Warum wird bei Verstärkern eine Eingangsimpedanzanpassung durchgeführt?

Ich versuche, einen HF-Leistungsverstärker mit einem Transistor zu entwerfen. Bei einem Verstärker mit einem einzelnen Transistor bestimmt die Spannung an Basis/Gate des Transistors den Strom durch den Transistor und letztendlich die Ausgangsleistung. Warum wird dann die Leistungsaufnahme des Transistors durch Impedanzanpassung maximiert? Warum kann keine Impedanzüberbrückung durchgeführt werden, um die Spannung am Gate/Basis des Transistors zu erhöhen und damit den Kollektor/Drain-Strom zu erhöhen?

Bearbeiten: Wenn Ihre Antwort maximale Leistungsübertragung ist, verstehe ich nicht, wie die Impedanzanpassung eine maximale Leistungsübertragung gewährleistet. Ich verstehe, dass die Impedanzanpassung sicherstellt, dass die maximale Leistung in den Transistor gelangt, der Transistor jedoch kein Leistungsverstärker ist. Es ist normalerweise ein Transkonduktor oder ein Spannungsverstärker. Wie maximiert sich die Ausgangsleistung, wenn die Eingangsleistung maximiert wird?

Nochmals bearbeiten: Mir wurde klar, dass diese Frage Warum ist es uns wichtig, die Eingangsimpedanz von empfangenden HF-Verstärkern anzupassen? ist dem, was ich frage, sehr ähnlich. Die dort akzeptierte Antwort lautet, dass die Maximierung der Eingangsleistung des Verstärkers durch Impedanzanpassung das SNR des Eingangssignals erhöht und dadurch auch das SNR des Ausgangssignals erhöht. Gilt das gleiche Argument auch hier? Ist die Beibehaltung des SNR des Signals der einzige Grund, die Eingangsleistung des Verstärkers durch Impedanzanpassung zu maximieren?

Sie meinen, die Lastimpedanz zu erhöhen, die von der Quelle gesehen wird, die den Eingang des Verstärkers ansteuert? Anstatt zu passen?
Die Impedanzanpassung dient der Maximierung der Leistungsübertragung. Das ist aber nicht immer ein Ziel. Beim Verstärken des Signals von einem Mikrofon geht es beispielsweise mehr darum, das Mikrofon so zu betreiben, dass der von ihm abgerufene Ton mit maximaler Wiedergabetreue wiedergegeben wird, und nicht darum, die meiste Leistung zu übertragen. Aber wenn Sie ein Amateurfunker sind und einen vorhandenen Sender haben und einen linearen Verstärker mit einem 4CX1000A hinzufügen möchten, dann möchten Sie eine maximale Leistungsübertragung und daher eine Impedanzanpassung.
Ich verstehe nicht, wie die Impedanzanpassung eine maximale Leistungsübertragung gewährleistet. Ich verstehe, dass die Impedanzanpassung sicherstellt, dass die maximale Leistung in den Transistor gelangt, der Transistor jedoch kein Leistungsverstärker ist. Es ist normalerweise ein Transkonduktor oder ein Spannungsverstärker. Wie maximiert sich die Ausgangsleistung, wenn die Eingangsleistung maximiert wird?
@MeenieLeis Ja, die von der Quelle gesehene Lastimpedanz kann erhöht und dadurch die Spannung am Eingang des Verstärkers erhöht werden, da der Ausgang des Transistors ausschließlich von der Spannung am Eingang abhängt, vorausgesetzt, der Emitter / die Quelle ist geerdet. Bitte überprüfen Sie auch meinen vorherigen Kommentar.
Der Eingang muss 50 Ohm betragen, um ein hohes VSWR zu vermeiden. Bei RF können Sie nicht nur einen hochohmigen Eingang haben. Reflexionen und so.
@mkeith Können wir nicht ein LC-Anpassungsnetzwerk oder einen Transformator verwenden, um einen hochohmigen Eingang sicherzustellen? Ich verstehe, dass das Nichtsicherstellen einer Impedanzanpassung das VSWR beeinflussen kann, aber wie wirkt sich das auf den Ausgang aus? Soll nur die Eingangsquelle vor der reflektierten Energie geschützt werden?
Nun, wenn es zu viel Reflexion gibt, kann es das Basisbandsignal verfälschen. Reflexion ist im Grunde ein Echo. Natürlich können Sie ein passendes Netzwerk oder einen Transformator verwenden.
Sie müssen die Impedanz anpassen, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten. Wenn Sie eine völlig unmodulierte Sinuswelle verwenden, ist die Signalintegrität meiner Meinung nach keine so große Sache. Es wird eine unmodulierte Sinuswelle bleiben, egal welchen Missbrauch Sie es durchmachen. Aber wenn es moduliert wird, dann können Sie keine Reflexionen haben, weil dann Echos vergangener Signale gegenwärtige Signale stören. Dadurch wird die Integrität des Basisbandsignals zerstört. Sie haben also keinen großen Spielraum, um die Impedanzanpassung zu ignorieren.
@mkeith Wow. Danke für diesen Kommentar. Aber ich habe eine andere Antwort unter electronic.stackexchange.com/questions/288645/… gefunden , die über das SNR des Eingangssignals spricht. Ist das auch ein Grund für die Impedanzanpassung oder ist das Vermeiden von Reflexionen das Hauptanliegen?
Diese Antwort habe ich nicht ganz verstanden. Aber es hört sich gut an! Reflexionen von alten Signalen sind ebenfalls eine Form von Rauschen, sodass sie das SNR verschlechtern. Es ist kein zufälliges Rauschen, aber es kann immer noch als Rauschen in dem Sinne betrachtet werden, dass es nicht Teil des beabsichtigten Signals ist.
@mkeith Danke für deine Hilfe. Ich denke, ich bin jetzt klar. Der Glaube, dass die Anpassung der Eingangsimpedanz die Ausgangsleistung maximieren soll, ist also ein Mythos?

