输入阻抗、输出阻抗与阻抗匹配

输入阻抗与输出阻抗       

       阻抗(Impedance)的概念。在具有电阻、电感和电容的电路里,对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示,是一个复数,实部为电阻,虚部为电抗。其中,电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗(Capacitive Reactance),电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗(Inductive reactance),电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。 阻抗的单位是欧姆。

       阻抗匹配是指信号源或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。

       输入阻抗:是指一个电阻输入端的等效阻抗。在输入端加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。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。对于电压驱动型的电路,负载的输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对电压源产生影响。而对于电流驱动型的电路,负载的输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。因此,如果是用电压源驱动的,则负载的输入阻抗越大越好。如果是采用电流源来驱动的,则负载的输入阻抗越小越好。(备注:该理论只适合低频电路,在高频电路中,还需要考虑阻抗匹配的问题。同时如果需要考虑到获取最大的输出功率,也需要考虑阻抗匹配的问题)

       输出阻抗:输出阻抗是一个信号源的内阻。无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。对于一个理想的电压源来说,内阻应该为0(内阻为0才能使输出电压完全加载在负载上),对于一个理想的电流源来说,内阻应该为无穷大(内阻无穷大才能使输出电流不会因为负载的阻值而降低)但是在实际的电路设计中,是不存在这样的现象的。对于实际中的电压源,常用一个理想电压源串联一个电阻R(充当内阻)的方式来等效一个实际的电压源。这个电阻R就是输出阻抗了。当使用电压源给负载供电的时候,就会有电流I流过负载,同时这个电流也会在内阻R上产生一个电压降,这样就导致电压源输出的电压大于负载两端的电压,也就是限制了最大的输出功率。

 

原理:

输入阻抗、输出阻抗与阻抗匹配_第1张图片

以电池驱动负载模型(直流电压源驱动负载)分析。定义负载电阻为Rload,直流电源电动势为U,电池自身的内阻为r。

1流过负载电阻R的电流I为:I = U/(R+r)

负载R越小,输出电流I越大。

 

2负载R上的电压Uo为:Uo = IR = U / [ 1+(r/R) ]

负载R越大,则输出电压Uo越高。

 

3负载R上消耗的功率P:

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 }

对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R是由我们来进行选择的。注意式中的[ (R-r)²/R ],当R = r,即负载R与信号源内阻r相等时,[ (R-r)²/R ]取得最小值0,此时负载R上可以获得最大输出功率Pmax = U²/(4×r)。即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一(最大功率传输)。

应用:最理想的状态

  • 电压源驱动 or 需要输出大电压:内阻为0,负载越大越好。(电压源的负载越轻,越易驱动)
  • 电流源驱动 or 需要输出大电流:内阻为∞,负载越小越好。(电流源的负载越轻,越易驱动)
  •                       需要输出大功率 :选择与信号源内阻匹配的电阻R。

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