Analisi di impedenza, impedenza di ingresso e impedenza di uscita

Impedenza è un termine collettivo per resistenza e reattanza e la differenza più grande tra resistenza e reattanza è che la limitazione della corrente di resistenza (legge di Ohm) consuma allo stesso tempo energia elettrica. La reattanza è limitata alla corrente e non consuma energia elettrica (senza compiere lavoro). La resistenza ha un effetto sulla corrente limitato sia in corrente continua che in corrente alternata, mentre la reattanza ha un effetto sulla corrente limitato solo in ambienti a corrente alternata.

L'impedenza di ingresso si riferisce all'impedenza equivalente all'estremità di ingresso di un circuito. Aggiungere una sorgente di tensione U al terminale di ingresso e misurare la corrente I sul terminale di ingresso, quindi l'impedenza di ingresso Rin è U/I. Puoi immaginare l'estremità di ingresso come le due estremità di un resistore e il valore di resistenza di questo resistore è l'impedenza di ingresso.

Sotto la stessa tensione di ingresso, se l'impedenza di ingresso è molto bassa, è necessario che scorra una corrente elevata, che mette alla prova la capacità di uscita di corrente dello stadio precedente; Se l'impedenza di ingresso è elevata, è necessaria solo una piccola quantità di corrente, il che riduce un carico significativo sulla capacità di uscita di corrente dello stadio anteriore. Quindi, nella progettazione del circuito, prova ad aumentare il più possibile l'impedenza di ingresso.

L'impedenza di ingresso non è diversa da un normale componente di reattanza, poiché riflette l'entità dell'effetto di blocco della corrente.

Per i circuiti pilotati in tensione, maggiore è l'impedenza di ingresso, più leggero è il carico sulla sorgente di tensione, rendendo più facile il pilotaggio senza influenzare la sorgente del segnale; Per i circuiti pilotati da corrente, minore è l'impedenza di ingresso, minore è il carico sulla sorgente di corrente.

Pertanto, possiamo pensare che se per pilotare viene utilizzata una sorgente di tensione, maggiore è l'impedenza di ingresso, meglio è; Se è pilotato da una sorgente di corrente, minore è l'impedenza, meglio è (nota: adatto solo per circuiti a bassa frequenza, nei circuiti ad alta frequenza si dovrebbe considerare anche l'adattamento dell'impedenza). Inoltre, quando si ottiene la massima potenza di uscita, l'impedenza dovrebbe essere preso in considerazione anche l'adattamento.impedenza di uscita

L'impedenza di uscita include l'impedenza interna della sorgente di tensione equivalente (circuito equivalente di Thevenin) o della sorgente di corrente equivalente (circuito equivalente di Norton) della porta di uscita della rete di alimentazione indipendente. Il suo valore è uguale all'impedenza di ingresso vista dalla porta di uscita quando l'alimentazione indipendente è impostata su zero.

Indipendentemente dalla sorgente del segnale, dall'amplificatore e dall'alimentatore, esiste un problema con l'impedenza di uscita. L'impedenza di uscita è la resistenza interna di una sorgente di segnale. Originariamente, per una sorgente di tensione ideale (incluso l'alimentatore), la resistenza interna dovrebbe essere 0, oppure l'impedenza di una sorgente di corrente ideale dovrebbe essere infinita. L'impedenza di uscita richiede la massima attenzione nella progettazione del circuito.

In realtà, le sorgenti di tensione non possono raggiungere questo obiettivo e una sorgente di tensione ideale è spesso collegata in serie con un resistore r per equivalere a una sorgente di tensione effettiva. Il resistore r in serie con la sorgente di tensione ideale è la resistenza interna della sorgente del segnale/uscita dell'amplificatore/alimentazione.

Quando questa sorgente di tensione alimenta il carico, una corrente I fluirà attraverso il carico e genererà I su questo resistore × La caduta di tensione di r. Ciò comporterà una diminuzione della tensione di uscita dell'alimentatore, limitando così la potenza di uscita massima.

Allo stesso modo, una sorgente di corrente ideale dovrebbe avere un'impedenza di uscita infinita, ma i circuiti reali sono impossibili.

