Wie bestimme ich den Eingangs-/Ausgangsimpedanz von Schaltungen, die Transistoren oder andere aktive Komponenten enthalten?

Die Bestimmung des Eingangs- und Ausgangsimpedanz von Schaltungen mit Transistoren oder anderen aktiven Bauteilen ist ein wichtiger Schritt, um die Leistung und Anpassungseigenschaften der Schaltung zu verstehen. Hier sind einige gängige Methoden und Techniken zur Bestimmung dieser Impedanzen:

1. Analytische Methoden

Eingangsimpedanz

Kleinsignalmodell: Verwenden Sie das Kleinsignalmodell des Transistors (z.B. Common-Emitter, Common-Base, Common-Collector usw.), um die Eingangsimpedanz zu analysieren.

Common-Emitter-Verstärker: Die Eingangsimpedanz Rin kann wie folgt ausgedrückt werden:

wobei rπ die dynamische Widerstand zwischen Basis und Emitter, gm die Transleitfähigkeit,

RL der Lastwiderstand und RB der Basisvorspannwiderstand ist.

Common-Base-Verstärker: Die Eingangsimpedanz Rin kann wie folgt ausgedrückt werden:

wobei re der Emitterwiderstand und RE der Emitterumgehungsresistor ist.

Common-Collector-Verstärker: Die Eingangsimpedanz Rin kann wie folgt ausgedrückt werden:

Ausgangsimpedanz

Kleinsignalmodell: Verwenden Sie das Kleinsignalmodell des Transistors, um die Ausgangsimpedanz zu analysieren.

Common-Emitter-Verstärker: Die Ausgangsimpedanz Rout kann wie folgt ausgedrückt werden:

wobei ro der Ausgangswiderstand und RC der Kollektorwiderstand ist.

Common-Base-Verstärker: Die Ausgangsimpedanz Rout kann wie folgt ausgedrückt werden:

Common-Collector-Verstärker: Die Ausgangsimpedanz Rout kann wie folgt ausgedrückt werden:

2. Experimentelle Methoden

Eingangsimpedanz

Spannungsmethode: Geben Sie ein kleines Wechselstromsignal an den Eingang der Schaltung, messen Sie die Eingangsspannung Vin und die Eingangsstromstärke Iin, und berechnen Sie die Eingangsimpedanz:

Widerstandsmethode: Schalten Sie einen bekannten kleinen Widerstand Rs in Serie an den Eingang der Schaltung, messen Sie die Eingangsspannung Vin und die Spannung über dem Widerstand Vs, und berechnen Sie die Eingangsimpedanz:

Ausgangsimpedanz

Lastmethode: Verbinden Sie einen variablen Lastwiderstand RL am Ausgang der Schaltung, messen Sie die Ausgangsspannung Vout, während sich der Lastwiderstand ändert, und berechnen Sie die Ausgangsimpedanz:

wobei Vout,0 die Ausgangsspannung ist, wenn der Lastwiderstand unendlich ist.

3. Simulationsmethoden

Schaltkreissimulationssoftware: Verwenden Sie eine Schaltkreissimulationssoftware (wie SPICE, LTspice, Multisim usw.), um die Schaltung zu simulieren und die Eingangs- und Ausgangsimpedanz direkt zu ermitteln.

Eingangsimpedanz: Geben Sie ein kleines Wechselstromsignal an den Eingang der Schaltung, simulieren Sie, um die Eingangsspannung und den Eingangsstrom zu erhalten, und berechnen Sie die Eingangsimpedanz.

Ausgangsimpedanz: Verbinden Sie einen variablen Lastwiderstand am Ausgang der Schaltung, simulieren Sie, um die Ausgangsspannung zu erhalten, während sich der Lastwiderstand ändert, und berechnen Sie die Ausgangsimpedanz.

4. Schaltkreisanalysetechniken

Thevenin-Äquivalent: Vereinfachen Sie den komplexen Schaltkreis zu einem Thevenin-Äquivalent, wobei die Eingangsimpedanz der Äquivalenzwiderstand ist.

Norton-Äquivalent: Vereinfachen Sie den komplexen Schaltkreis zu einem Norton-Äquivalent, wobei die Ausgangsimpedanz der Äquivalenzwiderstand ist.

Zusammenfassung

Die Bestimmung der Eingangs- und Ausgangsimpedanz von Schaltungen mit Transistoren oder anderen aktiven Bauteilen kann mittels analytischer, experimenteller und simulationsbasierter Methoden erfolgen. Die Wahl der Methode hängt von Ihren spezifischen Bedürfnissen und verfügbaren Ressourcen ab. Analytische Methoden eignen sich für theoretische Berechnungen, experimentelle Methoden für tatsächliche Messungen, und Simulationsmethoden kombinieren die Vorteile beider, indem sie detaillierte Analysen und Überprüfungen auf dem Computer ermöglichen.