Analyse de l'impédance, de l'impédance d'entrée et de l'impédance de sortie

L'impédance est un terme collectif désignant la résistance et la réactance, et la plus grande différence entre résistance et réactance est que la limitation du courant de résistance (loi d'Ohm) consomme en même temps de l'énergie électrique. La réactance est limitée au courant et ne consomme pas d'énergie électrique (sans effectuer de travail). La résistance a un effet de courant limité à la fois en courant continu et en courant alternatif, tandis que la réactance n'a qu'un effet de courant limité dans les environnements à courant alternatif.

L'impédance d'entrée fait référence à l'impédance équivalente à l'extrémité d'entrée d'un circuit. Ajoutez une source de tension U à la borne d'entrée et mesurez le courant I à la borne d'entrée, puis l'impédance d'entrée Rin est U/I. Vous pouvez imaginer l'extrémité d'entrée comme les deux extrémités d'une résistance, et la valeur de résistance de cette résistance est l'impédance d'entrée.

Sous la même tension d'entrée, si l'impédance d'entrée est très faible, un courant important doit circuler, ce qui teste la capacité de sortie de courant de l'étage précédent ; Si l'impédance d'entrée est élevée, seule une petite quantité de courant est requise, ce qui réduit considérablement la charge sur la capacité de sortie de courant de la scène avant. Ainsi, lors de la conception des circuits, essayez d'augmenter l'impédance d'entrée autant que possible.

L'impédance d'entrée n'est pas différente d'un composant de réactance ordinaire, car elle reflète l'ampleur de l'effet de blocage du courant.

Pour les circuits pilotés en tension, plus l'impédance d'entrée est grande, plus la charge sur la source de tension est légère, ce qui facilite le pilotage sans affecter la source de signal ; Pour les circuits pilotés par courant, plus l'impédance d'entrée est petite, plus la charge sur la source de courant est légère.

Par conséquent, nous pouvons penser que si une source de tension est utilisée pour piloter, plus l'impédance d'entrée est grande, mieux c'est ; S'il est alimenté par une source de courant, plus l'impédance est petite, mieux c'est (remarque : convient uniquement aux circuits basse fréquence, dans les circuits haute fréquence, l'adaptation d'impédance doit également être prise en compte.) De plus, lors de l'obtention de la puissance de sortie maximale, l'impédance la correspondance doit également être prise en compte.Impédance de sortie

L'impédance de sortie comprend l'impédance interne de la source de tension équivalente (circuit équivalent Thevenin) ou de la source de courant équivalente (circuit équivalent Norton) du port de sortie du réseau électrique indépendant. Sa valeur est égale à l'impédance d'entrée vue depuis le port de sortie lorsque l'alimentation indépendante est mise à zéro.

Quels que soient la source du signal, l’amplificateur et l’alimentation, il existe un problème d’impédance de sortie. L'impédance de sortie est la résistance interne d'une source de signal. À l'origine, pour une source de tension idéale (y compris l'alimentation), la résistance interne doit être de 0, ou l'impédance d'une source de courant idéale doit être infinie. L'impédance de sortie nécessite une attention particulière lors de la conception du circuit.

En réalité, les sources de tension ne peuvent pas y parvenir, et une source de tension idéale est souvent connectée en série avec une résistance r pour équivaloir à une source de tension réelle. La résistance r en série avec la source de tension idéale est la résistance interne de la source de signal/sortie de l'amplificateur/alimentation.

Lorsque cette source de tension alimente la charge, un courant I circulera à travers la charge et générera I sur cette résistance × La chute de tension de r. Cela entraînera une diminution de la tension de sortie de l'alimentation, limitant ainsi la puissance de sortie maximale.

De même, une source de courant idéale devrait avoir une impédance de sortie infinie, mais les circuits réels sont impossibles.

L'impédance de sortie fait référence à l'impédance équivalente du circuit lorsque la charge du circuit est vue depuis le port de sortie du circuit dans la direction opposée. En fait, il s'agit principalement de l'impédance mesurée par la source d'énergie à l'extrémité de sortie, communément appelée résistance interne.

