回路基板メーカーがインピーダンス整合原理を説明

回路基板メーカー、回路基板設計者、PCBA メーカーがインピーダンス整合の原理を説明します

インピーダンス整合は、無線技術における一般的な動作状態であり、入力回路と出力回路の間の電力伝送関係を反映しています。回路がインピーダンス整合を達成すると、最大電力伝送が得られます。逆に、回路のインピーダンスが不整合の場合、最大の電力伝送が得られないだけでなく、回路が損傷する可能性があります。インピーダンス整合は、増幅回路、アンプと負荷、測定器とテスト対象の回路、アンテナとレシーバー、またはトランスミッターとアンテナなどのすべてのレベルの間で一般的です。たとえば、ラウドスピーカーの出力回路とラウドスピーカーの間のインピーダンスを一致させる必要があります。 . 一致していないと、ラウドスピーカーの出力パワーがラウドスピーカーに完全に伝達されません。ラウドスピーカーのインピーダンスがラウドスピーカーの出力インピーダンスよりもはるかに小さい場合、ラウドスピーカーは過負荷状態になり、最終的なパワーアンプ管が簡単に損傷します。逆に、ラウドスピーカーのインピーダンスがラウドスピーカーの出力インピーダンスよりも高すぎると、出力電圧が上昇し、ラウドスピーカーとラウドスピーカーの動作を助長せず、音も歪みます。 . したがって、増幅回路の出力インピーダンスがスピーカーのインピーダンスに近いほど良いのです。別の例として、無線送信機の出力インピーダンスは、フィーダのインピーダンスおよびフィーダとアンテナのインピーダンスと一致している必要があります。インピーダンス値が一致しない場合、送信機から出力される高周波エネルギーはアンテナから完全には送信されません。この部分から放出されなかったエネルギーは反射されて定在波が発生し、深刻な場合にはフィーダーの絶縁層や送信機の最終電力増幅管に損傷を与える可能性があります。信号とエネルギーを効果的に伝送するために、回路はインピーダンス整合状態で動作する必要があります。つまり、信号源または電源の内部抵抗は回路の入力インピーダンスに等しく、回路の出力インピーダンスは負荷のインピーダンスに等しい。一般的な入出力回路には、抵抗、容量、インダクタンス成分が含まれていることがよくあります。それらで構成される回路をリアクタンス回路、抵抗だけで構成される回路を純抵抗回路と呼びます。純粋な抵抗回路とリアクタンス回路のインピーダンス整合の問題を以下に簡単に分析します。

circuit board

1. 純抵抗回路

中学校の物理と電気で、ある質問をしたことがあります: 抵抗 R の消費者が起電力 E と内部抵抗 r のバッテリーパックに接続されている場合、電源はどのような条件で最大電力を出力しますか? 外部抵抗が内部抵抗と等しい場合、電源の外部回路の電力出力は最大であり、これは純粋な抵抗回路の電力整合です。回路を AC 回路に置き換える場合は、回路と一致させるために R=r の条件も満たす必要があります。

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2. リアクタンス回路

リアクタンス回路は、純粋な抵抗回路よりも複雑です。抵抗に加えて、回路にはコンデンサとインダクタがあります。また、低周波または高周波 AC 回路で動作します。交流回路において、交流電流に対する抵抗、容量、インダクタンスの遮断効果をインピーダンスと呼び、Zで表します。このうち、交流電流に対する容量とインダクタンスの遮断効果をそれぞれ容量性リアクタンス、誘導性リアクタンスと呼びます。 . 容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスの値は、容量とインダクタンスのサイズに関連するだけでなく、AC 電流の周波数にも関連します。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値を単純な算術で加算することはできませんが、通常はインピーダンス三角形法で計算されます。したがって、リアクタンス回路のマッチングは、純粋な抵抗回路のマッチングよりも複雑です。入力回路と出力回路の抵抗成分が等しいという要件に加えて、リアクタンス成分はサイズが等しく、符号が反対でなければなりません (共役整合)。または、抵抗成分とリアクタンス成分がそれぞれ等しい（反射整合なし）。ここでのリアクタンス X は、誘導性リアクタンス XL と容量性リアクタンス XC の差を指します (直列回路のみで、並列回路の場合は計算が複雑になります)。上記の条件を満たすことをインピーダンス整合と呼び、負荷は最大の電力を得ることができます。インピーダンス整合のポイントは、前段の出力インピーダンスと後段の入力インピーダンスが等しくなるようにすることです。入力インピーダンスと出力インピーダンスは、さまざまな電子回路、さまざまな測定器、さまざまな電子部品に広く存在します。入力インピーダンスと出力インピーダンスとは何ですか? 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を指します。たとえば、マルチメータの電圧範囲の入力インピーダンス（電圧感度と呼ばれる）が高いほど、被試験回路へ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、被試験回路の分圧が小さくなり、測定誤差が小さくなります。パワーアンプの場合、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ときをインピーダンス整合といい、増幅回路は出力端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を指します。たとえば、電圧源には低出力インピーダンスが必要ですが、電流源には高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負荷に耐える能力を示します。通常、出力インピーダンスは小さく、負荷に耐える能力は強いです。出力インピーダンスが負荷と一致しない場合は、トランスまたはネットワーク回路を追加して一致させることができます。たとえば、出力トランスは通常、トランジスタアンプとラウドスピーカーの間に接続されます。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一致し、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一致します。トランスは、一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、または増幅回路と負荷のインピーダンスが等しくなく、直接接続できない場合がよくあります。解決策は、それらの間に整合回路または整合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。電子回路で送信される信号電力は微弱であるため、出力電力を改善するにはマッチングが必要です。電気回路では、マッチングは一般的に考慮されていません。そうしないと、過大な出力電流が発生し、電化製品が損傷する可能性があります。

