[Ich bespreche die Rauschspannung im Vergleich zur Rauschzahl am Ende dieser Antwort.]

einfach ausgedrückt

• Die Anpassung kostet Sie 6 dB pro Schnittstelle auf den Spannungspegeln

• Ich habe einmal ein Team geleitet, das HF-Design auf Silizium durchführte; Wir kamen zu dem Schluss, dass es nicht notwendig war, unsere 500-Mikrometer-Abstände auf dem Silizium abzugleichen

• Ich leitete das Team (alle stammen aus früheren PCB-Arbeiten, wo eine Anpassung erforderlich war ) an, das Siliziumdesign als Breitband-Operationsverstärker zu betrachten, bei denen Sie einen Emitterfolger verwenden können, um einen niedrigen Rout zu erreichen, und Diffpairs (bipolar oder FET; wir haben einen biCMOS-Prozess) zu verwenden ) für die Eingangsschaltung, also HIGH_RIN, an die nächste Signalverarbeitungsschaltung

• Wir haben in unseren Simulationen gelernt, dass die Anpassung keinen Sinn machte, nachdem wir eine Präzisionsverstärkungs-/Phasenschaltung mit erheblichem Stromverbrauch aufgebaut und DANN 6 dB Spannungspegel weggeworfen hatten

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Als dieses Designteam RFIC-Methoden lernte, war Rauschzahl versus Rauschspannung ein großes Thema auf technischen Konferenzen.

Einfach gesagt:

• Die Rauschzahl erfordert eine bestimmte Rauschdichte an der Signalquelle

• Eine "Rauschdichte" scheint einen Ausgangswiderstand zu erfordern

• Wir wollen keine verlustbehafteten Widerstände einfügen, sondern nur Rauschen hinzufügen

• Also entschieden wir uns für den OpAmp_as_broadband_amplifier für unsere Denkweise; wir haben kein Matching durchgeführt; Wir haben die Rauschspannung als unser UHF-Designziel (300 MHz bis 3.000 MHz) verwendet

Aus praktischen Gründen hängt die Antwort sehr stark von dem Frequenzband ab, mit dem Sie arbeiten, und von der Länge Ihrer Übertragungsleitungen = ob TML-Eigenschaften bei diesen Frequenzen überhaupt berücksichtigt werden müssen.

Meine ersten Erfahrungen als Heimwerker habe ich mit Audioschaltungen gemacht. Der Klassiker ist ein Phono-Vorverstärker, gefolgt von einigen Line-Level-Korrekturen und Pegelanpassungsstufen, gefolgt von einer Leistungsendstufe. In diesem Bereich, ca. 20 Hz bis 20 kHz, müssten Ihre Übertragungsleitungen im Bereich von Kilometern liegen, um in Bezug auf die HF-Impedanz am oberen Ende des Bandes eine Rolle zu spielen. Für viele Zwecke behandeln die Audioverstärker ihr Signal als Gleichstrom, und die Last wird auch als "ziemlich viel Gleichstrom" betrachtet - zumindest in Bezug auf die Eigenschaften der Übertragungsleitung. (Erst wenn man mit Hoch-/Tiefpassfiltern im Signalweg, Leistungsentkopplung, Rückkopplungsstabilität und dem möglichen kapazitiven Anteil zur Ausgangslast in der Endstufe arbeitet, fängt man an AC zu grenzen.) Diese Amps sind der spannungsorientierte Klassiker, wo die Strömung nur als eine lästige seitliche Eigenschaft Ihrer Ladung betrachtet wird, die Sie berücksichtigen müssen. Um Ihre Frage zu diesem Teilthema zu beantworten, hier bauen Sie typischerweise den Ausgang einer Verstärkerstufe „ziemlich niederohmig“ und den Eingang der nächsten Stufe „ziemlich hochohmig“ auf. Die Motivation besteht darin, Verzerrungen zu minimieren. Die vorangehende Stufe sollte problemlos die von der Nachfolgestufe präsentierte Last treiben können. Was dazu führen könnte, dass Sie FET-basierte Differenzeingänge als den ultimativen heiligen Gral des Verstärkerdesigns bevorzugen - weil sie so wenig Eingangsstrom haben, oder? Naja nicht unbedingt. Es gibt Propheten im Design von Audioverstärkern, die Ihnen sagen würden, dass Sie BJT-basierte Diff-Eingänge verwenden und ihren Ruhestrom relativ hoch gestalten sollten (Eingangsimpedanz niedrig, vielleicht im Kilo-Ohm-Bereich). denn das ist gut für die Geräuschentwicklung. Ihre Operationsverstärker-basierten Vorverstärkerstufen haben eine Ausgangsimpedanz in Ohm-Einheiten, na und. Auch dort, wo Sie beginnen, Operationsverstärker näher an HF heranzuführen, dh Sie brauchen extreme Anstiegsraten oder Gain*Bandwidth-Produkte, da beginnen stromgekoppelte Designprinzipien ihren Kopf zu erheben.

