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一文讀懂輸入輸出阻抗是怎么回事?

2020-02-27 10:25 來源:互聯網 編輯:Emma

對于輸入輸出阻抗是怎么一回事,總是迷迷糊糊的,不是很清楚,今天分享一下高人總結的關于輸入輸出阻抗是怎么一回事?

一文讀懂輸入輸出阻抗是怎么回事?

輸入阻抗即輸入電壓與電流之比,即 Ri = U/I。在同樣的輸入電壓的情況下,如果輸入阻抗很低,就需要流過較大電流,這就要考驗前級的電流輸出能力了;而如果輸入阻抗很高,那么只需要很小的電流,這就為前級的電流輸出能力減少了很大負擔。所以電路設計中盡量提高輸入阻抗。

再說輸出阻抗,它可以看做輸出端內阻 r,可以等效為一個理想信號源(電源)和這個內阻 r 的串聯。把它和下級電路的輸入阻抗結合起來看,就相當于一個理想信號源(電源)和內阻 r 還有下級輸入阻抗 Ri 組成的回路,內阻 r 在回路中會起到分壓的作用,r 越大,就會有更大的電壓分配給它,而更小的分配給下級電路;反之,r 越小,則分配給下級電路的電壓越大,電路的效率越高。所以,當然把輸出阻抗 r 設計得越小越好了。

回過頭來再說,既然輸入阻抗越大越好,那么我們想辦法把它設計得很大很大,豈不是最好?不然,當輸入阻抗很大的時候,回路電流就會很小很小,而實際電路中,電流路徑是容易被干擾的(來自其他信號的串擾,或來自空中的電磁輻射),這時只要一個很小的擾動疊加到回路電流上就會嚴重的干擾到信號質量。所以除非能夠保證信號被很好的屏蔽,不受外界干擾,否則也不要把輸入阻抗設計得過大。據說,據說啊~輸入阻抗一般設計成47K,當然在這個值附近的幾十K應該都可以吧~

那位說了,我選用的器件,輸入阻抗就是很小,或者輸出阻抗就是很大,我怎么辦啊?這個簡單,在輸入之前或者輸出之后加一級電壓跟隨器就解決了。

還得補充一句,前邊說的,都是指電壓信號,電流信號則要反過來看。如果是電流信號(電流源),那么下一級的輸入阻抗越小,前一級的負載就越小;而前一級的輸出阻抗則越大,就會有越多的電流進入下一級而不是消耗在本級內。對于電流信號(電流源)的輸出阻抗 r,應該等效為理想電流源與之并聯吧,下一級的輸入阻抗再并聯到上邊去,基礎知識不扎實了,應該翻書考證一下。

要求輸出電壓不因負載變化而變化,輸出阻抗應盡量小,要求輸出電流不因負載變化而變化,輸出阻抗應盡量大。不是所有情況都要求輸出阻抗盡量小。

輸出阻抗與功率無關。

“阻抗匹配”是電路中搞得非常混亂的一個概念,最好不用這個概念。

1、在什么情況下輸入阻抗應盡量大或盡量小?而輸出阻抗為什么盡量小?輸出阻抗與功率存在什么關系?

輸入輸出阻抗的確定是有前提的,無前提的說其是否應該盡量的大或盡量的小沒有意義。一般而言,如果強調的是電壓特性的話,通常要求具有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗;而相對應的,如果強調的是電流特性的話,則通常要求具有較低的輸入阻抗和較高的輸出阻抗。另要注意的是,通常討論的是動態阻抗,而忽略直流偏置。

2、輸入輸出阻抗與阻抗匹配有什么關系?是否應考慮高低頻的情況?

