详解输出阻抗与输入阻抗

电源Fan 2021-09-07 08:56

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一般讲：
<a>采集信号
         1.信号源为电压源，输入阻抗越大越好；
         2.信号源为电流源，输入阻抗越小越好；
<b>采集功率
         1.输入阻抗要与源阻抗一致
合成一句话，就是源和负载的阻抗要匹配(不同的应用场合，“匹配”的涵义不一样)

电路的带负载能力与输入输出阻抗的关系

带负载能力

带负载能力是指，外接器件后，输出的电压或电流大小不受影响的能力。比如，如果一个单片机的引脚输出5伏电压信号，如果接上一个负载后，它的5伏保持不变，那么，它就可以带动这个负载，如果变小，那就说明带不动负载。同样，如果输出的电流能够满足负载的需要，那就说明带负载能力满足要求，反之亦然。

所谓带负载能力，是说电路的输出电阻的大小，和电压源（电流源）中的内阻是一个意思。

例如:

在放大电路中，如果你想负载获得得稳定的电压，即负载大小变化时也能获得稳定的电压，此时就要求放大电路的输出电阻越小越好，这样内阻基本上不参与输出电压的分压，所以负载电阻不管多大它上面的电压基本不变。你完全可以用电压源串一个内阻接负载时的情况分析。

如果放大电路输出可以等效成电流源（如果你想让负载上获得稳定的电流），此时就要求输出输出电阻越大越好（最好无穷大），这样不管负载怎么变化内阻（它是并联的）分得的电流都很小，所以电流很稳定。你完全可以用理想电流源并联一个内阻的情况来分析。

所以在实际电路，你要看它的输出端是想稳定输出电流还是想稳定电压（放大电路中的负反馈类型可以判断出来），如果是想稳定输出电压，说它带负载能力强表示其输出电阻比较小，如果是稳定输出电流，说它带负载能力强表示其输出电阻比较大。

通常，要求输出电阻比较小的情况居多。

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。你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，我们可以这样认为：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。另外如果要获取最大输出功率时，也要考虑阻抗匹配问题。

不管对于电压源还是电流源，其功率都是一定的（理想的为无穷大）。

分析：

对于电压源：

P=(U^2)/R

电压一定，则输入阻抗越大，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；

对于电流源：

P=(I^2)R

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。

输出阻抗

输出阻抗是在出口处测得的阻抗。阻抗越小，驱动更大负载的能力就越高。

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，内阻应该为0，或理想电流源的阻抗应当为无穷大。但现实的电压源，则不能做到这一点，我们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）。同样的，一个理想的电流源，输出阻抗应该是无穷大，但实际的电路是不可能的。

引入输入阻抗和输出阻抗这两个词，最大的目的是在设计电路中，要提高效率，即要达到阻抗匹配，达到最佳效果。

有了输入输出阻抗这两个词，还可以方便两个电路独立的分开来设计。当A电路中输入阻抗和B电路的输出阻抗相同（或者在一定范围）时，两个电路就可不作任何更改，直接组合成一个更复杂的电路（或者系统）。

由上也可以得出：输入阻抗和输出阻抗实际上就是等效电阻，单位与电阻相同。

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。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。我们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，我们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 = I*I*R =(U/(+r))2*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，取最小值0，这是负载电阻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，负载可以获得最大输出功率，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实部相等，虚部互为相反数，这叫做阻抗匹配。在低频电路中，我们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路，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）。从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出断时在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这是我们也会叫做阻抗不匹配。

在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得和传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（不匹配）时，会在负载端产生反射。为什么阻抗不匹配会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们也不细说了，有兴趣的可以参考电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构及材料决定的，而与传输线的长度、以及信号的幅度、频率无关。

电压驱动型器件和电阻驱动型器件

电压驱动的如：场效应管，因为它的内阻很大，加电压控制时电流很小，近似为零，所以可以理解成电压驱动；

电流驱动的如：普通的NPN、PNP型三极管，因为它的内阻较小，加电压控制时电流相对较大（一般小功率的都有100uA以上，大功率的可达20mA以上），所以可以理解成电流驱动；

从控制原理来说：电压驱动的如：场效应管，它是通过加到G、S端的电压（微观的就是电场）来控制D、S内部通道的宽窄（即通道可变）来控制D、S两端电流；电流驱动的如：普通的NPN、PNP型三极管，是通过加到B、E端的电流（微观的就是电子的流动）来控制C、E内部的电流流动（即通道不变）。

END

来源：面包板社区

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