Richtiges HF-Design ist ein ganz anderes Spiel. Um Reflexionen an den "Übergabepunkten" zu vermeiden, müssen Sie Übertragungsleitungen und Impedanzanpassungen am Ausgang und Eingang berücksichtigen. Reflektierte Energie ist nicht Ihr Freund, da sie den Ausgang einer Endstufenstufe überlasten, die Form Ihres Signals im Zeitbereich verzerren und im Frequenzbereich "klingeln" (resonieren) kann, sogar in dem Ausmaß, in dem dies möglich ist Amp-Stufen zum Eigenschwingen bringen usw.

Sie haben Bereiche, in denen ein auf Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärkern basierendes Signalkettendesign auf HF- und Übertragungsleitungen trifft – ein Klassiker, an den ich denken kann, sind analoge Video- oder vielleicht DSL-Modemübertragungen.

Dann gibt es Bereiche, in denen digitales Zeug auf HF und Übertragungsleitungen trifft – so ziemlich jede Art von digitaler Kommunikation. Von RS485 am unteren Ende (Hunderte Meter Verkabelung, Kbps-Übertragungsrate) bis hin zu modernen Computerbussen über Entfernungen von nur wenigen Zentimetern – denken Sie an die verschiedenen digitalen Anzeigestandards (TMDS und DP) oder PCI-e oder USB3. Das PCB-Routing ihrer symmetrischen Paare liegt vollständig im HF-Bereich.

Sie schrieben:

Auf dem Weg zum Lastwiderstand maximieren wir die übertragene Spannung, aber vor dem Lastwiderstand maximieren wir die übertragene Leistung, indem wir die Impedanzen anpassen

und dies scheint zu implizieren, dass Sie glauben, dass die maximale Leistung an der Last übertragen wird, wenn die Impedanzen angepasst sind. Nun, das ist nicht unbedingt der Fall. Tatsächlich ist es im Allgemeinen nicht wahr. Lassen Sie mich ein gewisses Maß an Komplexität aus der Gleichung herausnehmen, indem ich Widerstände und nicht Impedanzen betrachte, um meinen Standpunkt zu vertreten.

Die Impedanzanpassung bedeutet NICHT, dass die Last die höchste Leistung erhält

Angenommen, Sie erhalten eine 1-Ohm-Last und möchten sie mit einer 10-Volt-Batterie versorgen, um sie hoffentlich dazu zu bringen, eine Leistung nahe V ^ 2 / R = 100 W zu verbrauchen. Sie gehen ins Einkaufszentrum und finden drei 10-V-Batterien mit jeweils unterschiedlichem Innenwiderstand (es ist ein seltsamer Laden, der nicht nur Batterien mit nicht standardmäßigen Spannungen verkauft, sondern auch ihren Innenwiderstand angibt ...). Der erste Akku hat einen Innenwiderstand von 0,1 Ohm, der zweite 1 Ohm, der dritte satte 10 Ohm (aus irgendeinem Grund sind sie im Discount).

Welche Batterie maximiert die Leistungsübertragung auf Ihre 1-Ohm-Last? Sicherlich nicht der mit dem gewaltigen Innenwiderstand. Aber nicht einmal der mit dem "angepassten" Widerstand von 1 Ohm. Es ist nicht überraschend, dass es die 0,1-Ohm-Batterie ist, die RL die höchste Leistung liefert.

