ROHM课堂 | 什么是阻抗匹配？功率传输和防止信号反射的理由及原理

发布时间：2026-06-11 10:18
作者：AMEYA360
来源：ROHM
阅读量：890

　　阻抗匹配是使电路间的信号和功率实现高效传输的基本技术。从直流的最大功率传输到交流的反射和匹配，如果阻抗不匹配，就会导致天线无法充分发射电波、数字信号紊乱以及音频设备音质下降等各种问题。阻抗匹配对于RF电路(高频电路)、高速数字电路和音频设备等各类电子设备的稳定运行至关重要。本文将运用计算方法，并结合身边的实例，通俗易懂地介绍阻抗匹配的目的及其意义、基本原理和实际应用案例。

　　阻抗匹配的定义和概述

　　阻抗匹配的核心在于电路之间的匹配。通过调整信号源和负载的特性，可以提升功率传输效率，减少信号反射。就像水龙头和水管的尺寸需要匹配一样，在电路中也需要匹配“尺寸”。

ROHM课堂 | 什么是阻抗匹配？功率传输和防止信号反射的理由及原理

　　什么是阻抗匹配?

　　阻抗匹配是一种将信号源和负载的阻抗进行适当调整的技术。在电路中，当不同阻抗的器件相互连接时，会导致部分功率被反射回来，或无法实现高效传输。

　　例如，将75Ω的器件直接连接到50Ω的同轴电缆上时，由于阻抗不同，部分信号会发生反射，从而无法发挥其应有的性能。解决这一问题的正是匹配技术，它能够实现更优的功率传输和信号质量。

　　阻抗不匹配引发的问题

　　阻抗不匹配会降低电路性能，导致功率被白白消耗、信号失真、设备故障。这些问题都可能由阻抗不匹配所引起。手机电池耗电快、音频音质下降等都是生活中常见的例子。

　　功率损耗与传输效率下降

　　阻抗不匹配会增加功率损耗，导致传输效率下降。在完全不匹配的情况下，甚至可能出现功率完全无法传输的情况。因为发送出去的大部分功率要么在信号源内部以热量形式被消耗，要么因反射而返回。在RF放大器中，不匹配会导致发热增加，缩短器件寿命。

　　阻抗匹配的典型应用案例

　　阻抗匹配并非是什么特别的技术，它被广泛应用于智能手机通信、电脑处理速度和音乐播放质量等日常电子设备中。从无线通信的50Ω标准，到数字电路的端接处理以及音频的音质提升，让我们通过具体事例来理解其应用。

　　RF电路和天线(50Ω系统)

　　RF电路是处理高频信号的电路，由放大器、滤波器和混频器等器件组成。在这些RF电路中，50Ω已被确立为标准阻抗。这是作为提升同轴电缆损耗与功率处理能力两者之间平衡的结果而被选定的。通过将RF放大器的输入输出、天线和电缆全部统一为50Ω，可以提升整个系统的效率。

