Leiterplattentechnisch - Verständnis von Eingangsimpedanz und Ausgangsimpedanz

1.Eingangsimpedanz

Die Eingangsimpedanz bezieht sich auf die äquivalente Impedanz der Eingangsklemme einer Schaltung. Fügen Sie eine Spannungsquelle U zum Eingangsanschluss hinzu und messen Sie den Strom I am Eingangsanschluss, dann ist die Eingangsimpedanz Rin U/I. Sie können sich die Eingangsklemme als beide Enden eines Widerstands vorstellen. Der Widerstand dieses Widerstands ist die Eingangsimpedanz.

Die Eingangsimpedanz unterscheidet sich nicht von einem gewöhnlichen Reaktanzelement. Sie spiegelt das Ausmaß der gegenwärtigen Behinderung wider. Bei spannungsgetriebenen Schaltungen gilt: Je größer die Eingangsimpedanz, desto leichter ist die Belastung der Spannungsquelle und desto einfacher ist es zu fahren. Es wird Auswirkungen auf die Signalquelle haben; Bei stromgetriebenen Schaltungen gilt: Je kleiner die Eingangsimpedanz, desto geringer ist die Belastung der Stromquelle. Daher können wir denken: Wenn es von einer Spannungsquelle angetrieben wird, ist die Eingangsimpedanz Je größer desto besser; Wenn es von einer Stromquelle angetrieben wird, je kleiner die Impedanz, desto besser. Impedanzanpassung in Betracht ziehen

2. Ausgangsimpedanz

Unabhängig von der Signalquelle oder Verstärker und Stromversorgung gibt es ein Problem der Ausgangsimpedanz. Die Ausgangsimpedanz ist der interne Widerstand einer Signalquelle. Ursprünglich sollte für eine ideale Spannungsquelle (einschließlich Netzteil) der Innenwiderstand 0 oder die ideale Stromquelle sein Die Impedanz sollte unendlich sein. Die Ausgangsimpedanz ist die wichtigste Sache, auf die man beim Schaltungsdesign achten sollte, aber die tatsächliche Spannungsquelle kann dies nicht tun. Wir verwenden oft eine ideale Spannungsquelle in Reihe mit einem Widerstand r, um einer tatsächlichen Spannungsquelle gleichwertig zu sein. Der Widerstand r in Reihe mit der idealen Spannungsquelle ist der interne Widerstand von (Signalquelle/Verstärkerausgang/Stromversorgung). Wenn diese Spannungsquelle die Last mit Strom versorgt, fließt ein Strom I durch die Last und wird auf diesem Widerstand erzeugt Der Spannungsabfall von I*r. Dies führt zu einem Rückgang der Ausgangsspannung des Netzteils und damit zu einer Begrenzung der maximalen Ausgangsleistung (warum die maximale Ausgangsleistung begrenzt ist, entnehmen Sie bitte der Frage "Impedanzanpassung" unten). Ähnlich, eine ideale Stromquelle, sollte die Ausgangsimpedanz unendlich sein, aber die tatsächliche Schaltung ist unmöglich

Drei, Impedanzanpassung

Impedanz Matching bezieht sich auf ein geeignetes Matching-Verfahren zwischen der Signalquelle oder Übertragungsleitung und der Last. Impedanz Matching wird in zwei Fälle von Niederfrequenz und Hochfrequenz unterteilt.

Beginnen wir mit einer Gleichspannungsquelle, die eine Last antreibt. Da die tatsächliche Spannungsquelle immer einen Innenwiderstand hat (siehe Ausgangsimpedanzfrage), können wir eine tatsächliche Spannungsquelle in eine ideale Spannungsquelle und ein A-Modell des Widerstands r in Reihe umwandeln. Angenommen, dass der Lastwiderstand R ist, die elektromotorische Kraft der Stromversorgung U ist und der Innenwiderstand r ist, dann können wir den Strom berechnen, der durch den Widerstand R fließt als: I=U/(R+r), es kann gesehen werden, dass die Last Je kleiner der Widerstand R, desto größer der Ausgangsstrom. Die Spannung an der Last R ist: Uo=IR=U/[1+(r/R)], es kann gesehen werden, dass je größer der Lastwiderstand R, desto höher die Ausgangsspannung Uo. Berechnen wir die vom Widerstand R verbrauchte Leistung wie:

