PCB科技 - 瞭解輸入阻抗和輸出阻抗

1輸入阻抗

輸入阻抗是指電路輸入端的等效阻抗。 在輸入端添加一個電壓源U，並量測輸入端的電流我，則輸入阻抗Rin為U/I。您可以將輸入端視為電阻器的兩端，該電阻器的電阻即為輸入阻抗。

輸入阻抗與普通電抗元件沒有什麼不同。 它反映了當前阻礙的程度。 對於電壓驅動電路，輸入阻抗越大，電壓源上的負載越輕，越容易驅動。 會對信號源產生影響； 對於電流驅動電路，輸入阻抗越小，電流源上的負載越輕。 囙此，我們可以認為：如果由電壓源驅動，輸入阻抗越大越好； 如果由電流源驅動，阻抗越小越好。 考慮阻抗匹配

2 輸出阻抗

無論信號源或放大器和電源如何，都存在輸出阻抗問題。 輸出阻抗是信號源的內阻。 最初，對於理想電壓源（包括電源），內阻應為0，或者對於理想電流源，阻抗應為無窮大。 在電路設計中，輸出阻抗是最重要的，但實際的電壓源不能做到這一點。 我們通常使用一個理想的電壓源與電阻r串聯，以等效於實際的電壓源。 與理想電壓源串聯的電阻r是（信號源/放大器輸出/電源）的內阻。 當該電壓源向負載供電時，電流I將流過負載，並在該電阻上產生I*r的電壓降。這將導致電源的輸出電壓下降，從而限制最大輸出功率（有關最大輸出功率受到限制的原因，請參閱下麵的“阻抗匹配”問題）。 同樣，一個理想的電流源，輸出阻抗應該是無限的，但實際的電路是不可能的

3、阻抗匹配

阻抗匹配是指信號源或傳輸線與負載之間合適的匹配方法。 阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情况。

讓我們從驅動負載的直流電壓源開始。 由於實際電壓源總是有內阻（請參閱輸出阻抗問題），我們可以將實際電壓源轉換為理想電壓源和串聯電阻r的A模型。 假設負載電阻為R，電源電動勢為U，內阻為R，那麼我們可以計算流過電阻R的電流為：I=U/（R+R），可以看出負載電阻R越小，輸出電流越大。 負載R上的電壓為：Uo=IR=U/[1+（R/R）]，可以看出，負載電阻R越大，輸出電壓Uo越高。 讓我們將電阻器R消耗的功率計算為：

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}

對於給定的信號源，內阻r是固定的，負載電阻r由我們選擇。 注意，在公式（（Rr）2/R）中，當R=R時，（（Rr）2/R）可獲得最小值0，則可從負載電阻R Pmax=U2/（4*R）獲得最大輸出功率。 也就是說，當負載電阻等於信號源的內阻時，負載可以獲得最大輸出功率。 這是我們常說的阻抗匹配之一。 對於純電阻電路，這一結論也適用於低頻電路和高頻電路。 當交流電路包含電容或電感阻抗時，結論會發生變化，即信號源與負載阻抗的實部相等，虛部相反。 這稱為共軛匹配。 在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，而只考慮信號源和負載之間的情况，因為低頻訊號的波長比傳輸線要長。 可以將傳輸線視為“短線”，可以忽略反射（這可以理解：因為傳輸線很短，即使反射回來，它仍然與原始訊號相同）。 從以上分析可以得出結論：如果需要較大的輸出電流，選擇較小的負載R； 如果需要較大的輸出電壓，選擇較大的負載R； 如果需要最大輸出功率，請選擇與信號源內阻匹配的電阻器R。 有時阻抗失配還有另一個含義。 例如，某些儀器的輸出是在特定負載條件下設計的。 如果負載條件發生變化，可能無法達到原始效能。 此時，我們也將稱為阻抗失配。

在裡面 高頻電路, 我們還必須考慮反思問題. 訊號頻率高時, 訊號的波長很短. 當波長短到與傳輸線的長度相當時, 疊加在原始訊號上的反射訊號將發生變化. 原始訊號的形狀. If the characteristic impedance of the transmission line is not equal to the load impedance (that is, it does not match), 反射將在加載端發生. 當阻抗不匹配且求解特性阻抗的方法涉及二階偏置時，為什麼會發生反射微分方程的解, 我們在這裡不詳細介紹. 如果你感興趣, 請參攷電磁場和微波中的傳輸線理論. The characteristic impedance of the transmission line (also called the characteristic impedance) is determined by the structure and 材料 of the transmission line, 以及傳輸線的長度, 訊號的振幅和頻率是無關的.

