Phân tích trở kháng, trở kháng đầu vào và trở kháng đầu ra

Trở kháng là một thuật ngữ chung để chỉ điện trở và điện kháng, và sự khác biệt lớn nhất giữa điện trở và điện kháng là giới hạn dòng điện trở (định luật Ohm) tiêu thụ năng lượng điện cùng một lúc. Phản ứng được giới hạn ở dòng điện và không tiêu thụ năng lượng điện (không thực hiện công). Điện trở có tác dụng hạn chế dòng điện trong cả dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều, trong khi điện kháng chỉ có tác dụng giới hạn dòng điện trong môi trường dòng điện xoay chiều.

Trở kháng đầu vào đề cập đến trở kháng tương đương ở đầu vào của mạch. Thêm nguồn điện áp U vào cực đầu vào và đo dòng điện I tại cực đầu vào, khi đó trở kháng đầu vào Rin là U/I. Bạn có thể tưởng tượng đầu vào là hai đầu của một điện trở và giá trị điện trở của điện trở này chính là trở kháng đầu vào.

Trong cùng một điện áp đầu vào, nếu trở kháng đầu vào rất thấp thì cần có dòng điện lớn chạy qua, kiểm tra khả năng đầu ra dòng điện của giai đoạn trước; Nếu trở kháng đầu vào cao thì chỉ cần một lượng dòng điện nhỏ, giúp giảm gánh nặng đáng kể lên khả năng đầu ra dòng điện của tầng phía trước. Vì vậy trong thiết kế mạch hãy cố gắng tăng trở kháng đầu vào càng nhiều càng tốt.

Trở kháng đầu vào không khác gì thành phần điện kháng thông thường vì nó phản ánh độ lớn của hiệu ứng chặn dòng điện.

Đối với các mạch điều khiển bằng điện áp, trở kháng đầu vào càng lớn thì tải lên nguồn điện áp càng nhẹ, giúp điều khiển dễ dàng hơn mà không ảnh hưởng đến nguồn tín hiệu; Đối với các mạch điều khiển bằng dòng điện, trở kháng đầu vào càng nhỏ thì tải lên nguồn dòng càng nhẹ.

Do đó, chúng ta có thể nghĩ rằng nếu dùng nguồn điện áp để điều khiển thì trở kháng đầu vào càng lớn thì càng tốt; Nếu nó được điều khiển bởi nguồn dòng thì trở kháng càng nhỏ thì càng tốt (lưu ý: chỉ phù hợp với các mạch tần số thấp, trong các mạch tần số cao, việc kết hợp trở kháng cũng cần được xem xét.) Ngoài ra, khi đạt được công suất đầu ra tối đa, trở kháng việc kết hợp cũng cần được xem xét.Trở kháng đầu ra

Trở kháng đầu ra bao gồm trở kháng trong của nguồn điện áp tương đương (mạch tương đương Thevenin) hoặc nguồn dòng tương đương (mạch tương đương Norton) của cổng ra của mạng điện độc lập. Giá trị của nó bằng trở kháng đầu vào nhìn thấy từ cổng đầu ra khi nguồn điện độc lập được đặt thành 0.

Bất kể nguồn tín hiệu, bộ khuếch đại và nguồn điện nào đều có vấn đề với trở kháng đầu ra. Trở kháng đầu ra là điện trở trong của nguồn tín hiệu. Ban đầu, đối với nguồn điện áp lý tưởng (bao gồm cả nguồn điện), điện trở trong phải bằng 0 hoặc trở kháng của nguồn dòng lý tưởng phải là vô hạn. Trở kháng đầu ra cần được quan tâm đặc biệt nhất trong thiết kế mạch.

Trong thực tế, các nguồn điện áp không thể đạt được điều này và nguồn điện áp lý tưởng thường được mắc nối tiếp với điện trở r để tương đương với nguồn điện áp thực tế. Điện trở r nối tiếp với nguồn điện áp lý tưởng là điện trở trong của nguồn tín hiệu/đầu ra bộ khuếch đại/nguồn điện.

Khi nguồn điện áp này cấp nguồn cho tải, dòng điện I sẽ chạy qua tải và tạo ra I trên điện trở này × Điện áp rơi r. Điều này sẽ làm giảm điện áp đầu ra của nguồn điện, từ đó hạn chế công suất đầu ra tối đa.

Tương tự, một nguồn dòng lý tưởng phải có trở kháng đầu ra là vô cùng, nhưng mạch thực tế là không thể.

