Theorie der Eingangsimpedanz verstehen

Ich habe weiter darüber nachgedacht und denke, ich werde versuchen, meine eigene Frage zu beantworten, aber ich kann meine Antwort nicht akzeptieren, da ich nicht qualifiziert bin.

Ich denke, die Antwort liegt wahrscheinlich darin, es als Spannungsteiler zu betrachten:

Wenn Sie sich Sorgen um die Leistung machen, müssen Sie sich sowohl um Strom als auch um Spannung kümmern, da P = IV ist, mit anderen Worten, die Leistung hängt davon ab, wie viel Spannung abgeführt wird.
Gleiche Widerstände erweisen sich also als die besten, da die Leistung über beide Beine (Z1/Z2) ausgeglichen wird. Wenn Sie sich jedoch nur um die Spannung kümmern, möchten Sie, dass Z2 größer ist, um mehr Spannung von Vin nach Vout zu erhalten. Und ja, es ist "parallel" zu Vout, denn so funktioniert ein Spannungsteiler und basiert auf relativen Widerständen. Und wir SIND besorgt über Spannung (nicht Strom wie in den "alten Tagen" des Telefons), wie ich es verstehe. Meine Vermutung ist, dass die Theorie so am besten erklärt wird.

Wenn das richtig ist, würde ich mich freuen, wenn jemand Qualifiziertes akzeptiert. Wenn nicht, freue ich mich über Korrekturen. Über klärende Kommentare würde ich mich jedenfalls freuen.

BEARBEITEN 30. Juli 2020: Ich hatte mehr Zeit, darüber nachzudenken und ein wenig mehr zu lesen. Ich denke jetzt, ich könnte meine eigene Frage noch besser beantworten, und ich würde sagen, ich bin zu der Überzeugung gelangt, dass Z1 in diesem Bild in der Praxis die Ausgangsimpedanz einer Quelle ist, die Sie nicht unbedingt kontrollieren. IE, vielleicht ist es ein Gitarreneingang. Es ist was es ist. Z2 jedoch steuerst du. Und indem Sie einen sehr großen Z2-Widerstand (wie 1 M) an den Eingang Ihrer Schaltung legen, der auf Masse geht, bauen Sie effektiv einen Spannungsteiler auf, der zur Hälfte hier von Ihnen gesteuert wird (Z2) und zur Hälfte von der Schaltung, die Sie nicht steuern (Z1, IE die Gitarre). Wenn in diesem Fall Z2 viel größer als Z1 ist, fördern Sie, dass der größte Teil der Spannung auf Vout verteilt wird, anstatt auf Masse zu gehen. Da das Audiosignal durch die Spannungswelle dargestellt wird, ist dies großartig, Sie möchten die größte Spannungswelle, die Sie bekommen können. Dies passt die Impedanz an sich nicht wirklich an, aber es macht es so, wie Sie es wollen. Ich denke, für einige Anwendungen möchten sie maximale Leistung und nicht maximale Spannung übertragen. In diesem Fall würden sie Z2 im Grunde fast gleich Z1 machen wollen, was in diesem Zusammenhang Impedanzanpassung bedeutet. Wenn ich falsch liege, können Sie mich gerne korrigieren, ich möchte es wissen und gute Informationen teilen. Aber ich habe das Gefühl, dass ich jetzt den Dreh raus habe. Wenn das richtig ist, hoffe ich, dass meine Art, es zu erklären, für jemanden da draußen Sinn macht, der mit der Art und Weise, wie andere es erklären, verwirrt war. Wenn ich falsch liege, können Sie mich gerne korrigieren, ich möchte es wissen und gute Informationen teilen. Aber ich habe das Gefühl, dass ich jetzt den Dreh raus habe. Wenn das richtig ist, hoffe ich, dass meine Art, es zu erklären, für jemanden da draußen Sinn macht, der mit der Art und Weise, wie andere es erklären, verwirrt war. Wenn ich falsch liege, können Sie mich gerne korrigieren, ich möchte es wissen und gute Informationen teilen. Aber ich habe das Gefühl, dass ich jetzt den Dreh raus habe. Wenn das richtig ist, hoffe ich, dass meine Art, es zu erklären, für jemanden da draußen Sinn macht, der mit der Art und Weise, wie andere es erklären, verwirrt war.

