输入阻抗与输出阻抗的功能及区别详解

时间:2022-12-19作者:佚名

有关输入阻抗与输出阻抗的功能及区别,输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗,输出阻抗就是一个信号源的内阻,阻抗匹配是指信号源或传输线跟负载间的一种合适的搭配方式。

一、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。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,可以认为: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,在获取最大输出功率时,也要考虑阻抗匹配的问题。

二、输出阻抗

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(包括电源),内阻应该为0,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。输出阻抗在电路设计时,需要特别注意。但现实中的电压源,则不能做到这一点。

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的电压降。

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,一个理想的电流源,输出阻抗应是无穷大,但实际的电路是不可能的。

三、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,将阻抗匹配分为低频和高频二种情况分开讨论。

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(请参看输出阻抗一问),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=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则是由我们来选择的.注意式中[(R-r)2/R],当R=r时,[(R-r)2/R]可取得最小值0,这时负载电阻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电路及高频电路.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的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共扼匹配。

在低频电路中,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“短线”,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,结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。

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