Analyse par réflexion sur l'impédance des circuits de commutation

Comme le montre la figure suivante, V1 continue de fournir du courant à R1 et le circuit de courant sur la figure est indiqué par la flèche verte. De quelles méthodes disposons-nous si nous voulons contrôler le flux de courant vers R1 ?

La méthode la plus courante consiste à déconnecter la connexion entre V1 et R1 et à couper le circuit actuel. Comme le montre la figure suivante.

Alternativement, nous pouvons contourner R1 comme le montre la figure suivante. Ajoutez un fil devant R1 pour diriger le courant vers le chemin à faible impédance, et R1 obtiendra un courant négligeable.

Les deux méthodes ci-dessus sont très simples : soit en déconnectant complètement le chemin de V1 à R1, soit en court-circuitant R1, ce qui résout complètement le problème. Mais dans le monde de l’ingénierie, nous ne pouvons pas le faire de manière aussi propre et ordonnée, en mettant souvent l’accent sur une approche « similaire ». approche. Ainsi, dans le « modèle de court-circuit », nous ne pouvons obtenir qu'une « faible impédance », tandis que dans le « modèle de circuit ouvert », nous ne pouvons obtenir qu'une « haute impédance ». Si l’énergie est significativement « atténuée », nous pensons qu’elle répond à la norme.

Comme le montre la figure ci-dessous, le modèle de charge de puissance réel est affiché. Voyons comment obtenir un effet de commutation en ajustant l'impédance. Dans les circuits réels, les sources d'alimentation ont des limites de capacité de sortie et une résistance interne, et plus le courant de sortie est élevé, plus la tension de sortie est faible.

Le circuit suivant a une résistance interne de 0,1 Ω et une charge de 1K Ω. Dans la situation actuelle, la tension obtenue aux deux extrémités de la charge est composée d'une résistance interne et d'une tension partielle R2. Nous pouvons calculer V=5V * (1K/(1K+0,1))=4,9999V, I=5V/1000,1 Ω=4,9mA.

Si nous utilisons le « modèle en circuit ouvert » méthode pour couper le circuit, comment devons-nous ajuster l'impédance ? Il s'agit de connecter une résistance bien supérieure à 1K en série entre l'alimentation et la charge, et d'effectuer une division de tension en série pour réduire la tension obtenue sur R2. Comme le montre la figure suivante, si une résistance 1M est connectée en série avec le diviseur de tension de charge. Nous pouvons calculer la répartition finale de la tension entre les deux extrémités de la charge :

V=5V * (1K/(0,1+1000K+1K))=0,00499V, I=5V/1001000,1 Ω=0,0049mA. L'amplitude a été affaiblie près de 1 000 fois et, dans la pensée technique, R2 est presque « déconnecté ».

Si nous utilisons le « modèle de court-circuit » méthode pour déconnecter R2, comment devons-nous l’ajuster ? Il s'agit de connecter une résistance bien inférieure à 0,1 Ω en parallèle à l'extrémité avant de la charge et d'effectuer un partage de tension en série avec la résistance interne, ce qui entraîne une tension plus petite obtenue sur R2.

Comme le montre la figure suivante, si la mesure de filtrage est équivalente à une résistance parallèle de 0,005 Ω et à un diviseur de tension à résistance interne. On peut calculer la tension finale distribuée entre les deux extrémités de la charge R2 :

V = 5 V * (0,0049/(0,1 + 0,0049) = 0,233 V. L'amplitude a été affaiblie de près de 20 fois et, dans la pensée technique, R2 est également similaire à être « déconnecté ».

Ce qui précède est le modèle théorique des circuits de commutation à semi-conducteurs, en prenant comme exemple les circuits onduleurs :

Lorsque l'extrémité IN est sous tension, nous dirons que le transistor MOS Q1 est conducteur. À ce stade, l'état de conduction équivaut à ce que Q1 devienne une résistance avec une impédance de plusieurs dizaines de milliohms, puis divise la tension avec la résistance R1. Si la résistance de rappel R1 est trop petite et mesure également des dizaines de milliohms, même si IN est élevé et que Q1 est conducteur, la borne OUT ne peut pas émettre un niveau faible.