Diese Frage lässt sich direkt praktisch beantworten. Was soll ich machen?. Ich freue mich auch über Kommentare zum LM386 im Allgemeinen, wenn Sie das hinzufügen möchten.

Und

Ich werde einen 1M Ohm Eingangswiderstand versuchen, um die Gitarre zu dämpfen

Ich bin mir nicht sicher, ob das Setzen eines 1 MOhm den Senf für den LM386 schneiden wird. Idealerweise benötigen Sie einen hochohmigen Pufferverstärker und speisen seinen Ausgang in das Potentiometer in einer der Schaltungen, die ich in Ihre Frage bearbeitet habe. Google ist dein Freund und es hat dies ergeben, als ich gesucht habe: Gitarrenverstärkerschaltung mit LM386 und einem Eingangspuffer .

Hier ist ein Link zum Design, das helfen sollte. Beachten Sie, dass es nur eine 9-Volt-Versorgungsspannung verwendet. Hier ist eine unabhängige Überprüfung des Verstärkers, sodass er an mehreren Stellen eindeutig Aufmerksamkeit erregt. Es dekonstruiert es ziemlich technisch auf eine ziemlich nette Art und Weise, also sollte es auch ziemlich nützlich sein. Hier ist noch ein weiteres Spin-Off, also hat dieses Design bei Gitarristen Glaubwürdigkeit, schätze ich (da ich selbst einer bin).

Es gibt auch eine Suchmaschine auf dieser Seite, um alle Möglichkeiten anderer Verstärkerdesigns zu finden.

Bei Audio und ziemlich genau bis zu einem MHz betragen die Ausgangsimpedanzen in der Regel nicht mehr als ein Zehntel der Eingangsimpedanz des Geräts, das es speist. Typischerweise hat ein Leistungsverstärker eine Ausgangsimpedanz von weniger als 0,5 Ohm und ein Lautsprecher hat zum Vergleich 4 Ohm oder mehr.

Du sagst

Was mich verwirrt, ist, dass die Eingangsdarstellung den Widerstand im Grunde parallel zum Eingang von Gerät B zeigt, während die Ausgangsdarstellung den Widerstand in Reihe mit dem Ausgang von Gerät A zeigt. Es scheint mir, dass dies zwei sehr unterschiedliche Dinge sind. Die Darstellung von Gerät A erscheint logisch, da ein Reihenwiderstand den Gesamtwiderstand des Ausgangs erhöhen würde. Aber die Darstellung von Device B ist für mich unlogisch.

Hier gibt es ein grundlegendes Problem: Sie sollten Ausgangs- und Eingangswiderstand als Teile der Geräte A und B sehen, nicht als etwas, das Sie vor oder am Ende hinzufügen. Ich schlage vor, dass Sie versuchen, Ihre Stufen als zwei Ports zu sehen. Lassen Sie uns auch über Widerstand sprechen, um die Dinge zu vereinfachen.

Für den Ausgangswiderstand einer Stufe gilt also: Es hängt davon ab, wie Sie ihn modellieren. Wenn Sie es als Spannungsquelle modellieren, haben Sie einen Spannungsgenerator mit einem (möglicherweise kleinen, idealerweise Null-) Serien-Rout; Wenn Sie es als Stromquelle modellieren, haben Sie einen Stromgenerator mit einem (möglicherweise hohen, idealerweise unendlichen) parallelen Rout. In Ihrem Schema oben sollte der Widerstand in das Dreieck gezeichnet werden, das den Verstärker darstellt. Etwas wie das:

Bild von hier: https://i.stack.imgur.com/enMZ0.gif

Beachten Sie, dass Sie von einer Ausgabedarstellung zur anderen wechseln können, indem Sie die Sätze von Norton oder Thevenin anwenden. Denken Sie daran, dass eine gute Spannungsquelle eine lausige Stromquelle ergibt und umgekehrt.

