2014年5月7日 星期三

[轉] 電路常識性概念(1)-輸入、輸出阻抗

1、輸入阻抗
       輸入阻抗是指一個電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個電壓源U,測量輸入端的電流I,則輸入阻抗Rin=U/I。你可以把輸入端想像成一個電阻的兩端,這個電阻的阻值,就是輸入阻抗。
       輸入阻抗跟一個普通的電抗元件沒什麼兩樣,它反映了對電流阻礙作用的大小。
       對於電壓驅動的電路,輸入阻抗越大,則對電壓源的負載就越輕,因而就越容易驅動,也不會對信號源有影響而對於電流驅動型的電路,輸入阻抗越小,則對電流源的負載就越輕。因此,我們可以這樣認為:如果是用電壓源來驅動的,則輸入阻抗越大越好;如果是用電流源來驅動的,則阻抗越小越好(註:只適合於低頻電路,在高頻電路中,還要考慮阻抗匹配問題。另外如果要獲取最大輸出功率時,也要考慮阻抗匹配問題。)
2、輸出阻抗
       無論信號源或放大器還有電源,都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個信號源的內阻。本來,對於一個理想的電壓源(包括電源),內阻應該為0,或理想電流源的阻抗應當為無窮大。輸出阻抗在電路設計最特別需要注意。

       現實中的電壓源,則做不到這一點。我們常用一個理想電壓源串聯一個電阻r的方式來等效一個實際的電壓源。這個跟理想電壓源串聯的電阻r,就是(信號源/放大器輸出/電源)的內阻了。當這個電壓源給負載供電時,就會有電流I從這個負載上流過,並在這個電阻上產生I×r的電壓降。這將導致電源輸出電壓的下降,從而限制了最大輸出功率(關於為什麼會限制最大輸出功率,請看後面的「阻抗匹配」)。同樣的,一個理想的電流源,輸出阻抗應該是無窮大,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者傳輸線負載之間的一種合適的搭配方式。
       阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。
       我們先從直流電壓源驅動一個負載入手。由於實際的電壓源,總是有內阻的,我們可以把一個實際電壓源,等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯的模型。假設負載電阻為R,電源電動勢為U,內阻為r,那麼我們可以計算出流過電阻R的電流為:I=U/(R+r),可以看出,負載電阻R越小,則輸出電流越大。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,則輸出電壓Uo越高。再來計算一下電阻R消耗的功率為:
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 }
       對於一個給定的信號源,其內阻r是固定的,而負載電阻R則是由我們來選擇的。
       注意式中[(R-r)2/R],當R=r時,[(R-r)2/R]可取得最小值0,這時負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即,當負載電阻跟信號源內阻相等時,負載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說的阻抗匹配之一
       對於純電阻電路,此結論同樣適用於低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時,結論有所改變(是對於最大輸出功率而言的),就是需要信號源與負載阻抗的的實部相等,虛部互為相反數,這叫做共扼匹配。在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的匹配問題,只考慮信號源跟負載之間的情況,因為低頻信號的波長相對於傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是「短線」,反射可以不考慮(可以這麼理解:因為線短,即使反射回來,跟原信號還是一樣的)。
       從以上分析我們可以得出結論:如果我們需要輸出電流大,則選擇小的負載R;如果我們需要輸出電壓大,則選擇大的負載R;如果我們需要輸出功率最大,則選擇跟信號源內阻匹配的電阻R。有時阻抗不匹配還有另外一層意思,例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設計的,如果負載條件改變了,則可能達不到原來的性能,這時我們也會叫做阻抗失配。
  
在高頻電路中,我們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時,則信號的波長就很短,當波長短得跟傳輸線長度可以比擬時,反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特徵阻抗跟負載阻抗不相等(即不匹配)時,在負載端就會產生反射。為什麼阻抗不匹配時會產生反射以及特徵阻抗的求解方法,牽涉到二階偏微分方程的求解,在這裡我們不細說了,有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特徵阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結構以及材料決定的,而與傳輸線的長度,以及信號的幅度、頻率等均無關。
例如,常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω,而一些射頻設備上則常用特徵阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Ω的扁平平行線,這在農村使用的電視天線架上比較常見,用來做八木天線的饋線。因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω,所以300Ω的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢?不知道大家有沒有留意到,電視機的附件中,有一個300Ω到75Ω的阻抗轉換器(一個塑料封裝的,一端有一個圓形的插頭的那個東東,大概有兩個大拇指那麼大)。它裡面其實就是一個傳輸線變壓器,將300Ω的阻抗,變換成75Ω的,這樣就可以匹配起來了。這裡需要強調一點的是,特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念,它與傳輸線的長度無關,也不能通過使用歐姆表來測量。為了不產生反射,負載阻抗跟傳輸線的特徵阻抗應該相等,這就是傳輸線的阻抗匹配,如果阻抗不匹配會有什麼不良後果呢?如果不匹配,則會形成反射,能量傳遞不過去,降低效率;會在傳輸線上形成駐波(簡單的理解,就是有些地方信號強,有些地方信號弱),導致傳輸線的有效功率容量降低;功率發射不出去,甚至會損壞發射設備。如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時,會產生震盪,輻射干擾等。
當阻抗不匹配時,有哪些辦法讓它匹配呢?第一,可以考慮使用變壓器來做阻抗轉換,就像上面所說的電視機中的那個例子那樣。第二,可以考慮使用串聯/並聯電容或電感的辦法,這在調試射頻電路時常使用。第三,可以考慮使用串聯/並聯電阻的辦法。一些驅動器的阻抗比較低,可以串聯一個合適的電阻來跟傳輸線匹配,例如高速信號線,有時會串聯一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高,可以使用並聯電阻的方法,來跟傳輸線匹配,例如,485總線接收器,常在數據線終端並聯120歐的匹配電阻。
       為了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題,我來舉兩個例子:假設你在練習拳擊——打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包,你打上去會感覺很舒服。但是,如果哪一天我把沙包做了手腳,例如,裡面換成了鐵沙,你還是用以前的力打上去,你的手可能就會受不了了——這就是負載過重的情況,會產生很大的反彈力。相反,如果我把裡面換成了很輕很輕的東西,你一出拳,則可能會撲空,手也可能會受不了——這就是負載過輕的情況。另一個例子,不知道大家有沒有過這樣的經歷:就是看不清樓梯時上/下樓梯,當你以為還有樓梯時,就會出現「負載不匹配」這樣的感覺了。當然,也許這樣的例子不太恰當,但我們可以拿它來理解負載不匹配時的反射情況。
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Q:什麼是電流控制器件?
A:如果這個器件的輸出參數大小和輸入的電流參數大小有關,就叫該器件是「電流控制器件」,簡稱「流控器件」。
     「電流控制器件」輸入的是電流信號,是低阻抗輸入,需要較大的驅動功率。例如:雙極型晶體管(BJT)是電流控制器件、TTL電路是電流控制器件

Q:什麼是電壓控制器件?
S:如果這個器件的輸出參數大小和輸入的電壓參數大小有關,就叫該器件是「電壓控制器件」,簡稱「壓控器件」。
     「電壓控制器件」輸入的是電壓信號,是高阻抗輸入,只需要較小的驅動功率;例如:場效應晶體管(FET)是電壓控制器件、MOS電路是電壓控制器件。

Q:為什麼BJT是電流控制器件而FET和MOS是電壓控制器件?
S:BJT是通過基極電流來控制集電極電流而達到放大作用的;而FET&MOS是靠控制柵極電壓來改變源漏電流,所以說BJT是電流控制器件,而FET和MOS是電壓控制器件。

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