PCB Tecnico - Comprensione dell'impedenza di ingresso e di uscita

1.Impedenza di ingresso

L'impedenza di ingresso si riferisce all'impedenza equivalente del terminale di ingresso di un circuito. Aggiungere una sorgente di tensione U al terminale di ingresso e misurare la corrente I al terminale di ingresso, quindi l'impedenza di ingresso Rin è U/I. Si può pensare al terminale di ingresso come entrambe le estremità di una resistenza, La resistenza di questa resistenza è l'impedenza di ingresso.

L'impedenza di ingresso non è diversa da un normale elemento di reazione. Riflette l'entità dell'attuale ostacolo. Per i circuiti a tensione, maggiore è l'impedenza di ingresso, minore è il carico sulla sorgente di tensione e più facile è guidare. Avrà un impatto sulla sorgente del segnale; per i circuiti a corrente, minore è l'impedenza di ingresso, minore è il carico sulla sorgente di corrente. Pertanto, possiamo pensare che: se è guidato da una fonte di tensione, l'impedenza in ingresso è maggiore e migliore; se è guidato da una fonte di corrente, minore è l'impedenza, meglio è. Considera la corrispondenza dell'impedenza

2. Impedenza di uscita

Indipendentemente dalla sorgente del segnale o dall'amplificatore e dall'alimentazione, c'è un problema di impedenza di uscita. L'impedenza di uscita è la resistenza interna di una sorgente di segnale. Originariamente, per una fonte di tensione ideale (compresa l'alimentazione elettrica), la resistenza interna dovrebbe essere 0, o la fonte di corrente ideale L'impedenza dovrebbe essere infinita. L'impedenza di uscita è la cosa più importante a cui prestare attenzione nella progettazione del circuito, ma la sorgente di tensione effettiva non può farlo. Spesso utilizziamo una sorgente di tensione ideale in serie con un resistore r per essere equivalente a una sorgente di tensione effettiva. La resistenza r in serie con la sorgente di tensione ideale è la resistenza interna di (sorgente di segnale/uscita amplificatore/alimentazione). Quando questa fonte di tensione fornisce energia al carico, una corrente che fluirà attraverso il carico e sarà generata su questa resistenza La caduta di tensione di I * r. Ciò porterà ad una caduta della tensione di uscita dell'alimentatore, limitando così la potenza massima di uscita (per cui la potenza massima di uscita è limitata, vedere la domanda "corrispondenza dell'impedenza" di seguito). Allo stesso modo, una sorgente di corrente ideale, l'impedenza di uscita dovrebbe essere infinita, ma il circuito effettivo è impossibile

Tre, corrispondenza dell'impedenza

La corrispondenza di impedenza si riferisce ad un metodo di corrispondenza adatto tra la sorgente del segnale o la linea di trasmissione e il carico. La corrispondenza di impedenza è divisa in due casi di bassa frequenza e alta frequenza.

Iniziamo con una fonte di tensione continua che guida un carico. Poiché la sorgente di tensione effettiva ha sempre una resistenza interna (si prega di fare riferimento alla domanda di impedenza di uscita), possiamo trasformare una sorgente di tensione effettiva in una sorgente di tensione ideale e un modello A di resistenza r in serie. Assumendo che la resistenza di carico è R, la forza elettromotrice dell'alimentazione elettrica è U e la resistenza interna è r, allora possiamo calcolare la corrente che scorre attraverso la resistenza R come: I=U/(R+r), si può vedere che il carico Più piccola è la resistenza R, maggiore è la corrente di uscita. La tensione sul carico R è: UO=IR=U/[1+(r/R)], si può vedere che maggiore è la resistenza al carico R, maggiore è la tensione di uscita UO. Calcoliamo la potenza consumata dal resistore R come:

