我常用的分析方法——輸入輸出阻抗，是怎么玩的？你會不？

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原文授權自公眾號：硬件工程師煉成之路

這篇文章并非是現在寫的，而是三年前，文章中的方法是我常用的，再次分享給兄弟們。

輸入阻抗，輸出阻抗，這兩個參數似乎沒那么重要，但事實并非如此。下面說下我的看法吧。

一個問題

音頻中的耦合電容從0.1uF-220uF都有，這是有病嗎？都是用作隔離直流的，怎么就不能統一呢？

明白這個問題其實很簡單，我們看信號是如何傳輸就容易明白了。這里就講一個電路的分析方法，或者說是思維方式。

電路分析方法

我們經常會看到各種復雜的電路，如果是新手，可能就蒙了。其實化繁為簡非常簡單：

只需要把電路分兩塊，一邊輸出信號，另外一邊接收信號。姑且把輸出信號的叫輸出模塊，接收信號的叫接收模塊吧。

我們如果搞清楚這個信號在傳輸過程中發生了什么變化，那就什么都明白了。

輸出模塊

對于左邊輸出模塊，我們通常知道輸出的信號是什么，頻率在什么范圍，另外有一個重要的參數就是輸出阻抗，所以電路模型是下面這個

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這個很容易看出來，輸出阻抗Zout非常重要了，它衡量了這個模塊的輸出能力。假如輸出模塊是個電源，那么Zout就是電源內阻，必定很小。不然的話，假如Zout=100Ω，接個10Ω負載，結果負載分得的電壓只有電源電壓的十分之一還不到，那還能叫電源嗎？

所以呢，一般對于輸出模塊來說，這個輸出阻抗越小越好。

接收模塊

接收信號的電路太多了，花里胡哨。有的信號輸入到IC芯片，有的信號接到MOS管上面驅動開關，有的接喇叭，等等很多很多類。

我們不管它到底是什么，就用一個Zin來表示，也就是輸入阻抗。應該很容易知道，這個輸入阻抗比較大是有好處的。

我們極端一點，假如輸入阻抗無窮大，也就是開路了，那么不管前面的輸出信號模塊的輸出阻抗是多大，信號都能很好的接收，跟輸出的信號一樣。而往小極端一點，如果輸入無窮小，為0，其實就是接地短路了，那還傳個球的信號。

我們把輸入和輸出接起來，就是下面這個。

總的來說，我們看信號傳輸時會發生哪些變化，只需要在頭腦中將電路等效成這個樣子就好了。

這樣一等效，是不是簡單多了？運用歐姆定律，接收端接收到的信號就出來啦。當然了，有時電路中間串聯有電阻，電容，或者是電感，我們只需在中間加上這些器件即可。

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如何分析

舉例1：拿開篇的音頻耦合電容來舉例。

這個是某音頻codec典型電路，音頻輸入MIC管腳串聯的是0.1uF電容，這個電容這么小可以嗎？

我們按照前面的方法來分析。

先看輸出模塊

咪頭mic拾取音頻，輸出模擬信號，所以它是前面說的模型中的輸出模塊，它的輸出阻抗是多少呢？

我們隨便找個咪頭規格書看下，說是2.2KΩ，一般咪頭的輸出阻抗也都是差不多的的。

如圖，芯片規格書也提供了咪頭的內部電路，其實就是個FET管放大電路。如果好好學習的話（論大學好好學習的重要性），就知道這個FET管放大電路的輸出阻抗就是那個RL，廠家這個RL是2.2KΩ，所以它就標注輸出阻抗是2.2KΩ。

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而我們前面貼出的codec電路用的是1KΩ的電阻，所以實際輸出阻抗是1KΩ，我們就用1KΩ吧。

