一般講:
采集信號
? ?? ?? ?? ? 1.信號源為電壓源,輸入阻抗越大越好;
? ?? ?? ?? ? 2.信號源為電流源,輸入阻抗越小越好;
采集功率
? ?? ?? ?? ? 1.輸入阻抗要與源阻抗一致
合成一句話,就是源和負(fù)載的阻抗要匹配(不同的應(yīng)用場合,“匹配”的涵義不一樣)
電路的帶負(fù)載能力與輸入輸出阻抗的關(guān)系
帶負(fù)載能力帶負(fù)載能力是指,外接器件后,輸出的電壓或電流大小不受影響的能力。比如,如果一個(gè)單片機(jī)的引腳輸出5伏電壓信號,如果接上一個(gè)負(fù)載后,它的5伏保持不變,那么,它就可以帶動(dòng)這個(gè)負(fù)載,如果變小,那就說明帶不動(dòng)負(fù)載。同樣,如果輸出的電流能夠滿足負(fù)載的需要,那就說明帶負(fù)載能力滿足要求,反之亦然。所謂帶負(fù)載能力,是說電路的輸出電阻的大小,和電壓源(電流源)中的內(nèi)阻是一個(gè)意思。
例如:在放大電路中,如果你想負(fù)載獲得得穩(wěn)定的電壓,即負(fù)載大小變化時(shí)也能獲得穩(wěn)定的電壓,此時(shí)就要求放大電路的輸出電阻越小越好,這樣內(nèi)阻基本上不參與輸出電壓的分壓,所以負(fù)載電阻不管多大它上面的電壓基本不變。你完全可以用電壓源串一個(gè)內(nèi)阻接負(fù)載時(shí)的情況分析。如果放大電路輸出可以等效成電流源(如果你想讓負(fù)載上獲得穩(wěn)定的電流),此時(shí)就要求輸出輸出電阻越大越好(最好無窮大),這樣不管負(fù)載怎么變化內(nèi)阻(它是并聯(lián)的)分得的電流都很小,所以電流很穩(wěn)定。你完全可以用理想電流源并聯(lián)一個(gè)內(nèi)阻的情況來分析。
所以在實(shí)際電路,你要看它的輸出端是想穩(wěn)定輸出電流還是想穩(wěn)定電壓(放大電路中的負(fù)反饋類型可以判斷出來),如果是想穩(wěn)定輸出電壓,說它帶負(fù)載能力強(qiáng)表示其輸出電阻比較小,如果是穩(wěn)定輸出電流,說它帶負(fù)載能力強(qiáng)表示其輸出電阻比較大。通常,要求輸出電阻比較小的情況居多。
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就是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)普通的電抗元件沒什么兩樣,它反映了對電流阻礙作用的大小。對于電壓驅(qū)動(dòng)的電路,輸入阻抗越大,則對電壓源的負(fù)載就越輕,因而就越容易驅(qū)動(dòng),也不會(huì)對信號源有影響;而對于電流驅(qū)動(dòng)型的電路,輸入阻抗越小,則對電流源的負(fù)載就越輕。因此,我們可以這樣認(rèn)為:如果是用電壓源來驅(qū)動(dòng)的,則輸入阻抗越大越好;如果是用電流源來驅(qū)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題。不管對于電壓源還是電流源,其功率都是一定的(理想的為無窮大)。
分析:對于電壓源:? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?P=(U^2)/R電壓一定,則輸入阻抗越大,則對電壓源的負(fù)載就越輕,因而就越容易驅(qū)動(dòng),也不會(huì)對信號源有影響;對于電流源:? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? P=(I^2)R
而對于電流驅(qū)動(dòng)型的電路,輸入阻抗越小,則對電流源的負(fù)載就越輕。
輸出阻抗輸出阻抗是在出口處測得的阻抗。阻抗越小,驅(qū)動(dòng)更大負(fù)載的能力就越高。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(gè)信號源的內(nèi)阻。本來,對于一個(gè)理想的電壓源,內(nèi)阻應(yīng)該為0,或理想電流源的阻抗應(yīng)當(dāng)為無窮大。但現(xiàn)實(shí)的電壓源,則不能做到這一點(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(nèi)阻了。當(dāng)這個(gè)電壓源給負(fù)載供電時(shí),就會(huì)有電流I從這個(gè)負(fù)載上流過,并在這個(gè)電阻上產(chǎn)生I*R的壓降。這將導(dǎo)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”一問)。同樣的,一個(gè)理想的電流源,輸出阻抗應(yīng)該是無窮大,但實(shí)際的電路是不可能的。引入輸入阻抗和輸出阻抗這兩個(gè)詞,最大的目的是在設(shè)計(jì)電路中,要提高效率,即要達(dá)到阻抗匹配,達(dá)到最佳效果。有了輸入輸出阻抗這兩個(gè)詞,還可以方便兩個(gè)電路獨(dú)立的分開來設(shè)計(jì)。當(dāng)A電路中輸入阻抗和B電路的輸出阻抗相同(或者在一定范圍)時(shí),兩個(gè)電路就可不作任何更改,直接組合成一個(gè)更復(fù)雜的電路(或者系統(tǒng))。
由上也可以得出:輸入阻抗和輸出阻抗實(shí)際上就是等效電阻,單位與電阻相同。
