電路分析

2.1 阻抗匹配的作用

阻抗匹配的作用：（1）使信號源輸出最大功率，這種阻抗匹配稱為最大輸出功率匹配；（2）消除信號源與負載之間的反射波，保證信號傳輸質量，這種阻抗匹配稱為無反射阻抗匹配。

2.1.1 實現最大功率傳輸的條件

假設信號源內阻抗Zg=Rg+jXg（該阻抗既可以是信號源的阻抗，也可以是前一級電路的輸出阻抗），負載阻抗為ZL=RL+jXL（也可以是下一級電路的輸入阻抗），則負載得到功率[4]為

可以證明，當ZL=Zg*時，即XL=-Xg，且RL=Rg時，負載吸收（消耗）的功率最大，且最大功率為PLmax=4RL。這種阻抗關系稱為共軛阻抗匹配。

共軛匹配的典型應用是在最佳接收機（發射機）設計時，此時信號源代表天線接收到的信號，負載獲得最大功率意味著能有效地利用接收到的能量。在最佳發射機中實現發射機的輸出阻抗與天線阻抗共軛匹配，意味著發射機中能量能夠有效地傳輸到天線上發射出去。

2.1.2 實現無反射傳輸條件

當ZL=Zg時，信號源與負載阻抗匹配，此時信號源的輸出全部被負載吸收，而無反射波，這種情況稱為無反射阻抗匹配。當ZL≠Zg時，信號源與負載阻抗不匹配，不匹配負載則將一部分功率反射回去，在電路中形成駐波，能對信號源信號造成干擾。

無反射阻抗匹配主要應用是在信號的完整性傳輸過程中。要求信號不失真地進行傳輸，不能出現駐波、過沖、振蕩等現象。如果負載為純電阻，則上述2種匹配條件是一樣的。

在電子測量儀器中，其前端模擬輸入通道采用的網絡一般關心的是信號的完整性傳輸，因此，下面只討論無反射阻抗匹配。

無反射阻抗匹配電路的實現主要有2類：（1）各種阻抗匹配網絡；（2）各種具有阻抗變換功能的電路。

2.2 常用阻抗匹配網絡

實現電路阻抗匹配的方法是進行阻抗變換。阻抗變換方法有多種，其中于微波信號，一般采用傳輸線阻抗變換的方式[5-8]。這里僅對阻抗變換網絡進行分析。

2.2.1 倒L型選頻匹配網絡

倒L型網絡由2個異性電抗元件X1、X2組成，常用的 2 種電路如圖 2（a）、圖 2（b）所示。圖中，RL是負載電阻，RL′是二端網絡在工作頻率處的等效輸入電阻。通過該網絡要求將負載電阻RL變換成所需要的負載電阻 RL′，實際上就是求解 X1、X2。

只要將X2與RL的串聯形式等效變換為Xp與Rp的并聯形式，如圖 2（c）所示，將 X2與 RL的并聯形式等效變換為Xs與Rs的串聯形式，如圖2（d）所示，即可求解 X1、X2。

圖2（c）中在 X1與 Xp并聯諧振時，有

根據阻抗電路串并聯等效變換條件有

可求得

圖2 倒L網絡

選頻匹配網絡電抗值為

同理對于圖2（d）所示可以求得

可見，采用圖2（a）所示電路，可以在諧振頻率處增大負載電阻的等效值，而圖2（b）所示電路可以在諧振頻率處減小負載電阻的等效值。實際中可根據具體的阻抗變換要求進行選擇。