　　RF放大器的设计示例

　　在900MHz频段的RF放大器设计中，可按以下步骤进行：

　　1. 输入匹配：将来自天线的50Ω信号与放大器的输入阻抗匹配

　　2. 输出匹配：将放大器输出与50Ω负载匹配

　　3. 确保稳定性：进行阻抗调整以防止振荡

　　测量放大器的S参数(S11、S21、S12、S22)，并使用史密斯圆图来设计匹配电路。一般通过LC组合或微带线的短截线来实现。

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　　在上一篇文章中，我们了解了传统的MOSFET驱动方法，这也是了解主题中的驱动器源极引脚效果的前提。在本文中，我们将一起了解有驱动器源极引脚的实际封装、具有驱动器源极引脚的MOSFET的工作情况和驱动器源极引脚的效果。　　有驱动器源极引脚的封装　　目前，ROHM有驱动器源极引脚的封装包括TO-247-4L和TO-263-7L两种　　作为参考，在这里给出了每种封装的外形尺寸和结构。　　TO-247-4L封装　　　　TO-263-7L封装　　有无驱动器源极引脚的差异及其效果　　左下图是以往MOSFET的驱动电路，右下图是具有驱动器源极引脚的MOSFET的驱动电路。不同的是驱动电路的回流线的连接方式，以往MOSFET是连接到源极(Source)引脚，而具有驱动器源极引脚的MOSFET是连接到驱动器源极引脚(Driver Source)引脚，其源极是一个单独的电源(Power Source)引脚。此外，每个蓝色箭头表示开关工作中的电压。　　　　如蓝色箭头所示，两者在开关工作中的电压是相同的。再次提一下，MOSFET被施加VG并导通后，ID增加，LSOURCE沿图中(I)的方向产生VLSOURCE。由于电流IG流入栅极引脚，因RG_EXT产生压降VRG_EXT(I)。　　如上所述，两者产生的电压是一样的，但在以往MOSFET的情况下，VLSOURCE和VRG_EXT(I)被包含在导通时的驱动电路网中，因此MOSFET的导通工作所需的芯片上的电压VGS_INT会减少，最终导致导通速度降低。而在具有驱动器源极引脚的情况下，ID会流向电源(Power Source)引脚，不流向驱动器源极(Driver Source)引脚，这部分不包含在驱动电路网中，因此可以消除VLSOURCE对VGS_INT的影响。　　如果具备驱动器源极引脚，则可以去掉项(=VLSOURCE)，可以看出这部分电压不会影响VGS_INT。这就是驱动器源极引脚的效果，可以提高导通速度。
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　　本文将详细介绍SiC MOSFET在LS导通时的动作情况和LS关断时的动作情况。　　SiC MOSFET低边开关导通时的Gate-Source间电压的动作　　当SiC MOSFET的LS导通时，首先ID会变化(下述波形示意图T1)。此时LS的ID沿增加方向、HS的ID沿减少方向流动，受下述等效电路图中所示的事件(I)影响，在图中所示的极性产生公式(1)的电动势。公式(1)与上一篇文章中使用的公式相同。该电动势引起的电流将源极侧作为正极对CGS进行充电，因此在LS会将VGS向下推，在HS会将VGS向负极侧拉，使之产生负浪涌(波形示意图VGS的T1)。　　当ID的变化结束时，LS的VDS的电位降低(波形示意图T2)。所以，公式(2)中的电流就像等效电路图中的(II)-1、(II)-2那样流动，并且VGS会分别引发下列公式(3)、(4)中的电压上升。　　VDS刚刚开始变化后，公式(3)的VGS上升为主，随着时间的推移，公式(4)的VGS也开始上升。也就是说，MOSFET的CGD/CGS比、驱动电路的RG_EXT、栅极驱动信号图形布线的电感值LTRACE具有很大影响。　　如等效电路图所示，HS中的(II)-2的电流ICGD2处于VGS提升方向。因此，本来应该处于OFF状态的HS因VGS的提升而开始了导通工作。这种现象称为“误启动”。当HS发生误启动时，就会与LS的导通工作重叠，致使HS和LS的MOSFET同时导通，从而引发直通电流。　　ICGD2会持续流动到LS的导通工作结束，并被积蓄在LTRACE中，但会在VSW变化结束的时间点消失，LTRACE产生电动势。这就是事件(III)。受RG_EXT等开关条件影响，ICGD2可能会达到几安培，并且该电动势可能会增加。　　受上述事件(I)、(II)、(III)的影响，LS导通后的Gate-Source电压呈现出波形示意图中所示的动作。波形示意图和等效电路图的相同编号表示同一事件。另外，图中VGS的虚线波形表示理想的波形。　　外置栅极电阻的影响　　下面是SiC MOSFET桥式结构的LS导通时的双脉冲测试结果。(a)波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω，(b)为10Ω。图中的(I)、(II)、(III)同前面相应编号的事件。　　VDS刚刚开始变化后，公式(3)的VGS上升为主，随着时间的推移，公式(4)的VGS也开始上升。也就是说，MOSFET的CGD/CGS比、驱动电路的RG_EXT、栅极驱动信号图形布线的电感值LTRACE具有很大影响。　　如等效电路图所示，HS中的(II)-2的电流ICGD2处于VGS提升方向。因此，本来应该处于OFF状态的HS因VGS的提升而开始了导通工作。这种现象称为“误启动”。当HS发生误启动时，就会与LS的导通工作重叠，致使HS和LS的MOSFET同时导通，从而引发直通电流。　　ICGD2会持续流动到LS的导通工作结束，并被积蓄在LTRACE中，但会在VSW变化结束的时间点消失，LTRACE产生电动势。这就是事件(III)。受RG_EXT等开关条件影响，ICGD2可能会达到几安培，并且该电动势可能会增加。　　受上述事件(I)、(II)、(III)的影响，LS导通后的Gate-Source电压呈现出波形示意图中所示的动作。波形示意图和等效电路图的相同编号表示同一事件。另外，图中VGS的虚线波形表示理想的波形。　　外置栅极电阻的影响　　下面是SiC MOSFET桥式结构的LS导通时的双脉冲测试结果。(a)波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω，(b)为10Ω。图中的(I)、(II)、(III)同前面相应编号的事件。　　dVDS/dt带来的LS的VGS上升和HS的VGS负浪涌(波形示意图T4)是事件(IV)。　　波形示意图的T4周期结束时，公式(1)所示的ICGD1消失时发生的浪涌是事件(V)。公式(1)与之前使用的公式相同。　　然后，漏极电流发生变化(波形示意图T6)，并发生公式(2)所示的LSOURCE引起的电动势，电流如等效电路的事件(VI)中所示流动。公式(2)也与之前使用的公式相同。　　可以看出的动作是，由于该电流以源极侧为负极向MOSFET的CGS充电，因此在HS侧将VGS推高，在LS侧将VGS向正极侧拉升，以防止VGS下降。结果就产生了波形示意图所示的VGS动作。波形示意图中VGS的虚线表示理想的电压波形。　　外置栅极电阻的影响　　下面是SiC MOSFET桥式结构的LS关断时的双脉冲测试结果。(a)波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω时，(b)为10Ω。图中的(IV)、(V)、(VI)即前面提到的事件。　　如波形图所示，可以看到事件(V)的浪涌非常明显。　　尽管由VDS的变化引起的事件(IV)的影响很小，但由于HS中事件(IV)引起的负浪涌常常会超过额定值，在这种情况下，就需要对电路采取相应的措施。要想减少这种关断时的HS负浪涌，需要减小HS栅极电阻RG_EXT。然而，需要注意的是，在前文介绍过的常用栅极电阻调节电路中，事件(IV)在电阻值高的RG_ON侧较为突出。　　关于由事件(VI)引起的VGS抬升，由于该时刻正好在关断(Turn-off)结束之前，所以即使HS进入导通(Turn-on)动作，SiC MOSFET桥式结构的LS也已经被关断，几乎不会造成什么问题。
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