Was den Eingangswiderstand betrifft, so ist dies der Widerstand, den Sie sehen, wenn Sie in den ... Eingangsport "schauen". Wenn Ihre Stufe dafür ausgelegt ist, Spannung als Eingang zu empfangen, sind Sie mit einer hohen Eingangsimpedanz besser dran, denn wenn Sie einen Spannungsgenerator an seinen Eingang anschließen, erzeugen Sie einen Spannungsteiler mit Rin und dem Innenwiderstand Rs der Spannungsquelle (dh der Ausgangswiderstand der vorhergehenden Stufe). Aber wenn Ihre Stufe da ist, um einen Strom zu akzeptieren, dann sind Sie mit der niedrigsten Eingangsimpedanz, die Sie bekommen können, besser dran. Denn wenn Sie die vorangehende Stufe als Stromgenerator mit einem inneren Leitwert Gp modellieren - entsprechend einem parallelen Widerstand Rp, dann haben Sie einen Stromteiler und Sie erhalten den größten Teil des Stroms, wenn Ihr Rin viel niedriger als Rp ist.

Zeichnen Sie Ihre Schaltungen als zwei Ports neu und es wird klar, woher diese Topologien kommen.

Wenn Sie Ihre Stufen kombinieren, erhalten Sie, je nachdem, was danach kommt, entweder einen Spannungsteiler oder einen Stromteiler. Gut oder schlecht hängt von den relativen Werten von Rout und Rin ab. Und nein, die beste Lösung ist nicht unbedingt Rout-Stufe(N) = Rin-Stufe(N+1). Auch dann nicht, wenn man die maximale Leistung in die letzte Stufe holen möchte. Ich habe eine ausführliche Antwort auf diese andere Frage zur Impedanzanpassung geschrieben ( Wie Spannungs- und Leistungsübertragung in kaskadierten Verstärkern funktionieren? ) .

Grundsätzlich geht es beim Maximum Power Transfer Theorem darum, wie man die maximale Leistung aus einer bestimmten Quelle extrahiert, und NICHT darum, wie man eine Last dazu bringt, ihre maximale (sollten wir sie „nominal“ nennen?) Leistung zu absorbieren. Wenn Sie möchten, dass Ihre Last die maximal zulässige Leistung aufnimmt, sollten Sie nach völlig unübertroffenen Lösungen suchen, die der Stufe entsprechen, die sie mit Strom versorgt, so ähnlich wie möglich zu einer idealen Spannungsquelle (Rout = 0, mit Rout in Reihe mit Ihrem RL - einen Spannungsteiler bilden) oder eine ideale Stromquelle (Gout = 0 oder Rout = unendlich mit Rout parallel zu Ihrem RL - einen Stromteiler bilden).

Wenn Sie nicht auf den Ausgangswiderstand der Leistungsstufe einwirken können, bleiben Sie möglicherweise mit einem schlechten Spannungsteiler (oder einem schlechten Stromteiler) hängen. In diesem Fall ist es sinnvoll, eine Zwischenstufe hinzuzufügen, deren Zweck es ist, der Leistungsstufe und der Impedanz zu zeigen, dass der Spannungsteiler besser aussieht, und gleichzeitig ermöglicht es Ihnen, die Impedanz auszuwählen, die sie Ihrer Last zeigt. Dies macht die FET-Stufe in Ihrer modifizierten Schaltung.

Impedanz ist ein Problem, aber nicht dort, wo Sie denken.

Eine 9-V-Batterie hat im Vergleich zu einem Netzteil oder anderen Batterien eine sehr große Ausgangsimpedanz, sodass sie nicht viel Strom liefern kann und die Ausgangsspannung abfällt.

Höchstwahrscheinlich ist dies Ihre Hauptquelle für Verzerrungen. Versuchen Sie es mit einer echten Stromquelle.

Über deine Frage...

"Warum zeigt die Eingangsdarstellung den Widerstand grundsätzlich parallel zum Eingang von Gerät B, während die Ausgangsdarstellung den Widerstand in Reihe mit dem Ausgang von Gerät A zeigt."

... Sie haben richtig vermutet, dass dies die konzeptionelle Schaltung des allgegenwärtigen Spannungsteilers ist . Lassen Sie uns zuerst ein paar Worte darüber sagen ...

Diese bescheidene Schaltung aus zwei Widerständen in Reihe ist die häufigste elektrische Schaltung. Warum?

Aus irgendeinem Grund (wäre interessant zu sehen, was ... aber das ist ein anderes Thema) verwenden wir in der Kleinleistungselektronik lieber Spannung als Strom als Datenträger. Der Spannungsteiler ist ein Gerät, das benötigt wird, um die Spannung umzuwandeln (proportional zu verringern). Aus dieser Sicht ist es ein nützliches Gerät . Ein Beispiel für eine solche gewünschte Anwendung ist das 10-k-Potentiometer in Ihrer obigen Schaltung.

