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如何理解輸出阻抗與帶負載能力的關系

ss ? 來源:網絡整理 ? 2018-03-20 14:17 ? 次閱讀

什么是輸出阻抗?

阻抗是電路或設備對電流的阻力,輸出阻抗是在出口處測得的阻抗。阻抗越小,驅動更大負載的能力就越高。

輸出阻抗(outputimpedance)含獨立電源網絡輸出端口的等效電壓源(戴維南等效電路)或等效電流源(諾頓等效電路)的內阻抗。其值等于獨立電源置零時,從輸出端口視入的輸入阻抗。

輸出阻抗

與輸入阻抗相對應的,是輸出阻抗。

輸出阻抗,是指電路負載從電路輸出端口反著看進電路時電路所等效的阻抗,其實主要是針對能量源或者輸出電路來說的,是能量源在輸出端測到的阻抗,俗稱內阻。

電壓源驅動的電路

電壓源在加到負載上時,除了在負載端消耗能量,自身也會產生能量的消耗,這里是因為電壓源在輸出能量的時候,內部存在阻礙能量輸出的阻抗,比如電池的內阻。比如恒壓源U,輸出阻抗為Rout,負載端電壓為Ur,負載R,電流為I=U/(Rout+R),負載端電壓Ur=I*R=U*R/(Rout+R),負載產生的功率為P=Ur*I=U2*R/(Rout+R)2。由此公式可知,輸出阻抗越小,驅動負載的能力越大。

如何理解輸出阻抗與帶負載能力的關系

電流源驅動的電路

對于電流源驅動的電路,也存在輸出阻抗,輸出阻抗并聯在恒流源兩端。

電流源輸出恒定電流I,一部分In消耗在內阻Rout上,剩余的電流Ir消耗在負載R上,由此可知,負載R上電壓為Ur=Ir*R,和內阻Rout兩端電壓一致,即Ur=Ir*R=In*Rout,又因為I=Ir+In通過推導可知Ur=I*Rout*R/(Rout+R),負載端功率:

P=Ur*Ir=Ur2/Rout=I2*Rout*R2/(Rout+R)2=I2*R2/(Rout+R2/Rout+2R)

由此可知,在Rout=R時,外端負載P最大。因此,對于恒流源負載,要想獲得最大功率,需要將負載的電阻值和電流源的內阻匹配一致,即盡量趨近同一個值。

如何理解輸出阻抗與帶負載能力的關系

什么是帶負載能力?

帶負載能力就是代表器件的輸出電流的大小。對于標準TTL器件,輸出負載能力的高電平為0.4mA,而作為下級負載的TTL器件的輸入高電平電流為0.04mA(40uA),這樣一個標準TTL器件最大可以驅動8個以上標準TTL負載。

帶負載能力是指,外接器件后,輸出的電壓或電流大小不受影響的能力。比如,如果一個單片機的引腳輸出5伏電壓信號,如果接上一個負載后,它的5伏保持不變,那么,它就可以帶動這個負載,如果變小,那就說明帶不動負載。同樣,如果輸出的電流能夠滿足負載的需要,那就說明帶負載能力滿足要求,反之亦然。

輸出阻抗與帶負載能力的關系

輸出阻抗就是一個信號源的內阻。

對于一個理想的電壓源(包括電源),內阻應該為0,或理想電流源的阻抗應當為無窮大。

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(信號源/放大器輸出/電源)的內阻了。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,并在這個電阻上產生I×r的電壓降。這將導致電源輸出電壓的下降,從而限制了最大輸出功率。

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。電流源實際上等效為理想的電流源并聯一個電阻,這個電阻就是輸出阻抗R,R越大則越接近斷路,對后面的電路的影響就越小,因為后面的電路的阻值并聯這個無窮大還是它本身。

對于帶載能力,可以理解為輸出功率的大小。具體打個比方:帶負載能力越強就是原來可以帶動一個自行車,現在可以帶動一輛汽車前進。負載可以是燈泡、揚聲器、電機

按照電阻分壓原理,串聯電路中的分壓與阻值成正比,電阻值越大的分得的電壓越多,所以電壓放大電路的輸出電阻越小,那么它在同樣的電源消耗條件下對于相同阻抗的負載來說所分走并消耗在自身上的電壓越低,而負載上的電壓越高,所以相對于高輸出電阻的放大器來說,低輸出電阻的放大器可以帶起功率更大,內阻更小的負載來。

“更大的功率”和“更小的內阻”之間的聯系是指同等條件下,如果管子的功率都不一樣了就沒有可比性了。

負載的功率是和供電電壓以及末級驅動管的輸出電流有關的,但是如果所選的管子內阻小的話,就可以使電能盡可能多的被送到負載上而不是消耗在功率管上,這樣在同樣多的電能輸入時,就可以提到“更大的功率”了,其實是更高的效率。

一般大功率的功放用MOSFET管,因為它的內阻更小。

一般來說,電壓源的輸出阻抗越小越好,而電流源的輸出阻抗越大越好(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,要求限流或限壓保護的信號源除外)。

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