• V = 10 V, Rs = 0,1 Ohm, RL = 1 Ohm

• PRL = 82,6 W

• V = 10 V, Rs = 1 Ohm, RL = 1 Ohm

• PRL = 25 W

• V = 10 V, Rs = 10 Ohm, RL = 1 Ohm

• PRL = 0,82 W

Also, worum geht es dann in diesem Maximum-Power-Transfer-Theorem? Nun, betrachten Sie die Batterie allein, was ist die maximale Leistung, die sie entwickeln (nicht liefern , entwickeln) kann? Schließen Sie es kurz, und Sie werden sehen, wie seine gesamte Leistung in Wärme übergeht, die durch seinen Innenwiderstand abgeführt wird (was komplexe interne Prozesse darstellt, an denen wir nicht interessiert sind). Für die drei oben genannten Batterien sind die Kurzschlussleistungen

• Rs = 0,1 Ohm, PCC = 1000 W
• Rs = 1 Ohm, PCC = 100 W
• Rs = 10 Ohm, PCC = 10 W

Das Problem ist, dass im besten Fall (ja, wenn es eine Anpassung gibt) nur ein Viertel dieser Leistung an die Last geliefert werden kann. Im ersten Fall können Sie also höchstens 250 W an einer 0,1-Ohm-Last erhalten, im zweiten 25 W an einer 1-Ohm-Last und im dritten 2,5 W an einer 10-Ohm-Last.

Wenn Sie sich entscheiden, eine Batterie zu kaufen, die zu Ihrer Last passt, dh eine mit einem Innenwiderstand von 1 Ohm, nun, herzlichen Glückwunsch, Sie erfüllen das Theorem der maximalen Leistungsübertragung, aber statt der idealen maximalen 100 W an Ihrer Last erhalten Sie nur 25 W. Ja, 25 W ist das Maximum, das Sie für diese Art von Batterie bekommen können, aber das ist eine magere Befriedigung, da Ihre Last zu schwach ist.

Ein paar Formeln

Um zu sehen, was grafisch vor sich geht, betrachten wir die Ausdrücke für die Verlustleistung an der Last und am Innenwiderstand in einem Stromkreis, der aus einem Spannungsgenerator mit Innenwiderstand Rs besteht, der mit der Last RL einen Spannungsteiler bildet. Durch die Auswahl von Effektivwerten können wir so tun, als ob wir uns immer noch in einem DC-Zustand befinden, und die Formeln lauten:

Wenn wir uns auf die von der Last dissipierte Leistung konzentrieren, sehen wir, dass sie zwei verschiedene Funktionsformen hat, je nachdem, von welchem ​​​​Parameter wir sie als Funktion betrachten. Wenn wir es als Funktion von RL sehen, hat es eine glockenförmige Form mit einer Spitze für RL = Rs (ja, es ist tatsächlich eine Glocke, wenn Sie es im logarithmischen Maßstab darstellen).

aber wenn wir es als Funktion von Rs sehen, ist es eine monoton fallende Funktion (für Rs>=0), die ein endliches Maximum in Rs=0 hat.

Die Wahl RL = Rs maximiert also die Leistung von RL, wenn Rs gegeben ist und Sie die Leistung als Funktion von RL sehen, aber wenn Ihnen RL gegeben wird und Sie Rs wählen können, dann ist der Wert, der die Leistung von RL maximiert, Rs= 0 und NICHT Rs=RL.

Übrigens hat die von Rs abgeleitete Leistung eine duale Funktionsform, und wenn Sie PRS als Funktion von RL betrachten, werden Sie sehen, dass die Wahl Rs = RL die von Rs verlorene Leistung maximiert.

Hier sind die Diagramme (sorry, hier heißt Rs Rout) für die von RL (in blau) und Rs (in rot) als Funktionen von RL abgeführten Leistungen

und hier sind die gleichen Potenzen als Funktionen von Rs (genannt Rout)

Schließlich ist hier die Verlustleistung von RL als Funktion von RL und Rs (sie heißt immer noch Rout, und die für dieses Diagramm verwendeten numerischen Werte unterscheiden sich von den zweidimensionalen - nur aus ästhetischen Gründen).

Die Impedanzanpassung verläuft entlang der Linie RL = Rs in der horizontalen Ebene, aber es ist nicht unbedingt die Wahl, die die höchste Leistung auf RL liefert.

Warum also überhaupt eine Impedanzanpassung vornehmen?