Leider ist es in den meisten Fällen ein schädliches Gerät, das die Spannung und die Gesamtverstärkung von mehrstufigen Spannungsverstärkern unnötig reduziert. Aus dieser Sicht handelt es sich um ein schädliches Gerät . Ob wir wollen oder nicht, in jedem Fall, wenn wir eine Spannungsquelle (Verstärkerausgang) mit einer Last (Verstärkereingang) verbinden (kaskadieren), entsteht so ein unerwünschter Spannungsteiler (Dämpfungsglied). Aber was ist Rout und was Rin in dieser Konfiguration?

Das Bild auf der obigen Audio-Seite ist irreführend, da es diese Widerstände als externe Widerstände zeigt … aber sie befinden sich innerhalb der Bühne. Sie sind äquivalente Widerstände und in den meisten Fällen nicht sichtbar.

Rout drückt die Tatsache aus, dass, wenn wir beginnen, Strom vom Ausgang der Stufe zu verbrauchen, ihre Spannung abfällt (dRout = dV/dI). In einigen Fällen kann Rout ein sichtbarer externer Widerstand sein. Zum Beispiel können wir einen solchen Widerstand absichtlich in Reihe zu einer perfekten („idealen*) Spannungsquelle (Verstärkerausgang) schalten, um ihn unperfekt zu machen… zB zu pädagogischen Zwecken.Ich empfehle meinen Schülern, solche Experimente in den Einführungspraktika durchzuführen um den Unterschied zwischen einer perfekten und einer unvollkommenen Spannungsquelle zu sehen. Oder Rout kann ein Leitungswiderstand sein, wenn er zu lang ist ... oder ein Schutzwiderstand in den Emittern der Ausgangspuffer. Normalerweise möchten wir, dass Rout klein (vorzugsweise null) ist die ganze Spannung.

Rin drückt die Tatsache aus, dass, wenn wir Spannung an den Stufeneingang anlegen, dieser anfängt, Strom vom Ausgang der vorherigen Stufe zu verbrauchen und seine Spannung abfällt. In BJT wird Rin hauptsächlich durch den Transistoreingangswiderstand bestimmt… aber es gibt auch parallele Vorspannungswiderstände. Rin kann auch ein sichtbarer externer Widerstand sein. Wie oben können wir einen solchen Widerstand absichtlich parallel zu einer perfekten Spannungslast (Verstärkereingang) mit extrem hohem Widerstand schalten, um ihn unvollkommen zu machen. Beispielsweise laden meine Schüler eine absichtlich verschlechterte Spannungsquelle (mit zusätzlichem Rout), um die Auswirkungen von Rin auf Vout zu sehen. Oder wir können einen Widerstand parallel zum FET-Eingang schalten, um ihn zu schützen. Typischerweise möchten wir, dass Rin so hoch wie möglich ist (vorzugsweise "offener Stromkreis"), um die gesamte Spannung aus der vorherigen Stufe zu übertragen.

Um also die maximale Spannung zu übertragen, muss Rout so niedrig wie möglich und Rin so hoch wie möglich sein. Um die maximale Leistung in der Ausgangsstufe zu übertragen, müssen wir den Lastwiderstand RL gleich Rout machen. Das Gegenteil (Rout = RL für maximale Leistung zu machen) ist nicht wahr.

Neben diesen unkomplizierten Lösungen, die für elektrische Schaltungen am typischsten sind, verwenden wir in der Elektronik cleverere Techniken, die auf der allgegenwärtigen negativen Rückkopplung basieren.

Rout kann fast bis auf Null verringert werden, indem die negative Rückkopplungsschleife danach geschlossen wird. Als Ergebnis erhöht der Verstärker seine Ausgangsspannung mit VRout und kompensiert dies. Der Verstärkerausgang kann als "negativer Widerstand" mit dem Widerstand -Rout betrachtet werden, der den "positiven Widerstand" Rout zerstört.

Rin kann (theoretisch) bis ins Unendliche erhöht werden, indem sein unteres Ende vom Boden getrennt und mit Vin verschoben wird. Der Name dieses seltsamen Schaltungstricks lautet "Bootstrapping".