在《功率傳輸和相位基礎(Power transfer and phase basics)》一文中,講述了最大功率傳輸的概念。最大功率傳輸定理表明,當負載電阻與源電阻匹配時,會產生最大的功率傳輸(圖1)。在那篇文章中,我提出了一個關鍵的假設:源電阻是固定的,這不是能夠改變的,否則選擇RS = 0可能是更好的解決方案。

20190305TA31P1 圖1 在這個最基本的電路中,帶內阻的電源驅動阻性負載。

本文將說明為什麼在傳輸電壓時,遠低於負載阻抗的源阻抗是最好的。

流過電路的電流(IL)將在RS和RL上產生功耗,大小可依照公式P = I2R計算。我們通常希望向負載提供最大的功率,而RS中消耗的功率都被視為浪費,因此讓RS = 0,或盡可能的小。回顧RL = RS的情形,一半的功率消耗在RS中了,其可能實現了最大的功率傳輸,但卻無法獲得VS提供的所有功率。

在許多情況下,希望RS盡可能小:

˙直流電源:我們通常需要良好調節和穩定的直流電源,即使負載(電流輸出)變化,它們也能保持電壓恆定,任何源電阻都會降低電源輸出的穩定性;

˙電池:電池只是電源的一種特殊情況,因此需要穩定的直流電壓。鹼性電池的典型內阻為0.15Ω~0.3Ω,具體取決於電池的電量和溫度;

˙音訊放大器:音訊放大器通常具有非常低的輸出阻抗,因此它們可以驅動4Ω~8Ω的揚聲器,稍後會詳細介紹;

˙運算放大器:具有一個零歐姆的阻抗是理想運算放大器的一個定義。這種特性及其他特徵使運算放大器成為電子設計非常靈活的構建模組。

橋接

在許多情況下,我們並不關心功率傳輸,而是專注於準確地傳輸電壓。分壓方程(可能是僅次於歐姆定律的最常用電子工程公式)將輸出電壓與源電壓關聯起來。

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音訊和低頻設計的一個常見做法是使一級輸出阻抗非常低,後面一級的輸入阻抗非常高。這被稱為高阻抗橋接,或者電壓橋接,或簡稱為橋接,其設計意圖是使VL跟VS盡可能接近。一般的經驗法則是使輸入阻抗(見圖1中的RL)至少為源阻抗(RS)的10倍,這相當於VL >91% VS。將這個經驗法則擴展到RL > 100RS,就可以得到VL > 99% VS。圖2是一個簡單的橋接示例,它使用兩個運算放大器電路,一個帶低輸出阻抗的反相放大器驅動;一個帶100kΩ輸入阻抗的正相放大器。

20190305TA31P2 圖2 在橋接中,反相放大器的輸出阻抗低於正相放大器的輸入阻抗。

音訊放大器

一個有趣的應用是家庭音響系統,其中揚聲器ZL由具有輸出阻抗ZS的放大器驅動(圖3)。在此使用阻抗Z(而不是電阻R),因為阻抗通常很複雜,並且會隨頻率而變化。揚聲器是一種複雜的機電元件,不易建模。

20190305TA31P3 圖3 音訊放大器需要非常低的輸出阻抗來驅動揚聲器。

通常的做法是保持放大器輸出阻抗非常低(遠小於1Ω),這樣它可以驅動典型的4Ω~8Ω的揚聲器阻抗。可以看到有些文章指出,ZS應設計為與揚聲器阻抗相匹配,遵循最大功率傳輸原理,但這是不正確的,可能需要這種匹配的情況的確存在,但通常將放大器輸出阻抗保持在較低水準(ZS →0),從而為揚聲器提供盡可能大的功率。

音響愛好者經常使用阻尼係數的概念來描述它:

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阻尼係數是比較負載阻抗與源阻抗的品質因數,較大的阻尼係數意味著源阻抗相對負載阻抗較小,這與之前介紹的橋接經驗法則一致。這類放大器的輸出阻抗通常遠小於1Ω,而揚聲器阻抗通常為8Ω,因此阻尼係數 >50。可以看到很多關於阻尼係數重要性的討論,它對音訊品質的影響也引起了激烈的爭論,一些工程師提出,電流驅動方法要優於電壓驅動。對這一技術爭論感興趣的朋友請參閱Esa Merilainen的文章《揚聲器工作:電流驅動相對電壓驅動的優越性(Loudspeaker operation: The superiority of current drive over voltage drive)》,包括評論(我並未參與評論)。

結語

有很多應用可以使用零輸出阻抗,而沒有將負載阻抗與源阻抗匹配。同時,最大功率傳輸定理仍然是電子設計的一個有效工具,但需要應用得當。

(參考原文: Voltage transfer: Give me low output impedance,by Bob Witte)