Nun, aus der Sicht der Macht, möchten Sie die Impedanzen anpassen, wenn Sie so viel Saft wie möglich aus der Quelle ziehen möchten. Zurück zum Batteriebeispiel: Die beste der drei Möglichkeiten, die der Last die höhere Leistung verleiht, ist nicht die angepasste Impedanz, sondern die mit Rs = 0,1 Ohm, die 82,6 W an RL liefert. Selbst wenn dies den nominellen 100 W am nächsten kommt, die Sie erwarten würden, wenn 10 V an einer 1-Ohm-Last angelegt werden, ist dies nur ein winziger Bruchteil der maximal lieferbaren Leistung von 250 W für eine Batterie dieser Art. Aber selbst wenn ich nur einen Bruchteil dessen herausziehe, was ich könnte, ist das die beste Wahl, wenn es mein Ziel ist, die Nennleistung an meine Last zu bringen (unabhängig davon, wie effizient ich Saft daraus presse). Wenn ich alles aus dieser Batterie saugen wollte, müsste ich eine andere Last wählen, eine, die zu ihrer internen Impedanz passt, dh eine 0,1-Ohm-Last;lieferbar 250W.

• Wenn die Quelle also eine Solarzelle wäre, würde ich mein Bestes tun, um den ganzen Saft aus ihr herauszuholen, indem ich die erste Stufe meines Solarbatterieladegeräts so konstruiere, dass sie ihrer Impedanz entspricht – und sie nicht einfach sitzen lässt dort in der Sonne.
• Im obigen Batteriebeispiel würde ich mich für eine Impedanzanpassung entscheiden, wenn ich ein YouTube-Video über das Schmelzen von Metallen mit einer Autobatterie machen würde: zu niedrige Last und ich werde die Batterie nur kochen, zu hohe Last und es passiert nichts Spektakuläres (auch wenn die Last fast ihre gesamte Nennleistung zieht), passen Sie RL = Rs an, und es kommt zu maximaler Gefahr und einem Feuerwerk.

Wenn Sie mit Wechselstrom arbeiten und mit Impedanzen jonglieren müssen, bietet die Anpassung den zusätzlichen Vorteil, dass die Reaktanzen von Zs und ZL kompensiert werden.

Wenn Sie sich für HF interessieren , hat Matching einen völlig neuen Grund, da es die Reflexionen eliminiert, die bei einer Impedanzfehlanpassung auftreten, wodurch Signalintegritätsprobleme und ineffiziente Leistungsübertragung reduziert oder beseitigt werden.

Und manchmal ist ein Matching durch die bloße Einhaltung von Standards erforderlich . Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Funktionsgeneratoren und elektronische Instrumente zufällige Impedanzen haben. Selbst wenn Sie keine Frequenzen erreichen, die hoch genug sind, wo Reflexionen ein Problem darstellen könnten, hätten Sie immer noch das Teilerproblem: Ihr Oszilloskop hat einen Eingangswiderstand von 13 Ohm, Ihr Generator hat eine Ausgangsimpedanz von 74 Ohm ... welche Spannung werden Sie sehen? Und wenn Sie einen anderen Funktionsgenerator mit 123 Ohm Ausgangsimpedanz verwenden? Wahnsinn. Nehmen wir einen vernünftigen Standardwert – oder einen begrenzten Satz solcher Werte – und alles ist einfacher.

Bei Verstärkern, nun ja, normalerweise muss man wissen, was man verstärken will. Wenn es sich um Spannung handelt, möchten Sie die höchstmögliche Eingangsimpedanz, während Sie zur Verstärkung des Stroms nach der niedrigsten Eingangsimpedanz suchen. Ja, der Stromverbrauch ist vernachlässigbar, aber Sie können sich darauf verlassen, dass die letzte Stufe die richtige Menge an Strom an Ihre Last liefert. Dafür ist der letzte Puffer da: Sie verstärken die Spannung entlang der Kette und „fügen“ dann Strom hinzu. Manchmal fügen Sie eine Stufe hinzu, deren einziger Zweck darin besteht, eine niedrige Impedanz in eine hohe Impedanz umzuwandeln (oder umgekehrt). Die der Stufe zugeführte Leistung liefert den zusätzlichen Strom oder die Spannung, die erforderlich ist, um einen dB-Verlust zu vermeiden. Natürlich möchten Sie in HF-Verstärkern möglicherweise jede Stufe impedanzanpassen, aber die Schwellenfrequenz, über der dies sinnvoll ist, hängt vom Integrationsmaßstab ab (wie in einer anderen Antwort beschrieben).

