带负载能力
带负载能力是指,外接器件后,输出的电压或电流大小不受影响的能力。比如,如果一个单片机的引脚输出5伏电压信号,如果接上一个负载后,它的5伏保持不变,那么,它就可以带动这个负载,如果变小,那就说明带不动负载。同样,如果输出的电流能够满足负载的需要,那就说明带负载能力满足要求,反之亦然。
所谓带负载能力,是说电路的输出电阻的大小,和电压源(电流源)中的内阻是一个意思。
例如:
在放大电路中,如果你想负载获得得稳定的电压,即负载大小变化时也能获得稳定的电压,此时就要求放大电路的输出电阻越小越好,这样内阻基本上不参与输出电压的分压,所以负载电阻不管多大它上面的电压基本不变。你完全可以用电压源串一个内阻接负载时的情况分析。
如果放大电路输出可以等效成电流源(如果你想让负载上获得稳定的电流),此时就要求输出输出电阻越大越好(最好无穷大),这样不管负载怎么变化内阻(它是并联的)分得的电流都很小,所以电流很稳定。你完全可以用理想电流源并联一个内阻的情况来分析。
所以在实际电路,你要看它的输出端是想稳定输出电流还是想稳定电压(放大电路中的负反馈类型可以判断出来),如果是想稳定输出电压,说它带负载能力强表示其输出电阻比较小,如果是稳定输出电流,说它带负载能力强表示其输出电阻比较大。
通常,要求输出电阻比较小的情况居多。
输入阻抗
输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的阻值,就是输入阻抗。
输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样,它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。因此,我们可以这样认为:如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(注:只适合于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题。另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑阻抗匹配问题。
不管对于电压源还是电流源,其功率都是一定的(理想的为无穷大)。
分析:
对于电压源: P=(U^2)/R
电压一定,则输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响;
对于电流源: P=(I^2)R
而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。
输出阻抗
输出阻抗是在出口处测得的阻抗。阻抗越小,驱动更大负载的能力就越高。
无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来,对于一个理想的电压源,内阻应该为0,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。但现实的电压源,则不能做到这一点,我们常用一个理想电压源串联一个电阻R的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻R,就是(信号源/放大器输出/电源)的内阻了。当这个电压源给负载供电时,就会有电流I从这个负载上流过,并在这个电阻上产生I*R的压降。这将导致电源输出电压的下降,从而限制了最大输出功率(关于为什么会限制最大输出功率,请看后面的“阻抗匹配”一问)。同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际的电路是不可能的。
引入输入阻抗和输出阻抗这两个词,最大的目的是在设计电路中,要提高效率,即要达到阻抗匹配,达到最佳效果。
有了输入输出阻抗这两个词,还可以方便两个电路独立的分开来设计。当A电路中输入阻抗和B电路的输出阻抗相同(或者在一定范围)时,两个电路就可不作任何更改,直接组合成一个更复杂的电路(或者系统)。
由上也可以得出:输入阻抗和输出阻抗实际上就是等效电阻,单位与电阻相同。
阻抗匹配
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源,总是有内阻的,我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为 : I = U / (R + r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。负载R上的电压为 : Uo = IR = U / (1+(r/R)),可以看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为:
P = I*I*R =(U/(+r))2*R=U2/(((R-r)2/R)+4*R)
对于一个给定的信号源,其内阻R是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中((R-r)2/R),当R=r时,取最小值0,这是负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax = U2/4/R。即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可以获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的实部相等,虚部互为相反数,这叫做阻抗匹配。在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是短路,反射可以不考虑(可以这么理解:因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的)。从以上分析我们可以得出结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出断时在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这是我们也会叫做阻抗不匹配。
在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得和传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(不匹配)时,会在负载端产生反射。为什么阻抗不匹配会产生反射以及特征阻抗的求解方法,牵涉到二阶偏微分方程的求解,在这里我们也不细说了,有兴趣的可以参考电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构及材料决定的,而与传输线的长度、以及信号的幅度、频率无关。
电压驱动型器件和电阻驱动型器件
电压驱动的如:场效应管,因为它的内阻很大,加电压控制时电流很小,近似为零,所以可以理解成电压驱动;
电流驱动的如:普通的NPN、PNP型三极管,因为它的内阻较小,加电压控制时电流相对较大(一般小功率的都有100uA以上,大功率的可达20mA以上),所以可以理解成电流驱动;
从控制原理来说:电压驱动的如:场效应管,它是通过加到G、S端的电压(微观的就是电场)来控制D、S内部通道的宽窄(即通道可变)来控制D、S两端电流;电流驱动的如:普通的NPN、PNP型三极管,是通过加到B、E端的电流(微观的就是电子的流动)来控制C、E内部的电流流动(即通道不变)。