インピーダンス整合(インピーダンスマッチング)のやり方

インピーダンス整合とは、入力側と出力側のインピーダンスを合わせることです。
インピーダンスマッチングとも呼ばれます。
低周波回路では、負荷に与える電力を最大化することが目的で、高周波回路では信号の反射によって生じるリンギング・ノイズを抑えることが目的です。

低周波回路のインピーダンス整合の考え方

ドライバ回路で負荷を駆動する場合を考えます。

インピーダンスマッチング

ドライバ側の出力インピーダンスをRO、負荷のインピーダンスをRLとします。
低周波回路の場合リアクタンス部分は無視できるので、インピーダンスは単純に抵抗値と考えます。

インピーダンスとは?わかりやすく解説

負荷に与えられる電力は、

負荷にかかる電力

で計算できます。
VCC=5V、RO=50Ωとして、横軸をRL、縦軸に電力を取ったグラフを描くと以下のようになります。

インピーダンス整合グラフ

RL=RO=50Ωで電力が最大になることが分かります。
つまり、低周波回路でインピーダンス整合の条件は、出力インピーダンスと負荷インピーダンスを一致させることになります。

高周波回路のインピーダンス整合の考え方

同軸ケーブルや伝送線路を通って出力された高周波信号には、反射によるリンギングノイズが重畳します。

信号の反射

反射とは、音が壁に当たって跳ね返ってくるように、電気信号が受け側の高いインピーダンスに跳ね返されて出力側に戻ってくることです。

反射が起こる原因

なぜ反射が起こるのかを説明するために、同軸ケーブルの等価回路を示します。

インピーダンス整合の考え方

配線は小さな静電容量やインダクタンスを持ちます。
上図の等価回路のイメージで、配線全体に一様に分布しています。

反射は、これらのLC成分の共振によって引き起こされます。

反射を抑える方法

反射を抑えるには終端抵抗でLC共振のエネルギーを消費して減衰させる必要があります。
このとき、ケーブルの特性インピーダンスと終端抵抗:RLを一致させる(インピーダンス整合)と、反射がなくなり、かつ最も効率的に信号を伝えることができます。

特性インピーダンスは、伝送線路に交流信号が通った時に発生する電圧と電流の比です。
詳しくは下記の記事をご参照ください。

特性インピーダンスとは?導出・計算方法について解説

ケーブルの特性インピーダンスを50Ωとした場合のシミュレーション結果です。

高周波回路のインピーダンスマッチング

RL=50Ωの時は反射が発生せず、信号の鈍りもありません。
50Ωより小さくすると、反射はありませんが信号が鈍り、電力損失も大きくなってしまいます。

動画で電子回路の基礎を学ぶ

Analogistaでは、電子回路の基礎から学習できるセミナー動画を作成しました。

電子の動きをアニメーションを使って解説したり、シミュレーションを使って回路動作を説明し、直感的に理解しやすい内容としています。

これから電子回路を学ぶ必要がある社会人の方、趣味で電子工作を始めたい方におすすめの講座になっています。

電子回路を動画で学ぶ

【内容】

  • 電気回路の基本法則
  • 回路シミュレータの使い方
  • コンデンサ・コイルとインピーダンス
  • フィルタ回路
  • 半導体部品の基礎
  • オペアンプの基礎

この記事のキーワード

関連記事
RCフィルタとLCフィルタの伝達関数を計算する方法

アナログ回路設計者にとって、伝達関数は取っ付きにくく苦手意識がある方も少なくないでしょう。 ここでは、よく使うRCフィルタ、LCフィルタに絞って伝達関数を分かりやすく解説していきたいと思います。 INDEXLCのインピーダンスRCフィルタの伝達関数LCフィルタの伝達関数 LCのイ…

定電流源回路の仕組みと設計方法

定電流源とは、負荷のインピーダンスに関係なく一定の電流を流し続ける回路です。 内部抵抗が大きい(理想的には無限大)ため、負荷の変動によって電圧が変動します。 本稿では定電流源の仕組みと回路例、設計方法をご紹介していきます。 INDEX定電流源の仕組み定電流源回路電圧電流変換回路フ…

LDOの基礎から応用まで全てを解説

本記事では、LDOを使った電源設計ができるようになるために必要な全ての知識を、基礎から応用まで分かりやすく解説していきます。 INDEXLDOとは?シリーズレギュレータとの違いスイッチングレギュレータとの違い仕組みと動作原理データシートの見方出力電圧範囲最大出力電流電圧精度出力電…

昇圧DCDCコンバータの動作原理と設計方法

昇圧回路とは、入力電圧より高い電圧を出力する回路です。 昇圧回路にはスイッチングレギュレータとチャージポンプによる2つの方式があります。 ここではスイッチングレギュレータによる昇圧回路の動作原理や設計方法について解説していきます。 >>各メーカーの昇圧DCDCコンバータの性能比較…