Анализ импеданса, входного импеданса и выходного импеданса

Импеданс — это собирательный термин для обозначения сопротивления и реактивного сопротивления, и самая большая разница между сопротивлением и реактивным сопротивлением заключается в том, что ограничение тока сопротивления (закон Ома) одновременно потребляет электрическую энергию. Реактивное сопротивление ограничено током и не потребляет электрическую энергию (без совершения работы). Сопротивление оказывает ограниченное влияние на ток как в постоянном, так и в переменном токе, тогда как реактивное сопротивление оказывает ограниченное влияние на ток только в средах с переменным током.

Входное сопротивление относится к эквивалентному сопротивлению на входном конце цепи. Добавьте источник напряжения U к входной клемме и измерьте ток I на входной клемме, тогда входное сопротивление Rin будет равно U/I. Вы можете представить входной конец как два конца резистора, а значение сопротивления этого резистора является входным сопротивлением.

При том же входном напряжении, если входное сопротивление очень низкое, должен протекать большой ток, который проверяет способность выходного тока предыдущего этапа; Если входное сопротивление высокое, требуется лишь небольшой ток, что снижает значительную нагрузку на выходной ток переднего каскада. Поэтому при проектировании схем постарайтесь максимально увеличить входное сопротивление.

Входное сопротивление ничем не отличается от обычной составляющей реактивного сопротивления, поскольку оно отражает величину эффекта блокировки тока.

Для схем, управляемых напряжением, чем больше входное сопротивление, тем меньше нагрузка на источник напряжения, что облегчает управление, не влияя на источник сигнала; Для схем, управляемых током, чем меньше входное сопротивление, тем меньше нагрузка на источник тока.

Следовательно, мы можем думать, что если для управления используется источник напряжения, то чем больше входное сопротивление, тем лучше; Если он питается от источника тока, то чем меньше сопротивление, тем лучше (примечание: подходит только для низкочастотных цепей, в высокочастотных цепях следует также учитывать согласование импеданса.) Кроме того, при получении максимальной выходной мощности сопротивление также следует учитывать соответствие.Выходное сопротивление

Выходное сопротивление включает в себя внутреннее сопротивление эквивалентного источника напряжения (эквивалентная схема Тевенина) или эквивалентного источника тока (эквивалентная схема Нортона) независимого выходного порта сети электропитания. Его значение равно входному сопротивлению, наблюдаемому со стороны выходного порта, когда независимый источник питания установлен на ноль.

Независимо от источника сигнала, усилителя и источника питания существует проблема с выходным сопротивлением. Выходное сопротивление — это внутреннее сопротивление источника сигнала. Первоначально для идеального источника напряжения (включая источник питания) внутреннее сопротивление должно быть равно 0, или полное сопротивление идеального источника тока должно быть бесконечным. Выходное сопротивление требует особого внимания при проектировании схемы.

В действительности источники напряжения не могут достичь этого, и идеальный источник напряжения часто подключается последовательно с резистором r, чтобы эквивалентно реальному источнику напряжения. Резистор r, включенный последовательно с идеальным источником напряжения, представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала/выхода усилителя/источника питания.

Когда этот источник напряжения подает питание на нагрузку, ток I будет течь через нагрузку и генерировать I на этом резисторе × Падение напряжения r. Это приведет к снижению выходного напряжения блока питания, тем самым ограничивая максимальную выходную мощность.

Точно так же идеальный источник тока должен иметь бесконечное выходное сопротивление, но реальные схемы невозможны.

Выходной импеданс относится к эквивалентному полному сопротивлению цепи, если смотреть на нагрузку цепи со стороны выходного порта схемы в противоположном направлении. Фактически, это в основном относится к импедансу, измеряемому источником энергии на выходном конце, обычно известному как внутреннее сопротивление.

Импедансный анализ коммутационных цепей

Как показано на следующем рисунке, V1 продолжает подавать ток на R1, а цепь тока на рисунке показана зеленой стрелкой. Какие методы у нас есть, если мы хотим контролировать ток, протекающий к R1?

Самый распространенный метод — отключить соединение между V1 и R1 и отключить цепь тока. Как показано на следующем рисунке.

Альтернативно мы можем обойти R1, как показано на следующем рисунке. Добавьте провод перед R1, чтобы направить ток по пути с низким импедансом, и R1 будет получать незначительный ток.

Два вышеупомянутых метода очень просты: либо полностью отключить путь от V1 до R1, либо закоротить R1, что полностью решает проблему. Но в мире инженерии мы не можем сделать это так чисто и аккуратно, часто подчеркивая «похожий» принцип. подход. Таким образом, в «модели короткого замыкания» мы можем достичь только «низкого импеданса», тогда как в «модели разомкнутой цепи» мы можем достичь только «высокого импеданса». Если энергия значительно «ослаблена», мы считаем, что она соответствует стандарту.

Как показано на рисунке ниже, показана реальная модель силовой нагрузки. Давайте посмотрим, как добиться эффекта переключения путем регулировки импеданса. В реальных схемах источники питания имеют ограничения по выходной мощности и внутреннему сопротивлению, и чем больше выходной ток, тем ниже выходное напряжение.

Следующая схема имеет внутреннее сопротивление 0,1 Ом и нагрузку 1 кОм. В текущей ситуации напряжение, полученное на обоих концах нагрузки, состоит из внутреннего сопротивления и частичного напряжения R2. Мы можем рассчитать V=5В * (1K/(1K+0,1))=4,9999В, I=5В/1000,1 Ом=4,9мА.