Ich muss zugeben, dass ich einen (edlen) Neid verspürte, als ich die Antwort des OP sah. Ich habe festgestellt, dass ich diese Art der Kaskadierung von Verstärkerstufen seit meiner Studienzeit kenne, aber ich habe nicht ernsthaft darüber nachgedacht, warum das so ist. Und jetzt habe ich ernsthaft nachgedacht ... und ich glaube, ich habe "eine genial einfache Antwort auf diese genial einfache Frage" gefunden ...

Der Grund für eine solche Trennung der Verstärkerstufen in zwei Typen - Spannungsverstärker gefolgt von einem "Stromverstärker" - ist, dass wir keinen vollwertigen Leistungsverstärker herstellen können, der beide kombiniert. Mal sehen warum…

Verstärkerstruktur. Im Wesentlichen sind Transistorverstärkerstufen "Spannungsteiler" - eine Schaltung aus zwei Elementen E1 und E2 in Reihe. Durch die Steuerung des Widerstands des einen, des anderen oder beider steuert die Eingangsspannung die Ausgangsspannung ... und wir nennen dies "Verstärkung". Das Problem hier ist, wie die Last hier angeschlossen (eingebaut) wird - auf Potentiometer- oder Rheostat- Weise ...

"Potenziometer". Um mit diesem bescheidenen Netzwerk eine enorme Spannungsverstärkung zu erzielen, wenden wir verschiedene clevere Tricks an, um den Widerstand der Elemente (die sogenannte dynamische Last ) dynamisch zu steuern ... und es wirkt wie ein "elektronisches Potentiometer". Wir nehmen den Spannungsabfall über einem der Elemente (normalerweise dem geerdeten Transistor) als Ausgangsspannung und legen sie als Eingangsspannung an den Eingang der nächsten Stufe an. Es ist offensichtlich, dass der nächste Eingang den Ausgang "Verstärkerteiler" nicht laden sollte; Daher muss es einen hohen Eingangswiderstand haben (idealerweise einen offenen Stromkreis ).

"Rheostat." Um den hohen Strom durch die letzte Last zu steuern, ist die "Potentiometer-Anordnung" ungeeignet ... wir brauchen die "Rheostat-Verbindung" ... dh um die Last in Reihe mit dem Transistor zu schalten ... um den der Elemente E durch zu ersetzen die Ladung. Der geeignetste Ort ist zwischen Emitter und Masse ( Emitter-Folger, auch bekannt als gemeinsamer Kollektor ). Somit wird die gleiche Spannung an die Last angelegt (keine Spannungsverstärkung), aber der Strom ist so hoch, wie die Last will (die Last kann so niedrig sein, wie sie will). Wir nennen dies "Stromverstärkung", obwohl diese Konfiguration nicht gerade ein Stromverstärker ist (diese Bemerkung war für Pedanten). Natürlich hat diese Stufe einen geringen Ausgangswiderstand ... und wenn Sie möchten,

Übrigens kann die gemeinsame Emitterstufe auch als "Rheostat" fungieren, wenn wir die Last im Kollektor (statt Rc) anschließen ... und sie verstärkt sowohl Spannung als auch Strom ... aber es gibt zwei Probleme. Erstens wird die Last mit konstantem Strom betrieben; Die Spannung darüber hängt also von seinem Widerstand ab (dies kann zu nichtlinearen Verzerrungen führen). Zweitens können wir keine cleveren "Dynamic Load"-Techniken anwenden, um eine extrem hohe Verstärkung zu erzielen.

Zusammenfassend bauen wir Leistungsverstärker, indem wir einige „potentiometrische Spannungsverstärker“ und einen Ausgang „Rheostat-Stromverstärker“ kaskadieren (vereinfacht gesagt sind die Eingangsstufen „Potentiometer“ und die Ausgangsstufe ein „Rheostat“). Aus diesem Grund werden die Eingangsspannungsverstärkerstufen gemäß den Anforderungen des maximalen Spannungsteilers angepasst, während die Ausgangsstromverstärkerstufe der Regel zur Anpassung der maximalen Leistung folgt.