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}

Per una data sorgente di segnale, la resistenza interna r è fissa e la resistenza di carico R è scelta da noi. Si noti che nella formula ((Rr)2/R), quando R=r, ((Rr) 2/R] può ottenere il valore minimo di 0, allora la potenza massima di uscita può essere ottenuta dalla resistenza di carico R Pmax=U2/(4*r). Cioè, quando la resistenza al carico è uguale alla resistenza interna della sorgente di segnale, il carico può ottenere la potenza massima di uscita. Questa è una delle corrispondenze di impedenza che diciamo spesso. Per i circuiti di resistenza pura, questa conclusione è applicabile anche ai circuiti a bassa frequenza e ai circuiti ad alta frequenza. Quando il circuito CA contiene impedenza capacitiva o induttiva, la conclusione cambia, cioè la sorgente del segnale e la parte reale dell'impedenza di carico è uguale e la parte immaginaria è opposta l'una all'altra. Questo si chiama corrispondenza coniugata. Nei circuiti a bassa frequenza, generalmente non consideriamo il problema di corrispondenza della linea di trasmissione, ma consideriamo solo la situazione tra la sorgente del segnale e il carico, perché il segnale a bassa frequenza La lunghezza d'onda è molto lunga rispetto alla linea di trasmissione. La linea di trasmissione può essere considerata una "linea corta", e la riflessione può essere ignorata (questo può essere compreso: perché la linea è corta, anche se viene riflessa indietro, è ancora la stessa del segnale originale). Dall'analisi di cui sopra, possiamo ottenere Conclusione: Se abbiamo bisogno di una grande corrente di uscita, scegliere un piccolo carico R; se abbiamo bisogno di una grande tensione di uscita, scegliere un grande carico R; Se abbiamo bisogno della massima potenza di uscita, scegliere una resistenza R che corrisponda alla resistenza interna della sorgente di segnale. A volte l'impedenza Mismatch ha anche un altro significato. Ad esempio, l'uscita di alcuni strumenti è progettata in condizioni di carico specifiche. Se le condizioni di carico vengono modificate, la prestazione originale potrebbe non essere raggiunta. In questo momento, chiameremo anche disallineamento di impedenza.

Nei circuiti ad alta frequenza, dobbiamo anche considerare il problema della riflessione. Quando la frequenza del segnale è alta, la lunghezza d'onda del segnale è molto breve. Quando la lunghezza d'onda è abbastanza breve da essere paragonabile alla lunghezza della linea di trasmissione, il segnale riflesso sovrapposto al segnale originale cambierà. La forma del segnale originale. Se l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione non è uguale all'impedenza di carico (cioè non corrisponde), la riflessione si verificherà all'estremità del carico. Perché la riflessione si verifica quando l'impedenza non corrisponde e il metodo di risoluzione dell'impedenza caratteristica comporta un bias di secondo ordine La soluzione dell'equazione differenziale, non entreremo nei dettagli qui. Se siete interessati, fare riferimento alla teoria della linea di trasmissione nel campo elettromagnetico e nel microonde. L'impedenza caratteristica della linea di trasmissione (chiamata anche impedenza caratteristica) è determinata dalla struttura e dal materiale della linea di trasmissione e la lunghezza della linea di trasmissione e l'ampiezza e la frequenza del segnale sono irrilevanti.

Ad esempio, il cavo coassiale CCTV comunemente usato ha una caratteristica impedenza di 75Ω, mentre alcune apparecchiature a radiofrequenza utilizzano comunemente un cavo coassiale con una caratteristica impedenza di 50Ω. Un'altra linea di trasmissione comune è una linea piana parallela con una caratteristica impedenza di 300Ω, che si trova nelle zone rurali. Il rack dell'antenna TV utilizzato è più comune e utilizzato per fare l'alimentatore dell'antenna Yagi. Poiché l'impedenza di ingresso dell'estremità di ingresso RF del televisore è 75Ω, l'alimentatore 300Ω non sarà compatibile con esso. Non lo so. Avete notato che c'è un convertitore di impedenza da 300Ω a 75Ω nell'accessorio del televisore (un pacchetto di plastica con una spina rotonda ad un'estremità, circa delle dimensioni di due pollici). All'interno è in realtà un trasformatore di linea di trasmissione, che trasforma l'impedenza di 300Ω in 75Ω, in modo che possa essere abbinato. Va sottolineato qui che l'impedenza caratteristica non è un concetto con la resistenza che solitamente comprendiamo, non ha nulla a che fare con la lunghezza della linea di trasmissione. Non può essere misurata utilizzando un ohmmetro. Per non produrre riflessi, l'impedenza di carico deve essere uguale all'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Questa è la corrispondenza dell'impedenza della linea di trasmissione. Quali saranno le cattive conseguenze se l'impedenza non viene abbinata? Se non è abbinato, si formerà la riflessione, l'energia non può essere trasmessa e l'efficienza è ridotta; sulla linea di trasmissione si formerà un'onda standing (una semplice comprensione è che il segnale è forte in alcuni punti e il segnale è debole in alcuni punti), con conseguente riduzione della capacità effettiva di potenza della linea di trasmissione; la potenza non può essere trasmessa e può anche danneggiare l'apparecchiatura di trasmissione. Se la linea di segnale ad alta velocità sul circuito stampato non corrisponde all'impedenza di carico, produrrà oscillazioni, interferenze di radiazione, ecc.