Antworten (4)

Die Impedanzanpassung ist in HF-Schaltungen wichtig, um Reflexionen zu vermeiden. Wenn die Eingangsimpedanz der Last mit der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung übereinstimmt, gibt es keine Reflexion an der Last.

Was schaden solche Reflexionen? Verfälschen sie das Eingangssignal? Beschädigen sie die Eingangsquelle? Oder verursachen sie nur einen Verlust der übertragenen Leistung? Ich bin mir nicht sicher, warum Reflexionen in HF-Schaltungen ein Problem darstellen
@KevinSelvaPrasanna Sie verzerren das Signal. Stellen Sie sich vor, Sie haben ein einzelnes Impulssignal. Es reflektiert an der Leerlauflast, wandert zurück zur Quelle, reflektiert dort, wandert zurück zur Last usw. Die Last sieht also viele Impulse, auch wenn nur einer gesendet wurde.
Wow cool. Danke. Ich habe eine andere Antwort unter electronic.stackexchange.com/questions/288645/… gefunden , die über das SNR des Signals spricht. Gilt das auch hier oder geht es vor allem um Reflexionen?

Die Impedanzüberbrückung wird durchgeführt, wenn Sie eher an Spannung als an Leistung interessiert sind. Dadurch wird sichergestellt, dass die maximale Spannung bei minimaler Signalverschlechterung zum Verstärkereingang getrieben wird. Es verbraucht weniger Eingangsleistung, da die Stromaufnahme durch die Reihenschaltung von Quellen- und Lastimpedanzen gering ist. Es ist in Spannungsverstärkern relevant.