Если мы используем «модель разомкнутой цепи»; способ разорвать цепь, как нам отрегулировать сопротивление? Он заключается в том, чтобы последовательно между источником питания и нагрузкой подключить резистор номиналом намного больше 1К и выполнить последовательное деление напряжения для уменьшения напряжения, получаемого на R2. Как показано на следующем рисунке, если резистор номиналом 1 МОм подключен последовательно с делителем напряжения нагрузки. Мы можем рассчитать окончательное распределение напряжения между двумя концами нагрузки:

В=5В * (1К/(0,1+1000К+1К))=0,00499В, I=5В/1001000,1 Ом=0,0049мА. Амплитуда ослаблена почти в 1000 раз, и в инженерном мышлении R2 практически "отключен".

Если мы используем «модель короткого замыкания»; способ отключения R2, ​​как его настроить? Он заключается в подключении резистора сопротивлением намного меньше 0,1 Ом параллельно на входе нагрузки и последовательном распределении напряжения с внутренним резистором, в результате чего на R2 получается меньшее напряжение.

Как показано на следующем рисунке, если мера фильтрации эквивалентна параллельному резистору 0,005 Ом и внутреннему сопротивлению делителя напряжения. Мы можем рассчитать окончательное распределенное напряжение между двумя концами нагрузки R2:

V=5В * (0,0049/(0,1+0,0049)=0,233 В. Амплитуда ослаблена почти в 20 раз, и в инженерном мышлении R2 тоже похоже на "отключение".

Выше приведена теоретическая модель схем полупроводниковых переключателей на примере инверторных схем:

Когда на вход IN подается питание, мы будем говорить, что МОП-транзистор Q1 является проводящим. В этот момент состояние проводимости эквивалентно тому, что Q1 становится резистором с сопротивлением в десятки миллиом, а затем делит напряжение на резистор R1. Если подтягивающий резистор R1 слишком мал и имеет сопротивление в десятки миллиом, даже если IN имеет высокий уровень, а Q1 является проводящим, клемма OUT не может выводить низкий уровень.

Когда на входе IN будет отключено питание, мы будем говорить, что МОП-транзистор Q1 отключен. В этот момент состояние отсечки эквивалентно тому, что Q1 становится резистором с сопротивлением в несколько мегаом и делит напряжение на резистор R1. Если подтягивающий резистор R1 слишком велик, что также составляет несколько мегаом, даже если IN имеет низкий уровень и Q1 отключен, клемма OUT не может выводить высокий уровень.

Поэтому для глубокого понимания коммутационных схем необходимо анализировать их с помощью импедансного подхода.

Схема фильтра анализа импедансного мышления

Здесь проанализируйте схему фильтрации, используя импедансное мышление.

В практических инженерных приложениях выходная мощность часто содержит компоненты переменного тока разных частот, как того, что нам нужно, так и того, чего мы не хотим. Сопротивление индуктивности и емкости будет меняться в зависимости от частоты. Именно из-за этой характеристики катушки индуктивности и конденсаторы стали играть ведущую роль в схемах фильтрации.

Следующая схема все еще используется, предполагая, что источник питания содержит спектральную составляющую
0–1 ГГц.

Если мы хотим отфильтровать высокочастотные компоненты переменного тока для нагрузки R2, мы обнаружим, что как последовательная индуктивность, так и параллельная емкость могут соответствовать требованиям.
Как показано на следующем рисунке, если один дроссель 16 мкГн подключен последовательно между источником питания и нагрузкой, насколько сильно затухнет составляющая переменного тока частотой 100 МГц? По формуле импеданса индуктивности: ZL=2 π fL=2 * 3,14 * 100МГц * 16uH, можно получить ZL=10К.

Согласно формуле последовательного делителя напряжения, напряжение/вход на обоих концах R3=R3/(R3+ZL)=1K/11K=0,0909. Таким образом, когда амплитуда источника питания составляет 5 В, амплитуда на обоих концах R3 составляет всего 5 В * 0,0909 = 0,45 В.

На частоте 100 МГц используйте осциллограф для измерения формы сигнала до и после фильтрации. Сравнение показывает, что форма сигнала 100 МГц оказывает влияние, а фактическое измерение составляет 0,449 В, что согласуется с результатами анализа.

Импедансный анализ фильтров нижних частот

Путем последовательного подключения дросселя между источником питания и нагрузкой и параллельного подключения конденсатора на переднем конце нагрузки формируется схема фильтра нижних частот.

<а я=0> Далее, если C1=1uF и L1=22uH, какова степень затухания схемы фильтрации Компонент переменного тока 100 МГц?

В этот момент цепь подключается параллельно сопротивлению Zc конденсатора (C1) и R3, а затем разделяется сопротивлением ZL катушки индуктивности (L1). Итак, мы можем составить уравнение импеданса (которое представляет собой формулу простого последовательного делителя напряжения).

Амплитуда затухания = Vout/Vin = (Zc//R3)/(ZL+(Zc/R3)

Среди них Zc=1/2 π fC и ZL=2 π fL. Учитывая R3=1 кОм, можно сделать вывод, что Zc=0,0015 Ом, Zc/R=0,00149 Ом.

ZL=13816 Ом, амплитуду затухания можно получить как 0,00149/(13816,00149)=0,000000178.

Видно, что составляющая переменного тока частотой 100 МГц с трудом может пройти через схему фильтрации нижних частот 22 мкГн и 1 мкФ. В то же время мы также видим, что нагрузка R3 может влиять на фильтрующий эффект фильтра. Поэтому иногда мы обнаруживаем, что одна и та же схема фильтра хорошо работает в этой схеме, но плохо в других схемах.