PCB技術 - 入力インピーダンスと出力インピーダンスについて

1.入力インピーダンス

入力インピーダンスとは、回路入力端の等価インピーダンスを指す。入力端子に電圧源Uを加えて入力端子の電流Iを測定すると、入力インピーダンスRinはU/Iです。入力端子を抵抗器の両端と想像することができます。この抵抗器の抵抗は入力インピーダンスです。

入力インピーダンスは通常のリアクタンス素子とあまり変わりません。現在の障害の程度を反映しています。電圧駆動回路は、入力インピーダンスが大きいほど、電圧源上の負荷が軽くなり、駆動が容易になる。信号源に影響を与えます。電流駆動回路では、入力インピーダンスが小さいほど、電流源上の負荷が軽くなる。したがって、電圧源によって駆動されるのであれば、入力インピーダンスは大きいほど良いと考えられます。もしそれが電流源によって駆動されているならば、インピーダンスは小さいほど良いです。インピーダンス整合を考慮する

2.出力インピーダンス

信号源であれ増幅器であれ電源であれ、出力インピーダンスの問題がある。出力インピーダンスは信号源の内部抵抗である。最初に、理想的な電圧源（電源を含む）に対して、内部抵抗は0であるべきか、あるいは理想的な電流源インピーダンスは無限大であるべきである。出力インピーダンスは回路設計において最も注意すべき問題であるが、実際の電圧源ではそれができない。実際の電圧源と同等にするために、抵抗rに直列に接続された理想的な電圧源を使用することがよくあります。理想電圧源に直列に接続された抵抗rは（信号源／増幅器出力／電源）の内部抵抗である。電圧源が負荷に電力を供給すると、電流Iが負荷を流れて抵抗に発生します。電圧降下I*r。これにより電源の出力電圧が低下し、最大出力電力が制限される（最大出力電力が制限される理由については、以下の「インピーダンス整合」の問題を参照）。同様に、出力インピーダンスは無限であるべき理想的な電流源であるが、実際の回路は不可能である

三、インピーダンス整合

インピーダンス整合とは、信号源または伝送路と負荷との間の適切な整合方法を指す。インピーダンス整合は低周波と高周波の2つの場合に分けられる。

負荷を駆動する直流電圧源から始めましょう。実際の電圧源には常に内部抵抗があるので（出力インピーダンスの問題を参照してください）、実際の電圧源を理想的な電圧源と抵抗rのAモデルに直列接続することができます。負荷抵抗をR、電源起電力をU、内部抵抗をRと仮定すると、抵抗Rを流れる電流をI=U/（R+R）と計算することができ、負荷抵抗Rが小さいほど出力電流が大きいことがわかる。負荷R上の電圧は、Uo=IR=U/[1+（R/R）]であり、負荷抵抗Rが大きいほど出力電圧Uoが高くなることがわかる。抵抗Rが消費する電力を次のように計算しましょう。

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}

所与の信号源に対して、内部抵抗rは固定であり、負荷抵抗rは我々が選択する。なお、式（（（Rr）2／r）において、r＝rの場合、（（Rr）2／r）は0の最小値を得ることができ、最大出力電力は負荷抵抗r Pmax＝U 2／（4＊r）から得ることができる。つまり、負荷抵抗が信号源の内部抵抗に等しい場合、負荷は最大出力電力を得ることができる。これが私たちがよく言うインピーダンス整合の一つです。純抵抗回路については、この結論は低周波回路と高周波回路にも適用される。交流回路が容量またはインダクタンスインピーダンスを含む場合、結論は変化し、すなわち信号源と負荷インピーダンスの実部は等しく、虚数部は反対である。これを共役整合と呼ぶ。低周波回路では、低周波信号の波長は伝送路に比べて非常に長いため、通常は伝送路の整合問題を考慮せず、信号源と負荷の間の状況だけを考慮します。伝送路は「短い線」とみなすことができ、反射は無視することができる（これは、線が短いため、反射して戻ってきても元の信号と同じであると理解できる）。以上の分析により、私たちは結論を得ることができます：もし私たちは大きな出力電流が必要ならば、小さい負荷Rを選択します；大きな出力電圧が必要な場合は、大きな負荷Rを選択します。最大出力電力が必要な場合は、信号源の内部抵抗に一致する抵抗Rを選択します。インピーダンス不整合には別の意味があることもある。例えば、いくつかの機器の出力は特定の負荷条件下で設計されている。負荷条件が変化すると、元のパフォーマンスに到達できない可能性があります。このとき、インピーダンス不整合とも呼ばれます。

高周波回路では、反射の問題も考慮しなければなりません。信号の周波数が高い場合、信号の波長は非常に短い。伝送路の長さに匹敵する波長になると、元の信号に重畳された反射信号が変化します。オリジナル信号の形状。伝送路の特性インピーダンスが負荷インピーダンス（すなわち不整合）と等しくない場合、負荷端で反射が発生します。なぜインピーダンスが整合していないと反射し、特徴的なインピーダンスを解く方法は二次バイアスに関連しているのか。微分方程式の解については、ここでは詳しく説明しない。興味がある場合は、電磁場とマイクロ波における伝送線理論を参照してください。伝送路の特性インピーダンス（特性インピーダンスとも呼ばれる）は伝送路の構造と材料によって決定され、伝送路の長さ及び信号の振幅と周波数は無関係である。

