阻抗匹配电路在电子测量仪器前端模拟通道中的应用

2011-04-26唐金元王翠珍

中国测试 2011年3期

唐金元，王翠珍，于潞

（海军航空工程学院青岛分院，山东青岛 266041）

0 引言

随着电子技术的不断发展，电子测量在工程应用中的作用越来越重要。电子测量仪器作为实现电子测量的基本工具，其前端模拟输入通道性能的高低直接决定了仪器的测量范围、测量准确度和测量灵敏度。国内外电子测量仪器生产厂商对电子测量仪器前端模拟输入通道的设计极其重视。目前，国外电子测量仪器的测量灵敏度、测量动态范围和测量准确度等已达到了前所未有的高度，例如，Agilent公司生产的PSA系列频谱分析仪的测量灵敏度已达到了-169dBm（接近物理界热噪声极限值-173dBm），PNA网络分析仪动态范围高达143dB。与国外相比，目前国产电子测量仪器在前端模拟通道设计技术上尚有较大的差距。对电子测量仪器前端模拟输入通道设计技术进行研究具有重要现实意义。

1 电子测量仪器前端模拟通道组成与功能

一套完整的电子测量系统通常由以下3部分组成[1-3]：

（1）传感器；

（2）信息转换、调整、滤波及驱动电路；

（3）信息处理和使用电路。

其中信息转换、调整、滤波及驱动电路的任务是将传感器的输出信息转换成便于处理的信息，也就是说不仅要将信息放大（将信息能量增强到能够按所需要的距离进行传输的强度），而且还要提供该部分电路与前一环节（即传感器）和后一环节（即信息处理和使用电路）相匹配的阻抗。

通常，电子测量系统的后两部分构成了电子测量仪器，其中信息的转换、调整、滤波及驱动电路构成信号的前端模拟通道，实现信号的调理，使被测量变成适合测量或满足后端电路要求的信号。

电子测量仪器的前端模拟通道组成框图如图1所示。前端模拟通道的主要功能是：

（1）对输入信号进行交/直流（AC/DC）耦合；

（2）对输入信号进行阻抗匹配；

（3）对信号进行程控放大或衰减。

图1 电子测量仪器前端模拟通道组成框图

从图1可看出，在电子测量仪器前端模拟通道中，要实现信息的正确处理与传输，首要任务是要实现阻抗匹配。阻抗匹配网络和阻抗变换电路都可用来实现阻抗匹配，只是前者在实现阻抗匹配的同时，如果有需要还能同时完成信号的衰减。

2 常用阻抗匹配变换电路分析

2.1 阻抗匹配的作用

阻抗匹配的作用：（1）使信号源输出最大功率，这种阻抗匹配称为最大输出功率匹配；（2）消除信号源与负载之间的反射波，保证信号传输质量，这种阻抗匹配称为无反射阻抗匹配。

2.1.1 实现最大功率传输的条件

假设信号源内阻抗Zg=Rg+jXg（该阻抗既可以是信号源的阻抗，也可以是前一级电路的输出阻抗），负载阻抗为ZL=RL+jXL（也可以是下一级电路的输入阻抗），则负载得到功率[4]为

可以证明，当ZL=Zg*时，即XL=-Xg，且RL=Rg时，负载吸收（消耗）的功率最大，且最大功率为PLmax=4RL。这种阻抗关系称为共轭阻抗匹配。

共轭匹配的典型应用是在最佳接收机（发射机）设计时，此时信号源代表天线接收到的信号，负载获得最大功率意味着能有效地利用接收到的能量。在最佳发射机中实现发射机的输出阻抗与天线阻抗共轭匹配，意味着发射机中能量能够有效地传输到天线上发射出去。

2.1.2 实现无反射传输条件

当ZL=Zg时，信号源与负载阻抗匹配，此时信号源的输出全部被负载吸收，而无反射波，这种情况称为无反射阻抗匹配。当ZL≠Zg时，信号源与负载阻抗不匹配，不匹配负载则将一部分功率反射回去，在电路中形成驻波，能对信号源信号造成干扰。

无反射阻抗匹配主要应用是在信号的完整性传输过程中。要求信号不失真地进行传输，不能出现驻波、过冲、振荡等现象。如果负载为纯电阻，则上述2种匹配条件是一样的。

在电子测量仪器中，其前端模拟输入通道采用的网络一般关心的是信号的完整性传输，因此，下面只讨论无反射阻抗匹配。

无反射阻抗匹配电路的实现主要有2类：（1）各种阻抗匹配网络；（2）各种具有阻抗变换功能的电路。

2.2 常用阻抗匹配网络

实现电路阻抗匹配的方法是进行阻抗变换。阻抗变换方法有多种，其中于微波信号，一般采用传输线阻抗变换的方式[5-8]。这里仅对阻抗变换网络进行分析。

2.2.1 倒L型选频匹配网络

倒L型网络由2个异性电抗元件X1、X2组成，常用的 2 种电路如图 2（a）、图 2（b）所示。图中，RL是负载电阻，RL′是二端网络在工作频率处的等效输入电阻。通过该网络要求将负载电阻RL变换成所需要的负载电阻 RL′，实际上就是求解 X1、X2。

