インピーダンスマッチングの原理

インピーダンスマッチングの基本原理

1.純抵抗回路

中学校の物理では、電気は次のような問題を話しました。E の電位に接続された R 個の電気製品の抵抗、r 個のバッテリー パックの内部抵抗、どのような条件下で電源の電力出力が最大になりますか?外部抵抗が内部抵抗と等しい場合、外部回路への電源の電力出力は最大となり、これは純粋な抵抗回路の電力整合となります。AC 回路に置き換える場合、一致するには R = r 回路の条件も満たさなければなりません。

2. リアクタンス回路

インピーダンス回路は純粋な抵抗回路よりも複雑で、回路内には抵抗に加えてコンデンサとインダクタが存在します。コンポーネントであり、低周波または高周波の AC 回路で動作します。交流回路では、交流を妨げる抵抗、静電容量、インダクタンスをインピーダンスと呼び、文字Zで示します。このうち、交流に対する静電容量とインダクタンスの阻害効果は、それぞれ容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスと呼ばれます。容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスの値は、キャパシタンスとインダクタンス自体の大きさに加えて、動作する交流の周波数にも関係します。リアクタンス回路では、抵抗 R、誘導性リアクタンス、容量性リアクタンスの 2 倍の値を単純な算術で加算することはできず、一般的に使用されるインピーダンス三角測量法を使用して計算することに注意してください。したがって、整合を達成するためのインピーダンス回路は純粋な抵抗回路よりも複雑になり、入力回路と出力回路の抵抗成分の要件が等しいことに加えて、同じサイズと逆の符号のリアクタンス成分も必要になります（共役整合）。 );または、抵抗成分とリアクタンス成分が等しい（無反射整合）。ここではリアクタンス X、つまり誘導性 XL と容量性リアクタンス XC の差を指します (並列回路の計算がより複雑な場合は直列回路のみ)。上記の条件を満たすことをインピーダンスマッチングといい、最大の電力が得られる負荷を求めます。

インピーダンスマッチングの鍵は、前段の出力インピーダンスが後段の入力インピーダンスと等しいことです。入力インピーダンスと出力インピーダンスは、あらゆるレベルの電子回路、あらゆる種類の測定器、あらゆる種類の電子部品で広く使用されています。では、入力インピーダンスと出力インピーダンスとは何でしょうか?入力インピーダンスは、信号源に対する回路のインピーダンスです。図 3 のアンプに示すように、その入力インピーダンスは信号源 E と内部抵抗 r を除去し、AB 端から等価インピーダンスになります。その値は Z = UI / I1、つまり入力電圧と入力電流の比です。信号源にとって、アンプはその負荷となります。数値的には、アンプの等価負荷値は入力インピーダンスの値です。入力インピーダンスのサイズは回路によって異なります。

たとえば、マルチメータの電圧ブロックの入力インピーダンス (電圧感度と呼ばれる) が高いほど、テスト対象の回路上のシャントが小さくなり、測定誤差が小さくなります。電流ブロックの入力インピーダンスが低いほど、テスト対象の回路への分圧が小さくなり、測定誤差が小さくなります。パワーアンプでは、信号源の出力インピーダンスと増幅回路の入力インピーダンスが等しいことをインピーダンスマッチングと呼び、増幅回路は出力で最大の電力を得ることができます。出力インピーダンスは、負荷に対する回路のインピーダンスです。図4のように、回路の入力側の電源を短絡し、出力側の負荷を取り除き、CDの出力側から見た等価インピーダンスを出力インピーダンスと呼びます。負荷インピーダンスが出力インピーダンスと等しくない場合(インピーダンス不整合と呼ばれます)、負荷は最大電力出力を得ることができません。出力電圧 U2 と出力電流 I2 の比を出力インピーダンスと呼びます。出力インピーダンスのサイズは、回路ごとに異なる要件に応じて異なります。

たとえば、電圧源には低い出力インピーダンスが必要ですが、電流源には高い出力インピーダンスが必要です。増幅回路の場合、出力インピーダンスの値は、その負荷を運ぶ能力を示します。通常、出力インピーダンスが小さいと、負荷容量が大きくなります。出力インピーダンスを負荷に整合させることができない場合は、整合を達成するためにトランスまたはネットワーク回路を追加できます。例えば、トランジスタアンプは通常、アンプとスピーカーの間に出力トランスを接続し、アンプの出力インピーダンスはトランスの一次インピーダンスと整合し、トランスの二次インピーダンスはスピーカーのインピーダンスと整合します。スピーカー。変圧器の二次インピーダンスはスピーカーのインピーダンスに整合します。変圧器は、一次巻線と二次巻線の巻数比を通じてインピーダンス比を変換します。実際の電子回路では、信号源と増幅回路、あるいは増幅回路と負荷インピーダンスが等しくない場合が多く、直接接続することができません。解決策は、それらの間に整合回路またはネットワークを追加することです。最後に、インピーダンス整合は電子回路にのみ適用できることに注意してください。電子回路内で送信される信号の電力は本質的に弱いため、出力電力を高めるには整合が必要です。電気回路では、過剰な出力電流や機器の損傷につながる可能性があるため、マッチングは一般に考慮されません。

インピーダンスマッチングの応用

クロック信号、バス信号、さらには最大数百メガバイトの DDR 信号などの一般的な高周波信号の場合、一般的なデバイスのトランシーバーの誘導性および容量性インピーダンスは比較的小さく、相対的な抵抗 (つまり、インピーダンス）は無視でき、この時点では、インピーダンスマッチングでは の実数部分のみを考慮する必要があります。

無線周波数の分野では、アンテナ、アンプなどの多くのデバイスの入出力インピーダンスは実数ではなく (純粋な抵抗ではなく)、虚数部 (容量性または誘導性) は無視できないほど大きくなります。 、その場合は、共役マッチング法を使用する必要があります。