電路入門小常識(shí)：電路常識(shí)性概念——輸入、輸出阻抗

本文是工程師對(duì)于一些初學(xué)電路的基本概念做的小結(jié)，希望分享之后對(duì)學(xué)電子的人很有幫助，望初學(xué)電子的人慢慢理解和消化！

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)普通的電抗元件沒什么兩樣，它反映了對(duì)電流阻礙作用的大小。

對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路，輸入阻抗越大，則對(duì)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(duì)信號(hào)源有影響;而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)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。)

2、輸出阻抗

無論信號(hào)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(hào)源的內(nèi)阻。本來，對(duì)于一個(gè)理想的電壓源(包括電源)，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。輸出阻抗在電路設(shè)計(jì)最特別需要注意。

現(xiàn)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(hào)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的電壓降。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(qǐng)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(yīng)該是無窮大，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(hào)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=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(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)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)，[(R-r)2/R]可取得最小值0，這時(shí)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(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。對(duì)于純電阻電路，此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。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(是對(duì)于最大輸出功率而言的)，就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共扼匹配。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(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長相對(duì)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(可以這么理解：因?yàn)榫€短，即使反射回來，跟原信號(hào)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最大，則選擇跟信號(hào)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，例如一些儀器輸出端是在特定的負(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題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等(即不匹配)時(shí)，在負(fù)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(xì)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(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號(hào)的幅度、頻率等均無關(guān)。