例如，通常使用的CCTV同軸電纜的特性阻抗為75°），而一些射頻設備通常使用的同軸電纜的特性阻抗為50°。 另一條常見的輸電線路是一條平坦的平行線路，其特徵阻抗為300Ω，位於農村地區。 使用的電視天線架更常見，用於製作八木天線的饋線。 由於電視射頻輸入端的輸入阻抗為75Î），囙此300Ω饋線將與之不匹配。 如何在實踐中解决這個問題？ 我不知道。 您是否注意到電視附件中有一個300Ω到75Ω的阻抗轉換器（一個塑膠包裝，一端有一個圓形插頭，大約兩個拇指大小）。 內部實際上是一個傳輸線變壓器，它將300Ω的阻抗轉換為75Ω，以便匹配。 這裡應該強調的是，特性阻抗不是我們通常理解的電阻的概念，它與傳輸線的長度無關。 不能用歐姆錶量測。 為了不產生反射，負載阻抗應等於傳輸線的特性阻抗。 這是傳輸線的阻抗匹配。 如果阻抗不匹配，會有什麼不良後果？ 如果不匹配，會形成反射，能量無法傳輸，效率降低； 傳輸線上將形成駐波（簡單的理解是，訊號在某些地方很强，而訊號在某些地方很弱），導致傳輸線的有效功率容量降低； 電源無法傳輸，甚至可能損壞傳輸設備。 如果電路板上的高速訊號線與負載阻抗不匹配，則會產生振盪、輻射干擾等。

當阻抗不匹配時，如何使其匹配？ 首先，您可以考慮使用變壓器進行阻抗轉換，就像上面電視機中的例子一樣。 其次，可以考慮使用串聯/並聯電容器或電感，這在調試射頻電路時經常使用。 第3，可以考慮使用串聯/並聯電阻器。 一些驅動器的阻抗相對較低，可以串聯一個合適的電阻器以匹配傳輸線，例如高速訊號線，有時會串聯一個幾十歐姆的電阻器。 一些接收機的輸入阻抗相對較高。 並聯電阻器可用於匹配傳輸線。 例如，485匯流排接收器通常在數據線端子處並聯連接120歐姆的匹配電阻器。

為了幫助您理解阻抗不匹配時的反射問題，讓我舉兩個例子：假設您正在練習拳擊沙袋。 如果它是一個重量和硬度合適的沙袋，你會覺得玩起來很舒服。 但是 如果有一天我用手和脚做了一個沙袋，例如，如果裡面是用鐵砂代替的，你仍然用以前的力去打它，你的手可能承受不了它，這是超載的情况，會產生很大的反彈力。 相反，如果我把裡面換成非常輕的東西，你打拳時可能會空著，你的手可能無法承受，這是一種負載過輕的情况。 例如，我不知道你是否經歷過這樣的情况：當你看不清樓梯時，上下樓梯，當你認為有樓梯時，就會有一種“負載不匹配”的感覺。 當然，這樣的例子可能不太合適，但我們可以用它來理解負載不匹配時的反射。

為什麼前置放大器的輸入級阻抗很高？ 新增阻抗的方法有哪些

高輸入阻抗意味著電路（或前一電路的輸出）吸收的功率很小，電源或前一級可以驅動更多負載。 對於量測電路，如電子伏特計、示波器等，需要非常高的輸入阻抗，以便在連接到儀器後對被測電路的影響盡可能小。

如何改進：（1）場效應管，輸入阻抗自然較高。 （2）使用自舉連接新增輸入阻抗。 （3）採用公共採集放大電路，3極管放大電路的輸入級一般採用公共採集管道連接。

在理想狀態下，電壓驅動的後級電路只從前一級選取電壓，而不選取電流，囙此不選取功率。 對於前一階段，它幾乎是空載的，囙此阻抗越大，驅動就越容易。 事實上，後級的輸入阻抗只能接近無窮大。 真空管或CMOS器件的輸入可以達到GΩ級，並且從前級吸取的電流非常小。

例如，場效應管屬於電壓驅動型，由其形成的電路是電壓驅動電路。 由於其輸入阻抗大，其輸入電流可以忽略，囙此功耗也可以忽略；

3極管屬於電流驅動型，由其構成的電路是電流驅動電路，因為它需要注入電流才能工作，雖然其輸入阻抗相對較小，但仍會產生一定的功耗。

個人理解：

所謂的輸入阻抗主要考慮電路本身消耗的功率（可以理解為無意義的損耗）。 對於電壓驅動電路，阻抗越大，電流越小，P=I*I*R，驅動電路的電流越小，阻抗越小，P=I*I*R，功耗越小，囙此後一種電路可以輸出更多的功率。