輸入阻抗、輸出阻抗與阻抗比對

輸入阻抗與輸出阻抗       

       阻抗（Impedance）的概念。在具有電阻、電感和電容的電路裡，對電路中的電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示，是一個複數，實部為電阻，虛部為電抗。其中，電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗（Capacitive Reactance）,電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗（Inductive reactance），電容和電感在電路中對交流電引起的阻礙作用總稱為電抗。 阻抗的機關是歐姆。

       阻抗比對是指信号源或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。

       輸入阻抗：是指一個電阻輸入端的等效阻抗。在輸入端加上一個電壓源U，測量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。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。對于電壓驅動型的電路，負載的輸入阻抗越大，則對電壓源的負載就越輕，因而就越容易驅動，也不會對電壓源産生影響。而對于電流驅動型的電路，負載的輸入阻抗越小，則對電流源的負載就越輕。是以，如果是用電壓源驅動的，則負載的輸入阻抗越大越好。如果是采用電流源來驅動的，則負載的輸入阻抗越小越好。（備注：該理論隻适合低頻電路，在高頻電路中，還需要考慮阻抗比對的問題。同時如果需要考慮到擷取最大的輸出功率，也需要考慮阻抗比對的問題）

       輸出阻抗：輸出阻抗是一個信号源的内阻。無論信号源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問題。對于一個理想的電壓源來說，内阻應該為0（内阻為0才能使輸出電壓完全加載在負載上），對于一個理想的電流源來說，内阻應該為無窮大（内阻無窮大才能使輸出電流不會因為負載的阻值而降低）。但是在實際的電路設計中，是不存在這樣的現象的。對于實際中的電壓源，常用一個理想電壓源串聯一個電阻R（充當内阻）的方式來等效一個實際的電壓源。這個電阻R就是輸出阻抗了。當使用電壓源給負載供電的時候，就會有電流I流過負載，同時這個電流也會在内阻R上産生一個電壓降，這樣就導緻電壓源輸出的電壓大于負載兩端的電壓，也就是限制了最大的輸出功率。

原理：

以電池驅動負載模型（直流電壓源驅動負載）分析。定義負載電阻為Rload，直流電源電動勢為U，電池自身的内阻為r。

（1）流過負載電阻R的電流I為：I = U/（R+r）

負載R越小，輸出電流I越大。

（2）負載R上的電壓Uo為：Uo = IR = U / [ 1+(r/R) ]

負載R越大，則輸出電壓Uo越高。

（3）負載R上消耗的功率P：

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是由我們來進行選擇的。注意式中的[ (R-r)²/R ]，當R = r，即負載R與信号源内阻r相等時，[ (R-r)²/R ]取得最小值0，此時負載R上可以獲得最大輸出功率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（最大功率傳輸）。

應用：最理想的狀态

• 電壓源驅動 or 需要輸出大電壓：内阻為0，負載越大越好。（電壓源的負載越輕，越易驅動）
• 電流源驅動 or 需要輸出大電流：内阻為∞，負載越小越好。（電流源的負載越輕，越易驅動）
•                       需要輸出大功率 ：選擇與信号源内阻比對的電阻R。