Die Impedanzanpassung erfolgt, wenn Sie an Leistung interessiert sind. Dies ist in Leistungsverstärkern relevant, bei denen die Ausgangslasten niederohmig sind. Hier ist die Eingangsimpedanz gleich der Quellenimpedanz. Der Verstärker entnimmt nun der Quelle an seinem Eingang die maximale Leistung (MPT-Theorem). Im Vergleich zum vorherigen Fall ist auch der Eingangsstrom des Verstärkers höher. Daher kann der Verstärker nun einen höheren Strom in der Ausgangskollektorschaltung treiben. dh am Ausgang kann mehr Leistung entnommen werden. Außerdem geht es nicht nur um die Ausgangsleistung. Es geht auch um Energieeffizienz in Bezug auf Eingangsleistung und Ausgangsleistung des Verstärkers. Maximale Leistungseffizienz wird nur erreicht, wenn die Impedanzen angepasst sind.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ein einzelner Transistorverstärker ist im Wesentlichen ein Spannungsverstärker. Der Kollektorstrom hängt allein von der Basisspannung ab, vorausgesetzt, der Emitter ist geerdet. Warum wird bei Einzeltransistor-Leistungsverstärkern eine Impedanzanpassung empfohlen, wenn die Ausgangscharakteristik nur von der Eingangsspannung und nicht von der Eingangsleistung abhängt?
Und warum sprechen Sie von Effizienz in Bezug auf die Signalleistung? Effizienz wird meist in Bezug auf die Stromversorgung diskutiert. Warum kümmern wir uns um die Signalleistungsverschwendung, die nur einen winzigen Bruchteil der von der Stromversorgung gelieferten Leistung ausmacht?
Bei Spannungsverstärkern sagt niemand, dass eine Impedanzanpassung notwendig ist. Es ist nur in Leistungsverstärkern relevant.
Wenn Sie Leistung verstärken möchten, wird die maximale Effizienz nur dann erreicht, wenn die Impedanzen angepasst sind.
Ein Transistorverstärker ist auch ein Leistungsverstärker, wenn die Impedanzen angepasst sind.
"Wenn es ist, dass die Ausgangscharakteristik eine Funktion der Eingangsspannung allein und nicht der Eingangsleistung ist" ----> Aber Spannung und Leistung hängen zusammen.
Nein, ich glaube, ich drücke mich nicht klar genug aus. Ich möchte, dass Sie electronic.stackexchange.com/questions/288645/… überprüfen , was meiner Frage sehr ähnlich ist, aber klarer. Die Impedanzanpassung liefert dem Transistor mehr Eingangsleistung, verringert jedoch die Eingangsspannung (im Vergleich zur Impedanzüberbrückung). Betrachtet man den Transistor als Transkonduktor, verringert sich der Ausgangsstrom mit der reduzierten Eingangsspannung. Korrigiere mich, wenn ich falsch liege.
Kein Ausgangsstrom erhöht sich. Denn obwohl die Eingangsspannung im Vergleich zum vorherigen Fall niedriger ist, hat sich der Eingangsstrom (Basisstrom) erhöht, da die Eingangsimpedanz des Verstärkers jetzt auch niedriger ist (V/Z = I). Und es ist in Reihe mit der Quellenimpedanz (die immer noch die gleiche wie im vorherigen Fall ist). Dies ist tatsächlich ein Beweis für das MPT-Theorem, wie sowohl V als auch I durch die Lastimpedanz ausgeglichen werden, um die Leistung zu maximieren.
Abschnitt zur Leistungsübertragung in -- en.m.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching
polytechnichub.com/difference-voltage-amplifier-power-amplifier - höherer Kollektorstrom aufgrund der Impedanzanpassung - höhere Leistung am Ausgang.
"Ein einzelner Transistorverstärker ist im Wesentlichen ein Spannungsverstärker" trifft nur auf das vereinfachte theoretische Ebers-Moll-Modell zu, das in Lehrbüchern verwendet wird. Ein Transistor hat eine Basiskapazität, einen Emitterwiderstand, einen Basisspreizwiderstand und eine Induktivität in allen Leitungen; viel komplexer als das vereinfachte Modell. Die Komplexität spielt bei Audiofrequenzen keine große Rolle, bei RF jedoch schon. Schlagen Sie Gummel-Poon nach und fügen Sie Paket- und Bleiparasiten hinzu, und Sie werden es verstehen.
Außerdem: Die Kapazitäten innerhalb eines Transistors sind spannungsabhängig; Sie ändern sich mit den Vorspannungs- und Lastbedingungen (abhängig von der Größe der Verarmungszonen, wie z. B. der Änderung des Abstands auf Kondensatorplatten). Daher muss die Impedanzanpassung möglicherweise abhängig von den Leistungspegeln geändert werden, selbst für denselben Transistor und dieselbe Frequenz. Es ist kompliziert!

Betrachten Sie den Transistor als eine Box, die eine Transkonduktanz zwischen Eingang/Basis und Ausgang/Kollektor bereitstellt. Für maximale Leistung am Kollektor benötigt die Basis die maximale Eingangsspannung.

Beim Vorhandensein verschiedener Reaktanzen an der Basis, wie z. B. Cemitter_base und Ccollector_base (die sich ändern, wenn sich die Kollektorresonanzen mit der Temperatur ändern und sich der Kollektor-VPP ändert), muss der Konstrukteur immer noch ein gewisses garantiertes VinPP an der Basis erreichen.

Möglicherweise müssen Sie ein De-Q (mit etwas Dämpfung) vornehmen, wenn Ihr HF-Signal einen großen Frequenzbereich abdecken muss.

Sie müssen verschiedene Stabilitätsfaktoren untersuchen und die verschiedenen Resonanzen bei Frequenzen und mit angemessener Dämpfung platzieren, damit Sie als Konstrukteur garantieren können, dass der HF-Verstärker nicht oszilliert oder spitz genug wird, um inakzeptable Schwankungen im Ausgangs-VPP zu verursachen.

Ich verstehe Ihre Antwort, aber ich verstehe immer noch nicht die Notwendigkeit einer Impedanzanpassung. Gemäß Ihrem ersten Absatz muss die Eingangsspannung maximiert werden, um die Leistung zu maximieren. Warum wird dann eine Impedanzanpassung durchgeführt, die keine maximale Spannung am Eingang gewährleistet? Ich verstehe, dass die parasitären Reaktanzen in der Schaltung die Eingangs- und Ausgangsspannung beeinflussen, aber ich verstehe den Fall der Impedanzanpassung immer noch nicht.

Wenn Sie sich die Basis oder das Gate eines Transistors ansehen, ist es sowohl resistiv als auch kapazitiv. Daher wird sie als Eingangsimpedanz bezeichnet. Sie möchten, dass die Eingangsleistung in den resistiven Teil des Eingangs gesteckt wird, also müssen Sie den kapazitiven Teil eliminieren. Dies wird als Impedanzanpassung bezeichnet. Angenommen, der Eingang kommt von einer 50-Ω-Quelle, Sie müssen ihn an die komplexe Impedanz des Transistors anpassen. Sie können ein L-Matching-Netzwerk verwenden.

Gleiches gilt für den Ausgang eines Transistors.

Warum wird bei Verstärkern eine Eingangsimpedanzanpassung durchgeführt?
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