只要将X2与RL的串联形式等效变换为Xp与Rp的并联形式，如图 2（c）所示，将 X2与 RL的并联形式等效变换为Xs与Rs的串联形式，如图2（d）所示，即可求解 X1、X2。

图2（c）中在 X1与 Xp并联谐振时，有

根据阻抗电路串并联等效变换条件有

可求得

图2 倒L网络

选频匹配网络电抗值为

同理对于图2（d）所示可以求得

可见，采用图2（a）所示电路，可以在谐振频率处增大负载电阻的等效值，而图2（b）所示电路可以在谐振频率处减小负载电阻的等效值。实际中可根据具体的阻抗变换要求进行选择。

2.2.2 T型和Π型选频匹配网络

T型网络和Π型网络均由3个电抗元件组成（其中2个电抗元件同性质，另1个异性质），分别如图3和图4所示。

图3 T型网络

图4 Π型网络

为了设计阻抗匹配网络，必须计算出网络中各元件的数值。在阻抗匹配网络的设计计算中，利用镜像参数是比较方便的。

对于T型网络和Π型网络这样的无源网络，可以采用开路阻抗和短路阻抗作为网络参数。该网络参数分别是：

对于图3所示的T型网络，它的输入、输出阻抗和传输系数分别为

式中：A11，A12，A21，A22——网络的A参数。

如已知阻抗变换前后的阻抗Zc1，Zc2和传输系数tanhγ，通过上式可以求出T型网路的电路参数

根据Π型网络和T型网络的等效变换关系（阻抗的Δ、Y型等效变换），也可以求出Π型网络的电路参数：

需指出的是，T型和Π型网络可以在较窄的频率范围内实现理想的阻抗匹配。

2.2.3 具有阻抗变换功能的电路

在图1所示前端模拟通道的组成框图中，阻抗变换电路介于AC/DC耦合电路和可控增益放大器之间，需要将前级电路的高输入阻抗转换为后级可控增益放大器的低输入阻抗，这就要求二者之间的阻抗变换电路要具有高输入阻抗和低输出阻抗。具有这类功能的电路有由晶体管构成的射极跟随器、由运算放大器构成的电压跟随器和由场效应管构成的源极跟随器等，如图 5（a）、图 5（b）、图 5（c）所示[7，9-10]。其中图 5（a）、图 5（c）采用的是交流耦合方式（如果要采用直流耦合方式，只要将输入端的电容C1去掉即可），图5（b）为直流耦合（在输入端加上电容C1即可变成交流耦合）。

这3种电路均具有阻抗变换的作用，它们的输入阻抗大、输出阻抗小，具有很强的带负载能力，所以常常用于电子测量仪器的输入级或放大电路的输出级，也可以用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。其中，源极电压跟随器的输入阻抗大于射极电压跟随器的输入阻抗，二者输出阻抗相当，运放电压跟随器的输入阻抗（理想时可认为是∞）又大于源极电压跟随器的输入阻抗，而输出阻抗（理想时可认为是0）却远远小于前者。在分立元件组成的电子测量仪器中，场效应管应用较多，如果测量仪器主要由集成电路组成，则运放电压跟随器应用较多。需注意的是场效应管容易损坏，使用时要注意保护（目前很多场效应管在制作时已在栅源极之间并联了一个二极管以限制栅源电压的幅值，防止被击穿损坏）。

图5 跟随器匹配电路图

在选用电压跟随器进行阻抗变换时，除考虑输入阻抗、输出阻抗的因素外，还要考虑器件的频率特性。尤其是对高频、高速信号进行测量时，阻抗变换电路的选择应首先考虑器件能否满足被测频率特性的要求，如果不满足，即使能实现阻抗匹配，信号的传输完整性也不能保证。

3 电子测量仪器前端阻抗匹配电路参数计算举例

如要设计一电子测量仪器的前端阻抗匹配输入网络，该网络接在信号源与负载之间，对频率为1 MHz、输出阻抗为600Ω信号源的输出进行测量，已知该测量仪器前端网络中所采用的放大电路输入阻抗为1kΩ，要求测量过程中测量仪器能够获得最大功率，并且使得前端网络中的放大电路输入电流相位落后于信号源输出电流45°。

由要求可知，为使测量仪器获得最大测量功率，须使得阻抗匹配网络的Zc1=600Ω，Zc2=1kΩ；为使前端网络中的放大电路输入电流相位落后信号源输出电流 45°，需使阻抗匹配电路的传输常数 γ=jα=j45°，β=0。若阻抗匹配网络选用T型网络，则有