Trở kháng đầu ra đề cập đến trở kháng tương đương của mạch khi tải mạch được nhìn từ cổng đầu ra của mạch theo hướng ngược lại. Trên thực tế, nó chủ yếu đề cập đến trở kháng được đo bởi nguồn năng lượng ở đầu ra, thường được gọi là điện trở trong.

Phân tích tư duy trở kháng của mạch chuyển mạch

Như thể hiện trong hình dưới đây, V1 tiếp tục cung cấp dòng điện cho R1 và mạch dòng điện trong hình được thể hiện bằng mũi tên màu xanh lá cây. Chúng ta có những phương pháp nào nếu muốn điều khiển dòng điện tới R1?

Phương pháp phổ biến nhất là ngắt kết nối giữa V1 và R1 và cắt mạch dòng điện. Như thể hiện trong hình dưới đây.

Ngoài ra, chúng ta có thể bỏ qua R1 như trong hình sau. Thêm một dây phía trước R1 để hướng dòng điện về phía đường dẫn có trở kháng thấp và R1 sẽ thu được dòng điện không đáng kể.

Hai phương pháp trên rất đơn giản, có thể ngắt hoàn toàn đường dẫn từ V1 đến R1 hoặc làm đoản mạch R1, giải quyết triệt để vấn đề. Nhưng trong thế giới kỹ thuật, chúng ta không thể làm điều đó một cách sạch sẽ và gọn gàng như vậy, thường nhấn mạnh đến yếu tố 'tương tự'; tiếp cận. Vì vậy, ở "mô hình ngắn mạch" chúng ta chỉ có thể đạt được "trở kháng thấp", trong khi ở "mô hình mạch hở" chúng ta chỉ có thể đạt được "trở kháng cao". Nếu năng lượng bị "suy giảm" đáng kể, chúng tôi tin rằng nó đạt tiêu chuẩn.

Như thể hiện trong hình bên dưới, mô hình tải công suất thực tế được thể hiện. Hãy xem cách đạt được hiệu ứng chuyển đổi bằng cách điều chỉnh trở kháng. Trong các mạch thực tế, nguồn điện có giới hạn công suất đầu ra và điện trở trong, dòng điện đầu ra càng lớn thì điện áp đầu ra càng thấp.

Mạch sau có điện trở trong 0,1 Ω và tải 1K Ω. Trong tình hình hiện tại, điện áp thu được ở cả hai đầu của tải bao gồm điện trở trong và điện áp riêng phần R2. Chúng ta có thể tính V=5V * (1K/(1K+0,1))=4,9999V, I=5V/1000,1 Ω=4,9mA.

Nếu chúng ta sử dụng "mô hình mạch hở" Để ngắt mạch thì ta phải điều chỉnh trở kháng như thế nào? Đó là nối một điện trở lớn hơn 1K nối tiếp giữa nguồn điện và tải, đồng thời thực hiện phân chia điện áp nối tiếp để giảm điện áp thu được trên R2. Như thể hiện trong hình dưới đây, nếu điện trở 1M được mắc nối tiếp với bộ chia điện áp tải. Chúng ta có thể tính toán sự phân bố điện áp cuối cùng giữa hai đầu tải:

V=5V * (1K/(0,1+1000K+1K))=0,00499V, I=5V/1001000,1 Ω=0,0049mA. Biên độ đã bị suy yếu gần 1000 lần, và trong tư duy kỹ thuật, R2 gần như bị "ngắt kết nối".

Nếu chúng ta sử dụng "mô hình ngắn mạch" Để ngắt kết nối R2, chúng ta nên điều chỉnh như thế nào? Đó là kết nối song song một điện trở nhỏ hơn 0,1 Ω ở đầu trước của tải và thực hiện chia sẻ điện áp nối tiếp với điện trở bên trong, dẫn đến điện áp thu được trên R2 nhỏ hơn.

Như thể hiện trong hình dưới đây, nếu phép đo lọc tương đương với một điện trở 0,005 Ω song song và một bộ chia điện áp điện trở trong. Chúng ta có thể tính điện áp phân bố cuối cùng giữa hai đầu tải R2:

V=5V * (0,0049/(0,1+0,0049)=0,233V. Biên độ đã bị suy yếu gần 20 lần, và trong tư duy kỹ thuật, R2 cũng tương tự như bị "ngắt kết nối".

