電路常識性概念（1）-輸入、輸出阻抗

1、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=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。）

2、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。

       現實中的電壓源，則做不到這一點。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”）。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。

3、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，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（是對于最大輸出功率而言的），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。

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Q：什麼是電流控制器件？

A：如果這個器件的輸出參數大小和輸入的電流參數大小有關，就叫該器件是“電流控制器件”，簡稱“流控器件”。

     “電流控制器件”輸入的是電流信号，是低阻抗輸入，需要較大的驅動功率。例如：雙極型半導體(BJT)是電流控制器件、TTL電路是電流控制器件。

Q：什麼是電壓控制器件？

S：如果這個器件的輸出參數大小和輸入的電壓參數大小有關，就叫該器件是“電壓控制器件”，簡稱“壓控器件”。

     “電壓控制器件”輸入的是電壓信号，是高阻抗輸入，隻需要較小的驅動功率；例如：場效應半導體(FET)是電壓控制器件、MOS電路是電壓控制器件。

Q：為什麼BJT是電流控制器件而FET和MOS是電壓控制器件？ S：BJT是通過基極電流來控制集電極電流而達到放大作用的；而FET&MOS是靠控制栅極電壓來改變源漏電流，是以說BJT是電流控制器件，而FET和MOS是電壓控制器件。