電子管

基本的な電子管は、一般的に、電子を放出するカソード（K）、カソードから放出された電子を吸収するアノード（A）、アノードへの電子の流れを制御するグリッド（G）の3つの電極を備えています。電子を放出する陰極は、陰極自体がかなりの熱を持っている必要があり、陰極には2つのタイプがあります。 1つは直接加熱型で、陰極に直接電流を流して加熱することで電子を放出します。もう 1 つは側面加熱カソードと呼ばれます。その構造は、一般に中空の金属管であり、スパイラルフィラメントが装備されています。フィラメント電圧により、フィラメントが加熱され、カソードが加熱されて電子が放出されます。今日では、ほとんどの真空管が日常生活で使用されています。カソードから放出された電子は、グリッドワイヤの間のギャップを通り、アノードに到達します。グリッドはアノードよりもカソードにはるかに近いため、グリッド電位を変更すると、アノード電圧を変更するよりもアノード電流に大きな影響を与えます。これが三極管の増幅効果です。換言すれば、アノード電流に対するグリッド電圧の制御効果。それを表すのにトランスコンダクタンス（S）というパラメータを使いますが、もう一つμというパラメータがあります。電子管の増幅率を表すには、アノード電流を制御する上で、グリッド電圧がアノード電圧の何倍になるかを示す意味があります。

電子管の増幅率を向上させるために、アノードと三極管の制御グリッドの間にカーテングリッドと呼ばれる別のグリッドが追加されます。四重極が形成されます。カーテングリッドはカソードよりもはるかに高い正の電圧を持っているため、強力な加速電極でもあり、電子がより高速でアノードにすばやく到達できるようになり、制御グリッドの制御の役割がより重要になります。そのため、増幅係数は三極管よりも大きくなります。しかし、電子に対するカーテングリッド電極の加速効果により、高速の電子が陽極に衝突します。これらの高速電子は大きな運動エネルギーを持っており、アノードからいわゆる二次電子をノックアウトします。これらの二次電子の一部はカーテングリッドに吸収され、カーテングリッド電流を形成します。これにより、スクリーングリッド電圧が低下し、アノード電流が低下します。したがって、四重極の増幅率は制限されます

上記の矛盾を解決するために、カソードに接続された一対のコレクタとエミッタが、四重極のカーテングリッドの外側の両側に追加されます。コレクターとエミッターの電位はカソードの電位と同じであるため、電子を反発し、カーテングリッドを通過した後、電子はコレクターの作用で特定の方向に前進し、フラットビームを形成します。フラット電子ビームの電子密度は非常に高いため、低電圧領域が形成されます。アノードからノックアウトされた二次電子は、この低電圧領域の反発によりアノードに押し戻され、スクリーングリッドが大幅に減少します。電子管の増幅能力を強化するこの種の電子管は、ビームテトロードと呼ばれます。ビーム四極管は、三極管よりも増幅率が高いだけでなく、陽極面積が大きいため、より大きな電流を流すことができます。そのため、現在のパワーアンプではパワーアンプとして一般的に使用されています

電子回路のフィードバック回路

フィードバック回路は、さまざまな電子回路で広く使用されています。フィードバックはアンプのフィードバックプロセスであり、アンプの出力信号 (電圧または電流) の一部またはすべてがアンプの入力端にフィードバックされ、入力信号と比較 (加算または減算) され、有効な入力比較から得られた信号は、出力を制御するために使用されます。アンプの入力端にフィードバック信号がフィードバックされ、元の入力信号が強化され、入力信号が増加することを正帰還と呼びます。逆にマイナスです。回路構造によって、電流帰還回路と電圧帰還回路に分けることができます。正帰還回路は主に電子発振回路で使用され、負帰還回路は主にさまざまな高周波および低周波増幅回路で使用されます。それらは広く使用されているため、ここでは負帰還回路について説明します。負帰還はアンプの性能に 4 つの影響を与えます。

1.負帰還により、アンプのゲインの安定性が向上します

2.負帰還はアンプの通過帯域を広げることができます

3.負帰還はアンプの歪みを減らすことができます

4.負帰還により、アンプの信号対雑音比を改善できます

5.負帰還はアンプの出力抵抗と入力抵抗に影響します

式によると：

上式より、R=rのとき、式の分母の(R-r)の値が0以上となり、負荷で得られる電力が最大となることがわかります。したがって、負荷抵抗が電源の内部抵抗と等しい場合、負荷は最大電力を取得します。これが電子回路におけるインピーダンス整合の基本原理です。

直列および並列共振回路の特性

1、直列共振回路: 外部周波数が直列共振回路に追加されると、次の特性があります。

1. 外部周波数がその共振周波数に等しい場合、その回路インピーダンスは純粋に抵抗性であり、実際のアプリケーションではウェーブトラップと呼ばれる最小値になります。

2. 外部周波数がその共振周波数よりも高い場合、回路インピーダンスは誘導性であり、誘導性コイルと同等です。

3. 外部周波数がその共振周波数よりも低い場合、回路は容量性であり、コンデンサと同等です。