explicación de la transferencia de potencia máxima

Por ejemplo, si uno tiene un sensor que se puede modelar como fuente de voltaje, llámelo Vs. Imagine que está emitiendo señales de voltaje de nivel mV y tiene una resistencia de salida de 1k. Y si queremos amplificarlo usaríamos un amplificador con una impedancia de entrada muy grande como 10Meg para que la mayoría de las V lleguen a la entrada del amplificador.

Puede hacerlo si solo está interesado en obtener la medición más precisa del voltaje del sensor de circuito abierto, pero no si desea la mejor relación señal-ruido.

Suponga que su amplificador tiene un voltaje de ruido de entrada equivalente a 1 mV y la señal también es de 1 mV. Con una relación señal/ruido de 1:1, tendrá dificultades para separarlos. Pero, ¿qué pasa si usa un transformador para hacer coincidir la fuente con la carga? Desea una relación de aumento de impedancia de 10M / 1k = 10000. La relación de vueltas requerida es la raíz cuadrada de la relación de impedancia, es decir. 100. Dado que la relación de aumento de voltaje es la misma que la relación de vueltas, ¡el voltaje de su señal ahora es 100 veces mayor! Incluso después de tener en cuenta la caída del 50 % debido a la coincidencia de impedancia, aún tiene 50 veces más voltaje que antes (50 mV frente a 1 mV). Entonces, al igualar las impedancias, ha convertido una relación S/R abismal de 1:1 en una relación saludable de 50:1 (una mejora de 34dB).

Pero, ¿y si no quieres usar un transformador? Para una temperatura dada, la potencia de ruido térmico en una resistencia es constante, pero el voltaje es proporcional a la raíz cuadrada de su resistencia. Entonces, en lugar de aumentar la impedancia para que coincida con el amplificador, simplemente puede usar un amplificador con una impedancia de entrada más baja, que (si está diseñado correctamente) debería tener un voltaje de ruido de entrada proporcionalmente más bajo.

Cuanta más potencia de señal pueda ingresar a la entrada del amplificador, más tendrá que jugar para superar el ruido interno. La coincidencia de impedancias produce la máxima transferencia de potencia porque aunque el voltaje se reduce (en comparación con el voltaje de circuito abierto), la corriente aumenta . Aunque pierde el 50% de la potencia en la fuente, aún obtiene más que con impedancias no coincidentes.

Según cómo se diseñe un amplificador y los componentes que utilice, es posible que no se obtenga la mejor relación señal/ruido cuando las impedancias coinciden con precisión. Como regla general, no estará muy lejos, pero al comparar dispositivos específicos, debe examinar las especificaciones (o medirlas). Y puede haber otros criterios que sean más importantes, como la carga del sensor, la linealidad y el rango dinámico. Por lo tanto, no podemos decir que las impedancias coincidentes produzcan los mejores resultados en todos los casos. Aquí hay un par de ejemplos en los que la impedancia coincidente no es una buena idea:

1. Amplificador de potencia de audio: desea una alta eficiencia para reducir el consumo de energía y los requisitos de refrigeración. Por lo tanto, el amplificador debe tener una impedancia mucho más baja que los altavoces, de modo que la mayor parte de la potencia se entregue a la carga. La baja impedancia de salida también ayuda a amortiguar las resonancias mecánicas en los altavoces, produciendo un sonido más preciso.

2. Amplificador de guitarra. La pastilla inductiva de la guitarra tiene una impedancia compleja que aumenta a medida que se acerca a su frecuencia de resonancia, pero también lo hace el voltaje de salida. Para obtener la respuesta de frecuencia más plana, el amplificador debe tener una impedancia de entrada bastante alta (típicamente alrededor de 100 kΩ), pero a menudo es deseable una impedancia aún mayor para aumentar el efecto de pico en frecuencias más altas. La guitarra también puede tener controles de tono que modifican la respuesta. Hacer coincidir su impedancia en todas las frecuencias cambiaría drásticamente la forma en que sonaba el instrumento.

Hace décadas entrené a un equipo de personas para realizar el diseño de RFIC. Pero casi TODOS los circuitos eran de banda ancha, cubriendo 1 o 2 octavas de rango de entrada o rango de salida, en el rango de 100MHz a 1,000MHz. (Está bien, era un búfer LO con requisitos de más de 2 GHz y preescaladores con requisitos similares).

Nos enfrentamos a esta pregunta: emparejar o no emparejar. Le expliqué que podíamos ver los circuitos integrados, con una distancia de entre 50 y 500 micrones entre la fuente de RF y la carga de RF, como amplificadores operacionales de banda ancha. Dada la naturaleza de banda ancha, y sin terminación ni reflejos como parte de nuestros desafíos de diseño de silicio, acordamos que no deberíamos insertar ninguna resistencia de 50 ohmios.

Tuvimos que enfrentar las interfaces como divisores de voltaje, como ya se discutió. Con un Rout muy bajo de las fuentes de RF (bipolares que funcionan a 10 mA => 2,6 ohmios de Rout) y un Rin alto (2,6 ohmios * beta = 260 ohmios), nuestras pérdidas de interfaz fueron de alrededor del 1 % o alrededor de 0,1 dB.

Si hubiéramos terminado cada interfaz, enfrentando la pérdida de 6dB, habríamos necesitado una o dos etapas adicionales en el chip del receptor.

Por lo tanto, puede ver "sin coincidencia" como obtener 6dB de ganancia gratis, en cada etapa.