L'impedenza di uscita si riferisce all'impedenza equivalente del circuito quando il carico del circuito è visto dalla porta di uscita del circuito nella direzione opposta. In realtà, si riferisce principalmente all'impedenza misurata dalla fonte di energia all'estremità di uscita, comunemente nota come resistenza interna.

Analisi del pensiero sull'impedenza dei circuiti di commutazione

Come mostrato nella figura seguente, V1 continua a fornire corrente a R1 e il circuito di corrente nella figura è mostrato dalla freccia verde. Quali metodi abbiamo se vogliamo controllare il flusso di corrente verso R1?

Il metodo più comune è quello di scollegare la connessione tra V1 e R1 e interrompere il circuito di corrente. Come mostrato nella figura seguente.

In alternativa, possiamo bypassare R1 come mostrato nella figura seguente. Aggiungi un filo davanti a R1 per dirigere la corrente verso il percorso a bassa impedenza e R1 otterrà una corrente trascurabile.

I due metodi precedenti sono molto semplici, disconnettendo completamente il percorso da V1 a R1 o cortocircuitando R1, il che risolve completamente il problema. Ma nel mondo dell’ingegneria, non possiamo farlo in modo così pulito e ordinato, spesso enfatizzando un aspetto 'simile' approccio. Pertanto, nel "modello a corto circuito", possiamo ottenere solo "bassa impedenza", mentre nel "modello a circuito aperto", possiamo ottenere solo "alta impedenza". Se l'energia è significativamente "attenuata", riteniamo che soddisfi lo standard.

Come mostrato nella figura seguente, viene mostrato il modello di carico di potenza effettivo. Vediamo come ottenere l'effetto di commutazione regolando l'impedenza. Nei circuiti reali, le fonti di alimentazione presentano limitazioni di capacità di uscita e resistenza interna e maggiore è la corrente di uscita, minore è la tensione di uscita.

Il seguente circuito ha una resistenza interna di 0,1 Ω e un carico di 1K Ω. Nella situazione attuale, la tensione ottenuta su entrambe le estremità del carico è composta da resistenza interna e tensione parziale R2. Possiamo calcolare V=5V * (1K/(1K+0,1))=4,9999V, I=5V/1000,1 Ω=4,9mA.

Se utilizziamo il "modello a circuito aperto" metodo per interrompere il circuito, come dovremmo regolare l'impedenza? Consiste nel collegare un resistore molto maggiore di 1K in serie tra l'alimentatore e il carico ed eseguire la divisione della tensione in serie per ridurre la tensione ottenuta su R2. Come mostrato nella figura seguente, se un resistore da 1M è collegato in serie al partitore di tensione di carico. Possiamo calcolare la distribuzione finale della tensione tra le due estremità del carico:

V=5 V * (1K/(0,1+1000K+1K))=0,00499 V, I=5 V/1001000,1 Ω=0,0049 mA. L'ampiezza è stata indebolita di quasi 1000 volte e, nel pensiero ingegneristico, R2 è quasi "disconnesso".

Se utilizziamo il "modello del cortocircuito" metodo per disconnettere R2, come dovremmo regolarlo? Consiste nel collegare un resistore molto più piccolo di 0,1 Ω in parallelo all'estremità anteriore del carico ed eseguire la condivisione della tensione in serie con il resistore interno, ottenendo una tensione inferiore ottenuta su R2.

Come mostrato nella figura seguente, se la misura di filtraggio equivale a un resistore da 0,005 Ω in parallelo e un partitore di tensione a resistenza interna. Possiamo calcolare la tensione finale distribuita tra le due estremità del carico R2:

V=5 V * (0,0049/(0,1+0,0049)=0,233 V. L'ampiezza è stata indebolita di quasi 20 volte e, nel pensiero ingegneristico, anche R2 è simile all'essere "scollegato".