Lorsque l'extrémité IN est mise hors tension, nous dirons que le transistor MOS Q1 est coupé. À ce stade, l'état de coupure équivaut à ce que Q1 devienne une résistance avec une impédance de quelques mégaohms et divise la tension avec la résistance R1. Si la résistance de rappel R1 est trop grande, ce qui correspond également à quelques mégaohms, même si IN est faible et que Q1 est coupé, la borne OUT ne peut pas émettre un niveau élevé.

Ainsi, pour comprendre en profondeur les circuits de commutation, il est nécessaire de les analyser avec une réflexion sur l'impédance.

Circuit de filtre d'analyse de réflexion d'impédance

Ici, analysez le circuit de filtrage en utilisant la réflexion sur l'impédance.

Dans les applications pratiques d'ingénierie, une puissance de sortie contient souvent des composants CA de différentes fréquences, à la fois ce que nous voulons et ce que nous ne voulons pas. L'impédance de l'inductance et de la capacité varie avec la fréquence. C’est précisément grâce à cette caractéristique que les inductances et les condensateurs sont devenus les principaux acteurs des circuits de filtrage.

Le circuit suivant est toujours utilisé, en supposant que l'alimentation contient une composante spectrale de
0-1 GHz.

Si nous voulons filtrer les composants CA haute fréquence pour la charge R2, nous constaterons que l'inductance série et la capacité parallèle peuvent répondre aux exigences.
Comme le montre la figure suivante, si un inducteur de 16 uH est connecté en série entre l'alimentation et la charge, dans quelle mesure le composant CA de 100 MHz va-t-il se dégrader ? Selon la formule d'impédance de l'inductance : ZL=2 π fL=2 * 3,14 * 100 MHz * 16uH, ZL=10K peut être obtenu.

Selon la formule du diviseur de tension série, la tension/entrée aux deux extrémités de R3=R3/(R3+ZL)=1K/11K=0,0909. Ainsi, lorsque l'amplitude de l'alimentation est de 5 V, l'amplitude aux deux extrémités de R3 n'est que de 5 V * 0,0909 = 0,45 V.

À 100 MHz, utilisez un oscilloscope pour mesurer la forme d'onde avant et après le filtrage. La comparaison montre que la forme d'onde de 100 MHz a un effet et que la mesure réelle est de 0,449 V, ce qui est cohérent avec les résultats de l'analyse.

Analyse par réflexion sur l'impédance des filtres passe-bas

En connectant une inductance en série entre l'alimentation et la charge, et en connectant un condensateur en parallèle à l'extrémité avant de la charge, un circuit de filtre passe-bas est formé.

Comme suit, si C1=1uF et L1=22uH, quel est le degré d'atténuation du circuit de filtrage par rapport au
Composant AC 100 MHZ ?

À ce stade, le circuit est connecté en parallèle avec l'impédance Zc du condensateur (C1) et R3, puis divisé avec l'impédance ZL de l'inductance (L1). Nous pouvons donc énumérer l'équation d'impédance (qui est une simple formule de diviseur de tension en série).

Amplitude d'atténuation = Vout/Vin = (Zc//R3)/(ZL+(Zc/R3)

Parmi eux, Zc=1/2 π fC et ZL=2 π fL. Étant donné R3=1K Ω, on peut conclure que Zc=0,0015 Ω, Zc/R=0,00149 Ω.

ZL=13816 Ω, l'amplitude d'atténuation peut être obtenue comme 0,00149/(13816,00149)=0,000000178.

On peut voir que le composant AC 100 MHz peut difficilement traverser le circuit de filtrage passe-bas de 22 uH et 1 uF. Dans le même temps, nous voyons également que la charge R3 peut affecter l'effet filtrant du filtre. Ainsi, parfois, nous constatons que le même circuit de filtre fonctionne bien sur ce circuit, mais mal sur d'autres circuits.