输入阻抗@@和@@输出阻抗@@的@@理解@@

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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。你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@@电抗金宝博@@手机登录@@ 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@@,我们可以这样认为@@: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@@@@.另外如果要获取最大输出功率时@@@@,也要考虑@@ 阻抗匹配@@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@@在电路设计最特别需要注@@意@@ 但现实中的@@电压源@@,则不能做到@@这一@@点@@。我们常用一@@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@@)。同样的@@@@,一@@个理想的@@电流源@@,输出阻抗@@应该是无穷大@@,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@@。阻抗匹配@@分为低频和@@高频两种情况讨论@@。

我们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@@@@),我们可以把一@@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@@,我们一@@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@@@@)。从以上分析我们可以得出结论@@:如果我们需要输出电流大@@,则选择小的@@负载@@@@R;如果我们需要输出电压大@@,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@@,我们还必须考虑反射的@@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@@。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@@.这里需要强调一@@点的@@是@@,特性阻抗跟我们通常理解的@@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呢@@?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@@那个例子那样@@.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@@,我来举两个例子@@:假设你在练习拳击@@——打沙包@@.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@@,里面换成了铁沙@@,你还是用以前的@@力打上去@@,你的@@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@@,如果我把里面换成了很轻很轻的@@东西@@,你一@@出拳@@,则可能会扑空@@,手也可能会受不了@@——这就是@@负载@@过轻的@@情况@@.另一@@个例子@@,不知道大家有没有过这样的@@经历@@: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@@,也许这样的@@例子不太恰当@@@@,但我们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@@。

文章转载自@@:玩转电子技术设计@@

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