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电压传输:请给我低输出阻抗

时间:2019-03-13 作者:Bob Witte 阅读:
根据最大功率传输定理,当负载电阻与源电阻匹配时,会发生最大功率传输。一个关键的假设是:源电阻是固定的,而不是我们控制的。

《功率传输和相位基础》一文中,我们讲述了最大功率传输的概念。最大功率传输定理表明,当负载电阻与源电阻匹配时,会产生最大的功率传输(见图1)。在那篇文章中,我提出了一个关键的假设:源电阻是固定的,这不是我们能够改变的,否则选择RS = 0可能是更好的解决方案。

本文将说明为什么在传输电压时,远低于负载阻抗的源阻抗是最好的。

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图1:在这个最基本的电路中,带内阻的电源驱动阻性负载。

流过电路的电流(IL)将在RS 和RL上产生功耗,大小可按公式P = I²R 计算。我们通常希望向负载提供最大的功率,而RS中消耗的功率都被视为浪费。我们让RS = 0,或尽可能的小。回顾RL = RS的情形,一半的功率消耗在RS中了。我们可能实现了最大的功率传输,但却无法获得VS提供的所有功率。

在许多情况下,我们希望RS尽可能小:

●   直流电源。我们通常需要良好调节和稳定的直流电源,即使负载(电流输出)变化,它们也能保持电压恒定。任何源电阻都会降低电源输出的稳定性。

●   电池。电池只是电源的一种特殊情况,因此我们需要稳定的直流电压。碱性电池的典型内阻为0.15Ω至0.3Ω,具体取决于电池的电量和温度。

●   音频放大器。音频放大器通常具有非常低的输出阻抗,因此它们可以驱动4Ω到8Ω的扬声器。稍后会详细介绍。

●   运算放大器。具有一个零欧姆的阻抗是理想运算放大器的一个定义。这种特性及其它特征使运算放大器成为电子设计非常灵活的构建模块。

桥接

在许多情况下,我们并不关心功率传输,而是专注于准确地传输电压。分压方程(可能是仅次于欧姆定律的最常用电子工程公式)将输出电压与源电压关联起来。

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音频和低频设计的一个常见做法是使一级输出阻抗非常低,后面一级的输入阻抗非常高。这被称为高阻抗桥接,或者电压桥接,或简称为桥接。其设计意图是使VL跟VS尽可能接近。一般的经验法则是使输入阻抗(见图1中的RL)至少为源阻抗(RS)的10倍,这相当于VL >91% VS。将这个经验法则扩展到RL > 100 RS,我们就可以得到VL > 99% VS。图2是一个简单的桥接示例,它使用两个运算放大器电路,一个带低输出阻抗的反相放大器驱动一个带100kΩ输入阻抗的正相放大器。

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图2:在桥接中,反相放大器的输出阻抗低于正相放大器的输入阻抗。

音频放大器

一个有趣的应用是家庭音响系统,其中扬声器ZL由具有输出阻抗ZS的放大器驱动(图3)。我们在此使用阻抗Z(而不是电阻R),因为阻抗通常很复杂,并且会随频率而变化。扬声器是一种复杂的机电器件,不易建模。

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图3:音频放大器需要非常低的输出阻抗来驱动扬声器。

通常的做法是保持放大器输出阻抗非常低(远小于1Ω),这样它可以驱动典型的4Ω~8Ω的扬声器阻抗。我看到有些文章指出,ZS应设计为与扬声器阻抗相匹配,遵循最大功率传输原理,但这是不正确的。可能需要这种匹配的情况的确存在,但通常我们将放大器输出阻抗保持在较低水平(ZS→0),从而为扬声器提供尽可能大的功率。

音响爱好者经常使用阻尼系数的概念来描述它:

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阻尼系数是比较负载阻抗与源阻抗的品质因数。较大的阻尼系数意味着源阻抗相对负载阻抗较小,这与之前介绍的桥接经验法则一致。这类放大器的输出阻抗通常远小于1Ω,而扬声器阻抗通常为8Ω,因此阻尼系数> 50。你会看到很多关于阻尼系数重要性的讨论,它对音频质量的影响也引起了激烈的争论。一些工程师提出,电流驱动方法要优于电压驱动。对这一技术争论感兴趣的朋友请参阅Esa Merilainen 的文章《Loudspeaker operation: The superiority of current drive over voltage drive》,包括评论(我没有参与评论)。

结语

有很多应用我们使用了零输出阻抗,而没有将负载阻抗与源阻抗匹配。同时,最大功率传输定理仍然是电子设计的一个有效工具,但我们需要应用得当。

(原文刊登在ASPENCORE旗下EDN美国网站,参考链接:Voltage transfer: Give me low output impedance。)

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bob Witte
Bob Witte在Keysight Technologies、Agilent Technologies和Hewlett-Packard Company的研发、技术规划、战略规划和制造部门担任过多个职位,目前是技术咨询公司Signal Blue LLC的总裁。 从内心深处,他只不过是一名乐于看到用创新产品来解决真正的客户问题的一名工程师。Bob写了两本关于测试和测量仪器的书:《电子测试仪器》和《频谱和网络测量》。
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