電壓源驅動和電流源驅動 輸入阻抗和輸出阻抗小結

電壓源輸出電壓固定，輸出電流随負載電阻大小變化。電流源輸出電流恒定，輸出電壓随負載變化。其作用是給負載供電。差別看負載阻抗是否可變。正常工作情況下需要的是穩定的電壓還是穩定的電流。通常 因為LED 的發光強度随電流變化，是以會選用恒流源驅動。而MCU等 供電電路因索取電流需變化，是以會選用電壓源供電。電壓源驅動；以穩壓或可調電壓的方式供電。如一般家用電器電流源驅動；以穩流或可調電流的方式供電。如LED點亮電源      

輸入阻抗和輸出阻抗小結  
 
 
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一、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就是U/I.你可以把輸入端想象成一個電阻的兩端,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.對于電壓驅動的電路,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,也不會對信号源有影響;而對于電流驅動型的電路,輸入阻抗越小,則對電流源的負載就越輕.是以,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(注:隻适合于低頻電路,在高頻電路中,還要考慮阻抗比對問題.另外如果要擷取最大輸出功率時,也要考慮 阻抗比對問題 

二、輸出阻抗 

無論信号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号源的内阻.本來,對于一個理想的電壓源(包括電源),内阻應該為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别需要注意 但現實中的電壓源,則不能做到這一點.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(信号源/放大器輸出/電源)的内阻了.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,并在這個電阻上産生I×r的電壓降.這将導緻電源輸出電壓的下降,進而限制了最大輸出功率(關于為什麼會限制最大輸出功率,請看後面的“阻抗比對”一問).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 

  三、阻抗比對 

阻抗比對是指信号源或者傳輸線跟負載之間的一種合适的搭配方式.阻抗比對分為低頻和高頻兩種情況讨論. 
我們先從直流電壓源驅動一個負載入手.由于實際的電壓源,總是有内阻的(請參看輸出阻抗一問),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,内阻為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} 

對于一個給定的信号源,其内阻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,當負載電阻跟信号源内阻相等時,負載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說的阻抗比對之一.對于純電阻電路,此結論同樣适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,結論有所改變,就是需要信号源與負載阻抗的的實部相等,虛部互為相反數,這叫做共扼比對.在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的比對問題,隻考慮信号源跟負載之間的情況,因為低頻信号的波長相對于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是“短線”,反射可以不考慮(可以這麼了解:因為線短,即使反射回來,跟原信号還是一樣的).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,則選擇跟信号源内阻比對的電阻R.有時阻抗不比對還有另外一層意思,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.當信号的頻率很高時,則信号的波長就很短,當波長短得跟傳輸線長度可以比拟時,反射信号疊加在原信号上将會改變原信号的形狀.如果傳輸線的特征阻抗跟負載阻抗不相等(即不比對)時,在負載端就會産生反射.為什麼阻抗不比對時會産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.傳輸線的特征阻抗(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,以及信号的幅度、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,而一些射頻裝置上則常用特征阻抗為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,是以300Ω的饋線将與其不能比對.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(一個塑膠封裝的,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,将300Ω的阻抗,變換成75Ω的,這樣就可以比對起來了.這裡需要強調一點的是,特性阻抗跟我們通常了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.為了不産生反射,負載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應該相等,這就是傳輸線的阻抗比對,如果阻抗不比對會有什麼不良後果呢?如果不比對,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(簡單的了解,就是有些地方信号強,有些地方信号弱),導緻傳輸線的有效功率容量降低;功率發射不出去,甚至會損壞發射裝置.如果是電路闆上的高速信号線與負載阻抗不比對時,會産生震蕩,輻射幹擾等. 




當阻抗不比對時,有哪些辦法讓它比對呢?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/并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/并聯電阻的辦法.一些驅動器的阻抗比較低,可以串聯一個合适的電阻來跟傳輸線比對,例如高速信号線,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,可以使用并聯電阻的方法,來跟傳輸線比對,例如,485總線接收器,常在資料線終端并聯120歐的比對電阻. 



為了幫助大家了解阻抗不比對時的反射問題,我來舉兩個例子:假設你在練習拳擊——打沙包.如果是一個重量合适的、硬度合适的沙包,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,會産生很大的反彈力.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曆: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“負載不比對”這樣的感覺了.當然,也許這樣的例子不太恰當,但我們可以拿它來了解負載不比對時的反射情況