Quanto sopra è il modello teorico dei circuiti di commutazione a semiconduttore, prendendo come esempio i circuiti inverter:

Quando l'estremità IN è accesa, diremo che il transistor MOS Q1 è in conduzione. A questo punto, lo stato di conduzione equivale a Q1 che diventa un resistore con un'impedenza di decine di milliohm e quindi divide la tensione con il resistore R1. Se il resistore pull-up R1 è troppo piccolo e anche di decine di milliohm, anche se IN è alto e Q1 è conduttivo, il terminale OUT non può emettere un livello basso.

Quando l'estremità IN viene spenta, diremo che il transistor MOS Q1 è interrotto. A questo punto, lo stato di interruzione equivale a Q1 che diventa un resistore con un'impedenza di pochi megaohm e divide la tensione con il resistore R1. Se il resistore pull-up R1 è troppo grande, ovvero di pochi megaohm, anche se IN è basso e Q1 è interrotto, il terminale OUT non può emettere un livello alto.

Pertanto, quando si comprendono a fondo i circuiti di commutazione, è necessario analizzarli pensando all'impedenza.

Circuito filtro analisi pensiero impedenza

Qui, analizza il circuito di filtraggio utilizzando il pensiero dell'impedenza.

Nelle applicazioni pratiche di ingegneria, un'uscita di potenza spesso contiene componenti CA di frequenze diverse, sia ciò che vogliamo sia ciò che non vogliamo. L'impedenza dell'induttanza e della capacità varierà con la frequenza. È proprio per questa caratteristica che induttori e condensatori sono diventati gli attori principali nei circuiti di filtraggio.

Il seguente circuito viene ancora utilizzato, presupponendo che l'alimentatore contenga una componente spettrale di
0-1GHz.

Se vogliamo filtrare i componenti CA ad alta frequenza per il carico R2, scopriremo che sia l'induttanza in serie che la capacità in parallelo possono soddisfare i requisiti.
Come mostrato nella figura seguente, se un induttore da 16uH è collegato in serie tra l'alimentatore e il carico, quanto decadrà il componente CA da 100 MHz? Secondo la formula dell'induttanza: ZL=2 π fL=2 * 3,14 * 100 MHz * 16uH, si può ottenere ZL=10K.

Secondo la formula del partitore di tensione in serie, la tensione/ingresso su entrambe le estremità di R3=R3/(R3+ZL)=1K/11K=0,0909. Pertanto, quando l'ampiezza dell'alimentatore è 5 V, l'ampiezza su entrambe le estremità di R3 è solo 5 V * 0,0909=0,45 V.

A 100 MHz, utilizzare un oscilloscopio per misurare la forma d'onda prima e dopo il filtraggio. Il confronto mostra che la forma d'onda a 100 MHz ha un effetto e la misurazione effettiva è 0,449 V, il che è coerente con i risultati dell'analisi.

Analisi dell'impedenza dei filtri passa-basso

Collegando un induttore in serie tra l'alimentatore e il carico e collegando un condensatore in parallelo all'estremità anteriore del carico, si forma un circuito di filtro passa-basso.

Di seguito, se C1=1uF e L1=22uH, qual è il grado di attenuazione del circuito di filtraggio rispetto al
Componente CA da 100 MHZ?

A questo punto il circuito viene collegato in parallelo con l'impedenza Zc del condensatore (C1) e R3, e poi diviso con l'impedenza ZL dell'induttore (L1). Quindi possiamo elencare l'equazione dell'impedenza (che è una semplice formula del divisore di tensione in serie).

Ampiezza di attenuazione=Vout/Vin=(Zc//R3)/(ZL+(Zc/R3)

Tra questi, Zc=1/2 π fC e ZL=2 π fL. Dato R3=1K Ω, si può concludere che Zc=0,0015 Ω, Zc/R=0,00149 Ω.

ZL=13816 Ω, l'ampiezza di attenuazione può essere ottenuta come 0,00149/(13816.00149)=0,000000178.

Si può vedere che il componente AC da 100 MHz difficilmente può passare attraverso il circuito di filtraggio passa-basso di 22uH e 1uF. Allo stesso tempo vediamo anche che il carico R3 può influenzare l'effetto filtrante del filtro. Quindi a volte scopriamo che lo stesso circuito di filtro funziona bene su questo circuito, ma male su altri circuiti.