Trên đây là mô hình lý thuyết của mạch chuyển mạch bán dẫn, lấy mạch biến tần làm ví dụ:

Khi đầu IN được cấp nguồn, chúng ta sẽ nói rằng bóng bán dẫn MOS Q1 đang dẫn điện. Lúc này, trạng thái dẫn điện tương đương với việc Q1 trở thành một điện trở có trở kháng hàng chục milliohms, sau đó chia điện áp cho điện trở R1. Nếu điện trở kéo lên R1 quá nhỏ và cũng có giá trị hàng chục miliohm, ngay cả khi IN ở mức cao và Q1 đang dẫn điện thì cực OUT không thể xuất ra mức thấp.

Khi đầu IN bị tắt nguồn, chúng ta sẽ nói rằng bóng bán dẫn MOS Q1 bị cắt. Tại thời điểm này, trạng thái cắt tương đương với việc Q1 trở thành điện trở có trở kháng vài megaohms và chia điện áp cho điện trở R1. Nếu điện trở kéo lên R1 quá lớn, cũng là vài megaohms, ngay cả khi IN ở mức thấp và Q1 bị cắt, đầu cuối OUT không thể xuất ra mức cao.

Vì vậy khi tìm hiểu sâu về mạch chuyển mạch cần phải phân tích chúng bằng tư duy trở kháng.

Mạch lọc phân tích tư duy trở kháng

Ở đây, phân tích mạch lọc bằng tư duy trở kháng.

Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, đầu ra nguồn thường chứa các thành phần AC có tần số khác nhau, cả những gì chúng ta muốn và những gì chúng ta không muốn. Trở kháng của điện cảm và điện dung sẽ thay đổi theo tần số. Chính vì đặc điểm này mà cuộn cảm và tụ điện đã trở thành tác nhân hàng đầu trong các mạch lọc.

Mạch sau vẫn được sử dụng, giả sử rằng nguồn điện có chứa thành phần quang phổ
0-1GHz.

Nếu muốn lọc các thành phần AC tần số cao cho tải R2, chúng ta sẽ thấy rằng cả điện cảm nối tiếp và điện dung song song đều có thể đáp ứng yêu cầu.
Như thể hiện trong hình dưới đây, nếu một cuộn cảm 16uH được mắc nối tiếp giữa nguồn điện và tải thì thành phần AC 100 MHz sẽ suy giảm bao nhiêu? Theo công thức trở kháng của điện cảm: ZL=2 π fL=2 * 3,14 * 100 MHz * 16uH, có thể thu được ZL=10K.

Theo công thức chia điện áp nối tiếp, điện áp/đầu vào ở cả hai đầu của R3=R3/(R3+ZL)=1K/11K=0,0909. Vì vậy khi biên độ nguồn điện là 5V thì biên độ ở hai đầu của R3 chỉ là 5V * 0,0909=0,45V.

Ở tần số 100 MHz, sử dụng máy hiện sóng để đo dạng sóng trước và sau khi lọc. So sánh cho thấy dạng sóng 100 MHz có tác dụng và số đo thực tế là 0,449V, phù hợp với kết quả phân tích.

Phân tích tư duy trở kháng của bộ lọc thông thấp

Bằng cách mắc nối tiếp một cuộn cảm giữa nguồn điện và tải, đồng thời mắc song song một tụ điện ở đầu phía trước của tải, mạch lọc thông thấp sẽ được hình thành.

là bao nhiêu Thành phần AC 100MHZ?

Tại thời điểm này, mạch được mắc song song với trở kháng Zc của tụ điện (C1) và R3, sau đó được chia với trở kháng ZL của cuộn cảm (L1). Vì vậy, chúng ta có thể liệt kê phương trình trở kháng (là công thức chia điện áp nối tiếp đơn giản).

Biên độ suy giảm=Vout/Vin=(Zc//R3)/(ZL+(Zc/R3)

Trong số đó, Zc=1/2 π fC và ZL=2 π fL. Cho R3=1K Ω, có thể kết luận rằng Zc=0,0015 Ω, Zc/R=0,00149 Ω.

ZL=13816 Ω, biên độ suy giảm có thể đạt được là 0,00149/(13816,00149)=0,000000178.

Có thể thấy, thành phần AC 100 MHz khó có thể đi qua mạch lọc thông thấp 22uH và 1uF. Đồng thời ta cũng thấy tải R3 có thể ảnh hưởng đến hiệu quả lọc của bộ lọc. Vì vậy, đôi khi chúng ta thấy rằng mạch lọc tương tự hoạt động tốt trên mạch này nhưng lại hoạt động kém trên các mạch khác.