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}

Für eine gegebene Signalquelle ist der Innenwiderstand r festgelegt, und der Lastwiderstand R wird von uns gewählt. Beachten Sie, dass in der Formel ((Rr)2/R), wenn R=r, ((Rr) 2/R] den Mindestwert von 0 erhalten kann, dann die maximale Ausgangsleistung aus dem Lastwiderstand R Pmax=U2/(4*r) ermittelt werden kann. Das heißt, wenn der Lastwiderstand gleich dem Innenwiderstand der Signalquelle ist, kann die Last die maximale Ausgangsleistung erhalten. Dies ist eine der Impedanzanpassungen, die wir oft sagen. Für reine Widerstandsschaltungen gilt diese Schlussfolgerung auch für niederfrequente Schaltungen und Hochfrequenzschaltungen. Wenn der Wechselstromkreis kapazitive oder induktive Impedanz enthält, ändert sich die Schlussfolgerung, das heißt, die Signalquelle und der reale Teil der Lastimpedanz ist gleich, und der imaginäre Teil ist einander entgegengesetzt. Das nennt man Konjugate Matching. In niederfrequenten Schaltungen betrachten wir im Allgemeinen nicht das Übereinstimmungsproblem der Übertragungsleitung, sondern betrachten nur die Situation zwischen der Signalquelle und der Last, weil das niederfrequente Signal Die Wellenlänge ist im Vergleich zur Übertragungsleitung sehr lang. Die Übertragungsleitung kann als "kurze Leitung" betrachtet werden, und Reflexion kann ignoriert werden (dies kann verstanden werden: weil die Leitung kurz ist, selbst wenn sie zurückgespiegelt wird, ist sie immer noch dasselbe wie das ursprüngliche Signal). Aus der obigen Analyse können wir Schlussfolgerung erhalten: Wenn wir einen großen Ausgangsstrom benötigen, wählen Sie eine kleine Last R; Wenn wir eine große Ausgangsspannung benötigen, wählen Sie eine große Last R; Wenn wir die maximale Ausgangsleistung benötigen, wählen Sie einen Widerstand R, der dem internen Widerstand der Signalquelle entspricht. Manchmal hat Impedanz Mismatch auch eine andere Bedeutung. Beispielsweise ist der Ausgang einiger Instrumente unter bestimmten Belastungsbedingungen ausgelegt. Wenn sich die Lastbedingungen ändern, kann die ursprüngliche Leistung nicht erreicht werden. Zu diesem Zeitpunkt werden wir auch Impedanzmissmatch nennen.

In Hochfrequenzschaltungen, Wir müssen auch das Problem der Reflexion betrachten. Wenn die Frequenz des Signals hoch ist, die Wellenlänge des Signals ist sehr kurz. Wenn die Wellenlänge kurz genug ist, um mit der Länge der Übertragungsleitung vergleichbar zu sein, Das reflektierte Signal, das dem Originalsignal überlagert wird, ändert sich. Die Form des Originalsignals. If the characteristic impedance of the transmission line is not equal to the load impedance (that is, it does not match), Reflexion tritt am Lastende auf. Warum tritt Reflexion auf, wenn die Impedanz nicht übereinstimmt und die Methode zur Lösung der charakteristischen Impedanz Bias zweiter Ordnung beinhaltet Die Lösung der Differentialgleichung, wir würden nicht beschreiten. Wenn Sie interessiert sind, Bitte beachten Sie die Übertragungsleitungstheorie im elektromagnetischen Feld und in der Mikrowelle. The characteristic impedance of the transmission line (also called the characteristic impedance) is determined by the structure and material of the transmission line, und die Länge der Übertragungsleitung, und die Amplitude und Frequenz des Signals sind irrelevant.