例えば、一般的に使用されるCCTV同軸ケーブルの特性インピーダンスは75島であり、一部の無線周波数デバイスは一般的に50島の特性インピーダンスを持つ同軸ケーブルを使用している。もう1つの一般的な伝送路は平坦な平行線で、その特徴インピーダンスは300島で、農村部に位置している。八木アンテナの給電線を作成するために使用されるテレビアンテナフレームは、より一般的である。テレビの無線周波数入力端子の入力インピーダンスは75なので、300の給電線はそれに一致しません。実際にこの問題を解決するにはどうすればいいですか。私は知らない。テレビの付属品に300 ~ 75のインピーダンス変換器があることに気づきましたか（プラスチック製のパッケージで、端に円形のプラグがあり、親指ほどの大きさが2つあります）。中には実際に300島のインピーダンスを75島に変換してマッチングする伝送路変圧器があります。ここで強調したいのは、特性インピーダンスは、伝送路の長さに関係なく、一般的に理解されている抵抗の概念ではありません。オーム計では測定できません。反射を起こさないためには、負荷インピーダンスは伝送路の特性インピーダンスと等しくなければならない。これは伝送路のインピーダンス整合である。インピーダンスが一致しない場合、どのような悪い結果がありますか。もしマッチングしなければ、反射が形成され、エネルギーが伝送できず、効率が低下する。伝送路上に定在波が形成され（簡単に理解すると、信号の場所によっては強く、場所によっては弱くなる）、伝送路の有効電力容量の低下、電力が転送できず、転送デバイスが破損する可能性もあります。回路基板上の高速信号線が負荷インピーダンスと一致しないと、発振、放射干渉などが発生する。

インピーダンスが一致しない場合、どのような方法で一致させることができますか。まず、上のテレビの例のように、トランスを使ってインピーダンス変換を行うことを考えてみてください。次に、RF回路をデバッグする際によく使用される直列/並列コンデンサまたはインダクタンスの使用を検討することができます。第三に、直列/並列抵抗器の使用を検討することができます。ドライバの中には相対的にインピーダンスが低いものもあり、高速信号線などの伝送路に適した抵抗器を直列に接続したり、数十オームの抵抗器を直列に接続したりすることができます。一部の受信機の入力インピーダンスは比較的高い。並列抵抗器は伝送路を整合するために使用することができる。例えば、485バス受信機は、通常、データ線端子に120オームの整合抵抗器を並列に接続する。

インピーダンス不整合時の反射問題を理解するのに役立つために、ボクシングのサンドバッグを練習しているとします。これが重さと硬さの合うサンドバッグなら、遊び心地がいいと思います。でも。、もしある日私が手と足で砂袋を作ったら、例えば、中が鉄砂に変わっても、あなたは以前の力でそれを打って、あなたの手はそれに耐えられないかもしれません。これは負荷が大きすぎる場合で、これは大きな反発力を生むことができます。逆に、もし私が中を軽いものに変えたら、あなたが打ったときは空だったかもしれません。あなたの手は耐えられないかもしれません。これは負荷が軽すぎる場合です。例えば、階段が見えないときは階段を上り下りし、階段があると思うときは「負荷が合っていない」と感じることがあるかどうかはわかりません。もちろん、このような例は適切ではないかもしれませんが、負荷が合わない場合の反射を理解するために使用することができます。

なぜ前置増幅器の入力段のインピーダンスが高いのですか。インピーダンスを増やす方法はどれらがありますか

高入力インピーダンスは、回路（または前段回路の出力）が吸収する電力が小さく、電源または前段がより多くの負荷を駆動することができることを意味する。電子電圧計、オシロスコープなどの測定回路には、機器に接続した後に測定回路に与える影響ができるだけ小さくなるように、非常に高い入力インピーダンスが必要です。

どのように改善するか：（1）電界効果管、入力インピーダンスは自然に高い。（2）ブートストラップ接続を用いて入力インピーダンスを増加させる。（3）共通収集増幅回路を採用し、三極管増幅回路の入力段は一般的に共通収集方式で接続される。

理想的な状態では、電圧駆動の後段回路は前段から電圧を汲み上げるだけで、電流がないので、電力を汲み上げない。前の段階では、ほとんど空負荷であるため、インピーダンスが大きいほど駆動しやすくなります。実際、後段の入力インピーダンスは無限大にしか近づけない。真空管またはCMOSデバイスの入力はG段に達することができ、前段から汲み上げる電流は非常に小さい。

例えば、電界効果管は電圧駆動型に属し、形成される回路は電圧駆動回路である。入力インピーダンスが大きすぎて、入力電流を無視できるので、消費電力も無視されます。

三極管は電流駆動型に属し、その形成された回路は電流駆動回路であり、それは電流を注入する必要があるため、その入力インピーダンスは比較的小さいが、一定の電力消費が発生する。

個人的な理解：

いわゆる入力インピーダンスは、主に回路自体が消費する電力を考慮する（無意味な損失と理解できる）。電圧駆動回路では、インピーダンスが大きいほど、電流が小さくなり、P=I*I*Rでは、電流が小さくなる。駆動回路では、インピーダンスが小さいほど、P=I*I*Rでは、消費電力が小さくなるため、後者の回路はより多くの電力を出力することができる。