Erklärung der maximalen Kraftübertragung

Wenn man beispielsweise einen Sensor hat, der als Spannungsquelle modelliert werden kann, nennen Sie ihn Vs. Stellen Sie sich vor, es gibt mV-Spannungssignale aus und hat einen Ausgangswiderstand von 1 k. Und wenn wir es verstärken wollen, würden wir einen Verstärker mit einer sehr großen Eingangsimpedanz wie 10 Mega verwenden, damit die meisten Vs den Verstärkereingang erreichen.

Sie können dies tun, wenn Sie nur daran interessiert sind, die genaueste Messung der Leerlaufsensorspannung zu erhalten, aber nicht, wenn Sie das beste Signal-Rausch-Verhältnis wünschen.

Angenommen, Ihr Verstärker hat eine äquivalente Eingangsrauschspannung von 1 mV und das Signal hat ebenfalls 1 mV. Bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 1:1 werden Sie es schwer haben, sie zu trennen. Aber was ist, wenn Sie einen Transformator verwenden, um die Quelle an die Last anzupassen? Sie möchten ein Impedanz-Aufwärtsverhältnis von 10 M / 1 k = 10000. Das erforderliche Windungsverhältnis ist die Quadratwurzel des Impedanzverhältnisses, dh. 100. Da das Spannungserhöhungsverhältnis gleich dem Windungsverhältnis ist, ist Ihre Signalspannung jetzt 100-mal größer! Selbst nach Berücksichtigung des Abfalls von 50 % aufgrund der Impedanzanpassung haben Sie immer noch 50-mal mehr Spannung als zuvor (50 mV gegenüber 1 mV). Durch Anpassen der Impedanzen haben Sie also ein miserables S/N-Verhältnis von 1:1 in ein gesundes Verhältnis von 50:1 verwandelt (eine Verbesserung von 34 dB).

Aber was ist, wenn Sie keinen Transformator verwenden möchten? Für eine gegebene Temperatur ist die thermische Rauschleistung in einem Widerstand konstant, aber die Spannung ist proportional zur Quadratwurzel seines Widerstands. Anstatt also die Impedanz zu erhöhen, um sie an den Verstärker anzupassen, könnten Sie einfach einen Verstärker mit niedrigerer Eingangsimpedanz verwenden - der (bei richtiger Auslegung) eine proportional niedrigere Eingangsrauschspannung haben sollte.

Je mehr Signalleistung Sie in den Eingang des Verstärkers bekommen können, desto mehr muss er spielen, um internes Rauschen zu überwinden. Die Anpassung der Impedanzen erzeugt eine maximale Leistungsübertragung, da die Spannung zwar abnimmt (im Vergleich zur Leerlaufspannung), der Strom jedoch ansteigt . Obwohl Sie 50 % der Leistung in der Quelle verlieren, bekommen Sie immer noch mehr heraus als mit nicht angepassten Impedanzen.

Je nachdem, wie ein Verstärker ausgelegt ist und welche Komponenten er verwendet, wird das beste S/N-Verhältnis möglicherweise nicht erreicht, wenn die Impedanzen genau angepasst sind. In der Regel wird es nicht weit sein, aber wenn Sie bestimmte Geräte vergleichen, müssen Sie die Spezifikationen untersuchen (oder sie messen). Und es kann andere Kriterien geben, die wichtiger sind, wie z. B. Sensorbelastung, Linearität und Dynamikbereich. Daher können wir nicht sagen, dass die Anpassung der Impedanzen in allen Fällen die besten Ergebnisse liefert. Hier sind ein paar Beispiele, bei denen eine Anpassung der Impedanz keine gute Idee ist:-

1. Audio-Leistungsverstärker: Sie möchten einen hohen Wirkungsgrad, um den Stromverbrauch und die Kühlanforderungen zu reduzieren. Daher sollte der Verstärker eine viel niedrigere Impedanz als die Lautsprecher haben, damit die meiste Leistung an die Last geliefert wird. Die niedrige Ausgangsimpedanz trägt auch dazu bei, mechanische Resonanzen in den Lautsprechern zu dämpfen und so einen präziseren Klang zu erzeugen.

2. Gitarrenverstärker. Der induktive Tonabnehmer in der Gitarre hat eine komplexe Impedanz, die ansteigt, wenn er sich seiner Resonanzfrequenz nähert, aber auch die Ausgangsspannung. Um den flachsten Frequenzgang zu erhalten, sollte der Verstärker eine ziemlich hohe Eingangsimpedanz haben (normalerweise um 100 kΩ), aber eine noch höhere Impedanz ist oft wünschenswert, um den Peaking-Effekt bei höheren Frequenzen zu verstärken. Die Gitarre kann auch Tonregler haben, die die Reaktion modifizieren. Die Anpassung seiner Impedanz bei allen Frequenzen würde den Klang des Instruments dramatisch verändern.

Vor Jahrzehnten habe ich ein Team von Leuten darin geschult, RFIC-Designs durchzuführen. Aber fast ALLE Schaltungen waren breitbandig und deckten 1 oder 2 Oktaven des Eingangsbereichs oder Ausgangsbereichs im Bereich von 100 MHz bis 1.000 MHz ab. (OK, es war ein LO-Puffer mit 2+ GHz-Anforderung und Prescaler mit ähnlichen Anforderungen).

Wir standen vor dieser Frage: zusammenpassen oder nicht zusammenpassen. Ich erklärte, dass wir die Schaltkreise auf dem Chip, die etwa 50 bis 500 Mikrometer zwischen HF-Quelle und HF-Last liegen, nur als Breitband-Operationsverstärker betrachten könnten. Angesichts der Breitbandnatur und der Tatsache, dass keine Terminierung oder Reflexionen Teil unserer Silizium-Layout-Herausforderungen sind, haben wir uns darauf geeinigt, keine 50-Ohm-Widerstände einzusetzen.

Die Schnittstellen mussten wir, wie bereits erwähnt, als Spannungsteiler betrachten. Bei sehr niedrigem Rout der HF-Quellen (Bipolare mit 10 mA => 2,6 Ohm Rout) und hohem Rin (2,6 Ohm * Beta = 260 Ohm) betrugen unsere Schnittstellenverluste etwa 1 % oder etwa 0,1 dB.

Hätten wir jede Schnittstelle terminiert, hätten wir angesichts des 6-dB-Verlusts ein oder zwei zusätzliche Stufen im Empfängerchip benötigt.

Somit können Sie "kein Matching" so ansehen, dass Sie in jeder Stufe 6 dB Verstärkung kostenlos erhalten.