電路中的電流和電壓是“左膀右臂”,缺了誰都不行。這個概念在電尺寸(波長)和電路尺寸相近的情況下特別重要。如在高頻電路中,孤立的電流和電壓通常被一個貌似特別的“功率波”替代就是例證。阻抗匹配原則上就是針對“功率波”提出的。

雖然阻抗匹配在電尺寸(波長)和電路尺寸相近的情況下(一般定為波長小于電路尺寸的十倍)必須予以考慮,但通常也只是考慮電路中的“走線”——傳輸線。因此,匹配只考慮器件間的連接上,即器件輸出和輸入的阻抗匹配,而將器件還是看成一個集總參數的東西。當然到了微波段時,情況可能變得更為復雜。

輸出阻抗越小,帶負載能力越強,輸入阻抗越大,與外部電路的隔離效果越好,阻抗匹配感覺就是為了消除各個電路功能模塊之間的影響。

簡單的說在射頻電路中,因為要獲得最大功率,所以負載阻抗和源的戴維南等效阻抗成共軛關系就行了。這樣電路電抗為零,實部相等,獲得最大功率。

輸入輸出阻抗,通常我們容易獲得的是電壓源,比如音頻功放電路,這樣就要求輸入阻抗大,輸出阻抗小,所以電路全局負反饋清一色的是電壓串聯負反饋。當然在光通信應用中很多時候是電流型的,這時情況就不一樣了。總之,采用何種形式的負反饋始終與輸入輸出阻抗有關。

阻抗定義

在具有電阻、電感和電容的電路里,對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成,但不是三者簡單相加。阻抗的單位是歐。在直流電中,物體對電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。電阻很小的物質稱作良導體,如金屬等;電阻極大的物質稱作絕緣體,如木頭和塑料等。還有一種介于兩者之間的導體叫做半導體,而超導體則是一種電阻值幾近于零的物質。但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流以外,電容及電感也會阻礙電流的流動,這種作用就稱之為電抗,意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗,簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆,而其值的大小則和交流電的頻率有關系,頻率愈高則容抗愈小感抗愈大,頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題,具有向量上的關系式,因此才會說:阻抗是電阻與電抗在向量上的和。對于一個具體電路,阻抗不是不變的,而是隨著頻率變化而變化。在電阻、電感和電容串聯電路中,電路的阻抗一般來說比電阻大。也就是阻抗減小到最小值。在電感和電容并聯電路中,諧振的時候阻抗增加到最大值,這和串聯電路相反。

一、輸入阻抗

輸入阻抗是指一個電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個電壓源U,測量輸入端的電流I,則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個電阻的兩端,這個電阻的阻值,就是輸入阻抗。

輸入阻抗跟一個普通的電抗元件沒什么兩樣,它反映了對電流阻礙作用的大小。對于電壓驅動的電路,輸入阻抗越大,則對電壓源的負載就越輕,因而就越容易驅動,也不會對信號源有影響;而對于電流驅動型的電路,輸入阻抗越小,則對電流源的負載就越輕。因此,我們可以這樣認為:如果是用電壓源來驅動的,則輸入阻抗越大越好;如果是用電流源來驅動的,則阻抗越小越好(注:只適合于低頻電路,在高頻電路中,還要考慮阻抗匹配問題。)另外如果要獲取最大輸出功率時,也要考慮 阻抗匹配問題。

二、輸出阻抗

無論信號源或放大器還有電源,都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個信號源的內阻。本來,對于一個理想的電壓源(包括電源),內阻應該為0,或理想電流源的阻抗應當為無窮大。輸出阻抗在電路設計最特別需要注意。

但現實中的電壓源,則不能做到這一點。我們常用一個理想電壓源串聯一個電阻r的方式來等效一個實際的電壓源。這個跟理想電壓源串聯的電阻r,就是(信號源/放大器輸出/電源)的內阻了。當這個電壓源給負載供電時,就會有電流I從這個負載上流過,并在這個電阻上產生I×r的電壓降。這將導致電源輸出電壓的下降,從而限制了最大輸出功率(關于為什么會限制最大輸出功率,請看后面的“阻抗匹配”一問)。同樣的,一個理想的電流源,輸出阻抗應該是無窮大,但實際的電路是不可能的。

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