阻抗匹配阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負(fù)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(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源,總是有內(nèi)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(shè)負(fù)載電阻為R,電源電動(dòng)勢為U,內(nèi)阻為r,那么我們可以計(jì)算出流過電阻R的電流為 : I = U / (R r),可以看出,負(fù)載電阻R越小,則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為 : Uo = IR = U / (1 (r/R)),可以看出,負(fù)載電阻R越大,則輸出電壓Uo越高。再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為:
P = I*I*R =(U/( r))2*R=U2/(((R-r)2/R) 4*R)
對于一個(gè)給定的信號源,其內(nèi)阻R是固定的,而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中((R-r)2/R),當(dāng)R=r時(shí),取最小值0,這是負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax = U2/4/R。即,當(dāng)負(fù)載電阻跟信號源內(nèi)阻相等時(shí),負(fù)載可以獲得最大輸出功率,這就是我們常說的阻抗匹配之一。對于純電阻電路,此結(jié)論同樣適用于低頻及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí),結(jié)論有所改變,就是需要信號源與負(fù)載阻抗的實(shí)部相等,虛部互為相反數(shù),這叫做阻抗匹配。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(fù)載之間的情況,因?yàn)榈皖l信號的波長相對于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是短路,反射可以不考慮(可以這么理解:因?yàn)榫€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(jié)論:如果我們需要輸出電流大,則選擇小的負(fù)載R;如果我們需要輸出電壓大,則選擇大的負(fù)載R;如果我們需要輸出功率大,則選擇跟信號源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思,例如一些儀器輸出斷時(shí)在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的,如果負(fù)載條件改變了,則可能達(dá)不到原來的性能,這是我們也會(huì)叫做阻抗不匹配。
在高頻電路中,我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號的頻率很高時(shí),則信號的波長就很短,當(dāng)波長短得和傳輸線長度可以比擬時(shí),反射信號疊加在原信號上將會(huì)改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等(不匹配)時(shí),會(huì)在負(fù)載端產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配會(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,在這里我們也不細(xì)說了,有興趣的可以參考電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結(jié)構(gòu)及材料決定的,而與傳輸線的長度、以及信號的幅度、頻率無關(guān)。
電壓驅(qū)動(dòng)型器件和電阻驅(qū)動(dòng)型器件電壓驅(qū)動(dòng)的如:場效應(yīng)管,因?yàn)樗膬?nèi)阻很大,加電壓控制時(shí)電流很小,近似為零,所以可以理解成電壓驅(qū)動(dòng);
電流驅(qū)動(dòng)的如:普通的NPN、PNP型三極管,因?yàn)樗膬?nèi)阻較小,加電壓控制時(shí)電流相對較大(一般小功率的都有100uA以上,大功率的可達(dá)20mA以上),所以可以理解成電流驅(qū)動(dòng);
從控制原理來說:電壓驅(qū)動(dòng)的如:場效應(yīng)管,它是通過加到G、S端的電壓(微觀的就是電場)來控制D、S內(nèi)部通道的寬窄(即通道可變)來控制D、S兩端電流;電流驅(qū)動(dòng)的如:普通的NPN、PNP型三極管,是通過加到B、E端的電流(微觀的就是電子的流動(dòng))來控制C、E內(nèi)部的電流流動(dòng)(即通道不變)。
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