Quando l'impedenza non corrisponde, quali sono i modi per farla corrispondere? In primo luogo, è possibile considerare l'utilizzo di un trasformatore per la conversione dell'impedenza, proprio come l'esempio nel televisore sopra. In secondo luogo, è possibile considerare l'uso di condensatori di serie / paralleli o induttanza, che è spesso utilizzato quando si esegue il debug dei circuiti RF. In terzo luogo, si può considerare l'uso di resistenze serie / parallele. Alcuni driver hanno impedenza relativamente bassa e una resistenza adatta può essere collegata in serie per abbinare la linea di trasmissione, come le linee di segnale ad alta velocità, a volte una resistenza di decine di ohm sarà collegata in serie. L'impedenza di ingresso di alcuni ricevitori è relativamente elevata. Le resistenze parallele possono essere utilizzate per abbinare la linea di trasmissione. Ad esempio, 485 ricevitori bus spesso collegano una resistenza corrispondente di 120 ohm in parallelo al terminale della linea dati.

Per aiutarvi a capire il problema della riflessione quando l'impedenza non corrisponde, permettetemi di fare due esempi: supponiamo di praticare boxe-punching sandbag. Se si tratta di un sacco di sabbia con il giusto peso e durezza, vi sentirete a vostro agio suonandolo. Se un giorno faccio un sacco di sabbia con mani e piedi, per esempio, se l'interno viene sostituito con sabbia di ferro, si utilizza ancora la forza precedente per colpirlo, le mani potrebbero non essere in grado di sopportarlo-questa è la situazione di carico eccessivo, che produrrà molta forza di rimbalzo. Al contrario, se sostituisco l'interno con qualcosa di molto leggero e leggero, potresti essere vuoto quando colpisci, e la tua mano potrebbe non essere in grado di sopportarlo: questa è la situazione di carico troppo leggero. Per esempio, non so se avete mai sperimentato questo: quando non riuscite a vedere chiaramente le scale, andate su / giù per le scale, e quando pensate che ci siano scale, ci sarà una sensazione di "disallineamento del carico". Naturalmente, forse un tale esempio Non molto appropriato, ma possiamo usarlo per capire la riflessione quando il carico non corrisponde.

Perché l'impedenza dello stadio di ingresso del preamplificatore è alta? Quali sono i modi per aumentare l'impedenza

L'elevata impedenza di ingresso significa che la potenza assorbita dal circuito (o l'uscita del circuito precedente) è piccola e l'alimentazione o lo stadio precedente può guidare più carichi. Per i circuiti di misura, quali voltmetri elettronici, oscilloscopi, ecc., è necessaria un'impedenza di ingresso molto elevata in modo che l'impatto sul circuito in prova sia il più piccolo possibile dopo essere stato collegato allo strumento.

Come migliorare: (1) tubo di effetto di campo, l'impedenza di ingresso è naturalmente alta. (2) Utilizzare la connessione bootstrap per aumentare l'impedenza in ingresso. (3) Adottare un circuito amplificatore di raccolta comune e lo stadio di ingresso del circuito amplificatore triodo è generalmente collegato in una modalità comune di raccolta.

In uno stato ideale, un circuito back-stage alimentato a tensione attinge solo tensione dallo stadio precedente e nessuna corrente, quindi non attinge energia. Per la fase precedente, è quasi senza carico, quindi più grande è l'impedenza, più facile è guidare. Infatti, l'impedenza di ingresso dello stadio posteriore può essere solo vicina all'infinito. L'ingresso di un tubo sottovuoto o di un dispositivo CMOS può raggiungere il livello GΩ e la corrente prelevata dallo stadio anteriore è estremamente piccola.

Ad esempio, il tubo effetto campo appartiene al tipo a tensione e il circuito formato da esso è un circuito a tensione. Poiché la sua impedenza di ingresso è così grande che la sua corrente di ingresso può essere ignorata, anche il consumo energetico viene ignorato;

Il triodo appartiene al tipo a corrente e il circuito da esso formato è un circuito a corrente, perché ha bisogno di iniettare corrente per funzionare, anche se la sua impedenza di ingresso è relativamente piccola, genera ancora una certa quantità di consumo energetico.

Comprensione personale:

La cosiddetta impedenza di ingresso considera principalmente la potenza consumata dal circuito stesso (può essere intesa come perdita priva di significato). Per i circuiti di azionamento di tensione, maggiore è l'impedenza, minore è la corrente, P = I * I * R, minore è la corrente In termini di circuito di azionamento, minore è l'impedenza, P = I * I * R, minore è il consumo energetico, in modo che quest'ultimo circuito può produrre più potenza.