Zum Beispiel hat das übliche CCTV-Koaxialkabel eine charakteristische Impedanz von 75Ω, während einige Hochfrequenzgeräte üblicherweise ein Koaxialkabel mit einer charakteristischen Impedanz von 50Ω verwenden. Eine weitere gemeinsame Übertragungsleitung ist eine flache parallele Leitung mit einer charakteristischen Impedanz von 300Ω, die in ländlichen Gebieten liegt. Das verwendete TV-Antennenregal ist häufiger und wird verwendet, um den Feeder der Yagi-Antenne zu machen. Da die Eingangsimpedanz des HF-Eingangs des Fernsehers 75Ω, wird der 300Ω-Feeder nicht mit dieser übereinstimmen. Wie kann dieses Problem in der Praxis gelöst werden? Ich weiß nicht. Haben Sie bemerkt, dass im Zubehör des Fernsehers ein Impedanzkonverter 300Ω bis 75Ω enthalten ist (eine Kunststoffverpackung mit einem runden Stecker an einem Ende, etwa die Größe von zwei Daumen). Im Inneren befindet sich eigentlich ein Übertragungsleitungstransformator, der die Impedanz von 300Ω in 75Ω, so dass sie angepasst werden kann. Es sollte hier betont werden, dass die charakteristische Impedanz kein Konzept mit dem Widerstand ist, den wir normalerweise verstehen, es hat nichts mit der Länge der Übertragungsleitung zu tun. Es kann nicht mit einem Ohmmeter gemessen werden. Um keine Reflexionen zu erzeugen, sollte die Lastimpedanz gleich der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung sein. Dies ist die Impedanzanpassung der Übertragungsleitung. Was werden die schlimmen Folgen sein, wenn die Impedanz nicht übereinstimmt? Wenn es nicht übereinstimmt, wird Reflexion gebildet, die Energie kann nicht übertragen werden und die Effizienz wird reduziert; Eine stehende Welle wird auf der Übertragungsleitung gebildet (ein einfaches Verständnis ist, dass das Signal an einigen Stellen stark ist und das Signal an einigen Stellen schwach ist), was zu einer Verringerung der effektiven Leistungskapazität der Übertragungsleitung führt; Die Leistung kann nicht übertragen werden, und es kann sogar die Übertragungsgeräte beschädigen. Wenn die Hochgeschwindigkeitssignalleitung auf der Leiterplatte nicht mit der Lastimpedanz übereinstimmt, produziert sie Schwingungen, Strahlungsstörungen usw.

Wenn die Impedanz nicht übereinstimmt, wie kann sie übereinstimmen? Zunächst können Sie einen Transformator für die Impedanzkonvertierung verwenden, genau wie das Beispiel im TV-Gerät oben. Zweitens können Sie Reihen-/Parallelkondensatoren oder Induktivität in Betracht ziehen, die häufig beim Debuggen von HF-Schaltungen verwendet wird. Drittens können Sie die Verwendung von Reihen-/Parallelwiderständen in Betracht ziehen. Einige Treiber haben eine relativ niedrige Impedanz, und ein geeigneter Widerstand kann in Reihe geschaltet werden, um der Übertragungsleitung zu entsprechen, wie Hochgeschwindigkeitssignalleitungen, manchmal wird ein Widerstand von zehn Ohms in Reihe geschaltet. Die Eingangsimpedanz einiger Empfänger ist relativ hoch. Parallelwiderstände können verwendet werden, um die Übertragungsleitung anzupassen. Beispielsweise verbinden 485-Busempfänger häufig parallel einen passenden Widerstand von 120-Ohm an der Datenleitung.