2.2.2 T型和Π型選頻匹配網絡

T型網絡和Π型網絡均由3個電抗元件組成（其中2個電抗元件同性質，另1個異性質），分別如圖3和圖4所示。

圖3 T型網絡

圖4 Π型網絡

為了設計阻抗匹配網絡，必須計算出網絡中各元件的數值。在阻抗匹配網絡的設計計算中，利用鏡像參數是比較方便的。

對于T型網絡和Π型網絡這樣的無源網絡，可以采用開路阻抗和短路阻抗作為網絡參數。該網絡參數分別是：

對于圖3所示的T型網絡，它的輸入、輸出阻抗和傳輸系數分別為

式中：A11，A12，A21，A22——網絡的A參數。

如已知阻抗變換前后的阻抗Zc1，Zc2和傳輸系數tanhγ，通過上式可以求出T型網路的電路參數

根據Π型網絡和T型網絡的等效變換關系（阻抗的Δ、Y型等效變換），也可以求出Π型網絡的電路參數：

需指出的是，T型和Π型網絡可以在較窄的頻率范圍內實現理想的阻抗匹配。

2.2.3 具有阻抗變換功能的電路

在圖1所示前端模擬通道的組成框圖中，阻抗變換電路介于AC/DC耦合電路和可控增益放大器之間，需要將前級電路的高輸入阻抗轉換為后級可控增益放大器的低輸入阻抗，這就要求二者之間的阻抗變換電路要具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。具有這類功能的電路有由晶體管構成的射極跟隨器、由運算放大器構成的電壓跟隨器和由場效應管構成的源極跟隨器等，如圖 5（a）、圖 5（b）、圖 5（c）所示[7，9-10]。其中圖 5（a）、圖 5（c）采用的是交流耦合方式（如果要采用直流耦合方式，只要將輸入端的電容C1去掉即可），圖5（b）為直流耦合（在輸入端加上電容C1即可變成交流耦合）。

這3種電路均具有阻抗變換的作用，它們的輸入阻抗大、輸出阻抗小，具有很強的帶負載能力，所以常常用于電子測量儀器的輸入級或放大電路的輸出級，也可以用它連接兩電路，減少電路間直接相連所帶來的影響，起緩沖作用。其中，源極電壓跟隨器的輸入阻抗大于射極電壓跟隨器的輸入阻抗，二者輸出阻抗相當，運放電壓跟隨器的輸入阻抗（理想時可認為是∞）又大于源極電壓跟隨器的輸入阻抗，而輸出阻抗（理想時可認為是0）卻遠遠小于前者。在分立元件組成的電子測量儀器中，場效應管應用較多，如果測量儀器主要由集成電路組成，則運放電壓跟隨器應用較多。需注意的是場效應管容易損壞，使用時要注意保護（目前很多場效應管在制作時已在柵源極之間并聯了一個二極管以限制柵源電壓的幅值，防止被擊穿損壞）。

圖5 跟隨器匹配電路圖

在選用電壓跟隨器進行阻抗變換時，除考慮輸入阻抗、輸出阻抗的因素外，還要考慮器件的頻率特性。尤其是對高頻、高速信號進行測量時，阻抗變換電路的選擇應首先考慮器件能否滿足被測頻率特性的要求，如果不滿足，即使能實現阻抗匹配，信號的傳輸完整性也不能保證。

3 電子測量儀器前端阻抗匹配電路參數計算舉例

如要設計一電子測量儀器的前端阻抗匹配輸入網絡，該網絡接在信號源與負載之間，對頻率為1 MHz、輸出阻抗為600Ω信號源的輸出進行測量，已知該測量儀器前端網絡中所采用的放大電路輸入阻抗為1kΩ，要求測量過程中測量儀器能夠獲得最大功率，并且使得前端網絡中的放大電路輸入電流相位落后于信號源輸出電流45°。

由要求可知，為使測量儀器獲得最大測量功率，須使得阻抗匹配網絡的Zc1=600Ω，Zc2=1kΩ；為使前端網絡中的放大電路輸入電流相位落后信號源輸出電流 45°，需使阻抗匹配電路的傳輸常數 γ=jα=j45°，β=0。若阻抗匹配網絡選用T型網絡，則有

顯然Z1負載為感抗，其電感量為

顯然Z2負載也為感抗，其電感量為

Z3負載為容性負載，其電容量為

其電路結構如圖3所示。需說明的是，該阻抗匹配網絡考慮了相移要求，但是沒有考慮信號衰減量要求。實際測量儀器前端網絡不僅要求阻抗匹配，同時要求一定的相移量和衰減量，此時電路的設計方法與上述T型選頻匹配網絡相同，只是計算稍復雜些。

4 結束語

（1）阻抗匹配網絡實現是最大功率傳輸和無反射傳輸信號的最基本保證，阻抗匹配電路的設計非常重要。它不僅在測量儀器的前端模擬輸入通道中有重要的意義，在信號（無論是模擬信號還是數字信號）的完整性傳輸中也有著廣泛的應用。

（2）可以實現阻抗匹配的電路不僅有文中介紹的各種匹配網絡、匹配電路，還有采用變壓器、電容或電感分壓的阻抗匹配方式。對微波信號，一般采用傳輸線阻抗變換的方式和各種匹配器件。

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