我們再來看接收模塊。

接收模塊是codec芯片，管腳是它的輸入阻抗是多少呢？我們查看規格，輸入阻抗是20KΩ或者是80KΩ（與配置有關），我們取不利的值，也就是最小的值，20KΩ

輸出模塊和輸入模塊中間有個隔直電容，我們加上這個電容。所以，電路化簡完后就是這樣的了。

其實，這就是個RC高通濾波器，截止頻率為1/2π(Zin+Zout)C。

現在Zin+Zout =20KΩ+1KΩ，C=0.1uF，所以3dB截止頻率為75.8Hz。我們知道，人的聲音頻率范圍是300Hz-3.4Khz，所以可以判斷，這個音頻信號可以很好的傳輸過去了，也就是說電容0.1uF的大小就夠了，如果增大到1uF，截止頻率變為7.58Hz，也沒有問題。不過1uF電容肯定要比0.1uF電容要貴些，選0.1uF更經濟。

這個codec圖中還有個耳機輸出端口，串聯的是220uF的電容，為什么接這么大呢？

對于這個電路，是芯片輸出信號送到耳機。輸出模塊是芯片，接收模塊是耳機

我們先看輸出模塊codec芯片，查看規格書，芯片對應管腳輸出阻抗是16Ω。在看接收端——耳機，耳機的阻抗有16Ω，32Ω，64Ω。我們取最差的（不利于信號接收），也就是16Ω，電路簡化之后電路跟上面是一樣的，我就不畫了

也是個高通濾波器，截止頻率為1/2π(Zin+Zout)C。現在Zin+Zout=16+16=32Ω，C=220uF，所以3dB截止頻率為22.6Hz。同樣，人聲的300Hz-3.4Khz可以很好的傳過去。如果我們選用10uF電容，那么截止頻率就變為了497.6Hz，顯然，低頻就被衰減了，音頻就不能很好的傳輸了，出現失真。

估計有人會問，220uF太大了，我選用22uF行不行呢？22uF帶入進去，截至頻率是226Hz，也在人的聲音頻率300Hz之外啊，應該可以吧。

這個我想說看自己應用吧，看你放的聲音是什么頻率段的。麥克風拾音一般是人的聲音，在200Hz-3.4K范圍。但是放音就不一定只有人的聲音了，人耳的聽力范圍是20Hz-20Khz，所以最低可以到達20Hz。如果你要求高，一定要最低的頻率也不能衰減，那么就需要220uF的電容。

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如果就是為了聽個響，低頻失不失真的無所謂，你搞個22uF也行，甚至10uF也湊合，就是低頻分量被削弱了。

除了這個音頻的例子，我們再看另外一個例子。

舉例2：MOS管柵極串聯電阻的分析

分析方法跟前面說的是一樣的，接收模塊是MOS管，MOS管的輸入電阻可以看成無窮大，但是寄生電容較大，所以它作為接收模塊時，寄生電容站輸入阻抗的主要部分，其輸入阻抗就是電容的阻抗，為1/jwC。

我之所以把這個放到這里，其實主要是想說明一點。輸入阻抗，輸出阻抗，它倆是復阻抗，不僅僅包括電阻，還包括電容和電感。

很多芯片也會給出相關端口的寄生電容大小，我們要根據實際情況考慮。前面舉的音頻的例子，因為頻率較低，而相關端口的寄生電容也就10pF左右，這個影響是相當小的，所以自然就可以忽略掉電容了。

結尾

本文主要的目的不在于講一個音頻耦合電容的問題，重點在于分析方法。

如果你碰到一個新的電路，不知道如何下手的時候，不妨按照這個方法試一試。頭腦中簡單建個模，代入輸出阻抗，輸入阻抗。再思索一下所處理的信號是什么，其包含了哪些頻率分量（傅里葉變換）。也許答案就出來了，不用其他人告訴你。

另外，我們現在應該知道，為什么廠家會給出輸入阻抗，輸出阻抗參數了吧。學習模電的時候，為什么要去算那個輸入阻抗，輸出阻抗。因為它們都是有用的。

看完了這個文章，至少應該不會再有耦合電容取多大這種問題了吧…

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