Um Ihnen zu helfen, das Reflexionsproblem zu verstehen, wenn die Impedanz nicht übereinstimmt, lassen Sie mich zwei Beispiele nennen: Nehmen wir an, Sie üben Box-Boxing Sandsäcke. Wenn es sich um einen Sandsack mit dem richtigen Gewicht und der richtigen Härte handelt, werden Sie sich wohl fühlen, ihn zu spielen. Aber wenn ich eines Tages einen Sandsack mit Händen und Füßen mache, zum Beispiel, wenn das Innere durch Eisensand ersetzt wird, verwenden Sie immer noch die vorherige Kraft, um ihn zu schlagen, Ihre Hände können es nicht ertragen-dies ist die Situation der übermäßigen Belastung, die eine Menge Rückprallkraft produzieren wird. Im Gegenteil, wenn ich das Innere durch etwas sehr Leichtes und Leichtes ersetze, könntest du beim Schlagen leer sein, und deine Hand könnte es nicht ertragen – dies ist die Situation einer zu leichten Last. Zum Beispiel weiß ich nicht, ob Sie das jemals erlebt haben: Wenn Sie die Treppe nicht klar sehen können, gehen Sie die Treppe hoch/runter, und wenn Sie denken, dass es Treppen gibt, wird es ein Gefühl von "Last Mismatch" geben. Natürlich, vielleicht ein solches Beispiel Nicht sehr passend, aber wir können es verwenden, um die Reflexion zu verstehen, wenn die Last nicht übereinstimmt.

Warum ist die Eingangsstufenimpedanz des Vorverstärkers hoch? Wie kann man die Impedanz erhöhen?

Die hohe Eingangsimpedanz bedeutet, dass die von der Schaltung absorbierte Leistung (oder der Ausgang der vorherigen Schaltung) klein ist und die Stromversorgung oder die vorherige Stufe mehr Lasten antreiben kann. Bei Messschaltungen, wie elektronischen Voltmetern, Oszilloskopen usw., ist eine sehr hohe Eingangsimpedanz erforderlich, damit die Auswirkung auf den zu prüfenden Schaltkreis nach dem Anschließen am Gerät möglichst gering ist.

Wie zu verbessern: (1) Feldeffektröhre, die Eingangsimpedanz ist natürlich hoch. (2) Verwenden Sie Bootstrap-Verbindung, um die Eingangsimpedanz zu erhöhen. (3) Nehmen Sie eine gemeinsame Sammlung Verstärkerschaltung an, und die Eingangsstufe der Trioden Verstärkerschaltung ist im Allgemeinen in einem gemeinsamen Sammelmodus verbunden.

Im Idealzustand zieht eine spannungsgetriebene Backstage-Schaltung nur Spannung aus der vorherigen Stufe und keinen Strom, so dass sie keine Energie bezieht. Für die vorherige Stufe ist es fast keine Last, also je größer die Impedanz, desto einfacher ist es zu fahren. Tatsächlich kann die Eingangsimpedanz der hinteren Bühne nur annähernd unendlich sein. Der Eingang eines Vakuumröhrchens oder CMOS-Geräts kann den GΩ-Pegel erreichen, und der Strom, der von der vorderen Bühne gezogen wird, ist extrem klein.

Zum Beispiel gehört die Feldeffektröhre zum spannungsgetriebenen Typ, und die dadurch gebildete Schaltung ist eine spannungsgetriebene Schaltung. Da seine Eingangsimpedanz so groß ist, dass sein Eingangsstrom ignoriert werden kann, wird der Stromverbrauch auch ignoriert;

Die Triode gehört zum stromgetriebenen Typ, und die von ihr gebildete Schaltung ist eine stromgetriebene Schaltung, da sie Strom einspritzen muss, um zu arbeiten, obwohl ihre Eingangsimpedanz relativ klein ist, sie immer noch eine bestimmte Menge an Stromverbrauch erzeugt.

Persönliches Verständnis:

Die sogenannte Eingangsimpedanz berücksichtigt hauptsächlich die vom Schaltkreis selbst verbrauchte Leistung (sie kann als bedeutungsloser Verlust verstanden werden). Für Spannungsantriebsschaltungen, je größer die Impedanz, desto kleiner der Strom, P=I*I*R, desto kleiner der Strom In Bezug auf den Antriebskreis, desto kleiner die Impedanz, P=I*I*R, desto kleiner der Stromverbrauch, so dass letztere Schaltung mehr Leistung ausgeben kann.