|
1、輸入阻抗 輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(gè)電壓源U，測量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin=U/I。你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端，這個(gè)電阻的阻值，就是輸入阻抗。 輸入阻抗跟一個(gè)普通的電抗元件沒(méi)什么兩樣，它反映了對電流阻礙作用的大小。 對于電壓驅動(dòng)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(dòng)，也不會(huì )對信號源有影響；而對于電流驅動(dòng)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(lái)驅動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來(lái)驅動(dòng)的，則阻抗越小越好（注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問(wèn)題。另外如果要獲取最大輸出功率時(shí)，也要考慮阻抗匹配問(wèn)題。） 2、輸出阻抗 無(wú)論信號源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問(wèn)題。輸出阻抗就是一個(gè)信號源的內阻。本來(lái)，對于一個(gè)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(wú)窮大。輸出阻抗在電路設計最特別需要注意。 現實(shí)中的電壓源，則做不到這一點(diǎn)。我們常用一個(gè)理想電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻r的方式來(lái)等效一個(gè)實(shí)際的電壓源。這個(gè)跟理想電壓源串聯(lián)的電阻r，就是（信號源/放大器輸出/電源）的內阻了。當這個(gè)電壓源給負載供電時(shí)，就會(huì )有電流I從這個(gè)負載上流過(guò)，并在這個(gè)電阻上產(chǎn)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(guān)于為什么會(huì )限制最大輸出功率，請看后面的“阻抗匹配”）。同樣的，一個(gè)理想的電流源，輸出阻抗應該是無(wú)窮大，但實(shí)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(xiàn)跟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(dòng)一個(gè)負載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內阻的，我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設負載電阻為R，電源電動(dòng)勢為U，內阻為r，那么我們可以計算出流過(guò)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(lái)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 } 對于一個(gè)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(lái)選擇的。注意式中[(R-r)2/R]，當R=r時(shí)，[(R-r)2/R]可取得最小值0，這時(shí)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(shí)，負載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說(shuō)的阻抗匹配之一。 對于純電阻電路，此結論同樣適用于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(shí)，結論有所改變（是對于最大輸出功率而言的），就是需要信號源與負載阻抗的的實(shí)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(xiàn)的匹配問(wèn)題，只考慮信號源跟負載之間的情況，因為低頻信號的波長(cháng)相對于傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)很長(cháng)，傳輸線(xiàn)可以看成是“短線(xiàn)”，反射可以不考慮（可以這么理解：因為線(xiàn)短，即使反射回來(lái)，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(shí)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(lái)的性能，這時(shí)我們也會(huì )叫做阻抗失配。 在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問(wèn)題。當信號的頻率很高時(shí)，則信號的波長(cháng)就很短，當波長(cháng)短得跟傳輸線(xiàn)長(cháng)度可以比擬時(shí)，反射信號疊加在原信號上將會(huì )改變原信號的形狀。如果傳輸線(xiàn)的特征阻抗跟負載阻抗不相等（即不匹配）時(shí)，在負載端就會(huì )產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì )產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細說(shuō)了，有興趣的可參看電磁場(chǎng)與微波方面書(shū)籍中的傳輸線(xiàn)理論。傳輸線(xiàn)的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線(xiàn)的結構以及材料決定的，而與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度，以及信號的幅度、頻率等均無(wú)關(guān)。 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征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見(jiàn)的傳輸線(xiàn)是特性阻抗為300Ω的扁平平行線(xiàn)，這在農村使用的電視天線(xiàn)架上比較常見(jiàn)，用來(lái)做八木天線(xiàn)的饋線(xiàn)。因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω，所以300Ω的饋線(xiàn)將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個(gè)問(wèn)題的呢？不知道大家有沒(méi)有留意到，電視機的附件中，有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉換器（一個(gè)塑料封裝的，一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東，大概有兩個(gè)大拇指那么大）。它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線(xiàn)變壓器，將300Ω的阻抗，變換成75Ω的，這樣就可以匹配起來(lái)了。這里需要強調一點(diǎn)的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念，它與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度無(wú)關(guān)，也不能通過(guò)使用歐姆表來(lái)測量。為了不產(chǎn)生反射，負載阻抗跟傳輸線(xiàn)的特征阻抗應該相等，這就是傳輸線(xiàn)的阻抗匹配，如果阻抗不匹配會(huì )有什么不良后果呢？如果不匹配，則會(huì )形成反射，能量傳遞不過(guò)去，降低效率；會(huì )在傳輸線(xiàn)上形成駐波（簡(jiǎn)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(xiàn)的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至會(huì )損壞發(fā)射設備。如果是電路板上的高速信號線(xiàn)與負載阻抗不匹配時(shí)，會(huì )產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。 當阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉換，就像上面所說(shuō)的電視機中的那個(gè)例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調試射頻電路時(shí)常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來(lái)跟傳輸線(xiàn)匹配，例如高速信號線(xiàn)，有時(shí)會(huì )串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來(lái)跟傳輸線(xiàn)匹配，例如，485總線(xiàn)接收器，常在數據線(xiàn)終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。 為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問(wèn)題，我來(lái)舉兩個(gè)例子：假設你在練習拳擊——打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會(huì )感覺(jué)很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會(huì )受不了了——這就是負載過(guò)重的情況，會(huì )產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會(huì )撲空，手也可能會(huì )受不了——這就是負載過(guò)輕的情況。另一個(gè)例子，不知道大家有沒(méi)有過(guò)這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時(shí)上/下樓梯，當你以為還有樓梯時(shí)，就會(huì )出現“負載不匹配”這樣的感覺(jué)了。當然，也許這樣的例子不太恰當，但我們可以拿它來(lái)理解負載不匹配時(shí)的反射情況。 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ Q：什么是電流控制器件？ A：如果這個(gè)器件的輸出參數大小和輸入的電流參數大小有關(guān)，就叫該器件是“電流控制器件”，簡(jiǎn)稱(chēng)“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(dòng)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：什么是電壓控制器件？ S：如果這個(gè)器件的輸出參數大小和輸入的電壓參數大小有關(guān)，就叫該器件是“電壓控制器件”，簡(jiǎn)稱(chēng)“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(dòng)功率；例如：場(chǎng)效應晶體管(FET)是電壓控制器件、MOS電路是電壓控制器件。 Q：為什么BJT是電流控制器件而FET和MOS是電壓控制器件？ S：BJT是通過(guò)基極電流來(lái)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(lái)改變源漏電流，所以說(shuō)BJT是電流控制器件，而FET和MOS是電壓控制器件。 |
