「インピーダンス整合はどういう所で行われているか。また、なぜ行わなければならないのか」という問題が分かりません。お願いします。

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A 回答 (7件)

レポートですか?とりあえず一般的なヒントだけ。



まず、伝送線路の概念はご存知でしょうか?
高周波回路などで、信号の波長がケーブルの長さに比べ無視できない場合、信号はケーブルを光速(とおなじオーダ)で伝わると考えるのが適当です。このような状態におけるケーブルを伝送線路と言います。
伝送線路においては、外部がわからはケーブルの端しか見えていないことになり、外部からケーブルを見たインピーダンスは従来の(導線は単なる導体、という)概念とは違ったものとなります。具体的には、ケーブルの2導体の単位長さあたりのインダクタンスLとキャパシタンスCの関数となります。
2種の異なる回路要素(ケーブルと負荷、ケーブルとケーブルなど)の接続点においてインピーダンスが等しいと、同じ伝送線路がその先もつながっているのと同じことになります。これがインピーダンス整合です。インピーダンスが整合していない場合、接続点において電圧と電流(両方向)に関する連続方程式を計算すると、有限の反射電圧が生じることになります。これは負荷へのエネルギーが一部反射されてしまうことになり、具合が悪いです。また、効率が低下します。


まとめますと、
>インピーダンス整合はどういう所で行われているか。

上で述べていますが、周波数とケーブル長がある条件を満たす場合にこのような概念が必要となります。ご家庭でも、インピーダンス整合の概念が必要な機器がたくさんあります。テレビ、ラジオや電子レンジ、最近ではパソコン内部とか(それぞれどこに使っているかはお考えください)。なお、オーディオ機器で出てくるインピーダンスは、似ていますがちょっと違う話です(周波数が..)。

>なぜ行わなければならないのか
整合をとらないと上記のような反射や効率の低下が生じます。
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うーん、実はオーディオ領域でのインピーダンス理論はよく理解していないので...。

間違いがありましたらすみません。

starflora様の回答は、「スピーカ」という例がたまたまオーディオ領域で扱われる物で、「インピーダンス」がそちら特有の定義で計算されているため、話が混乱してしまっただけだと思います。おなじ電力伝送効率の話でも、高周波の、たとえば電子レンジのマグネトロンの話(?)なら正しいと思います。

オーディオ領域でいう「インピーダンス」の計算法が分からないのでが、伝送線路理論でいう「インピーダンス」とは別物ではないでしょうか?
推測するに、オーディオ領域では、音声周波数程度の交流信号を流したとき、同じ値の抵抗負荷に相当する電流(位相は別)が流れる、という考え方で求められているのではないでしょうか?この考え方は回路設計上非常に有効だと思います。

ひょっとしたら、最近のオーディオ機器は、キャパシタなどを付加して、伝送線路理論による「特性インピーダンス」も整合をとっているのかもしれませんが(全く別の設計によるものです)。

>  わたしの無知は認めざるを得ないですが、理論的には、有効性が少ない、または無意味に近いとしても、スピーカーとの「特性インピーダンス整合」というのは、別に間違いではないとも思うのですが。

私も「インピーダンス」の計算についてはまだまだ無知でありまして、ぜひご教授ください。
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  回答というより、むしろ、失礼ながら、この場を借りて、他の人にお伺いしたのです。わたしは、インピーダンス整合ということについて、イメージを把握できたのですが、無限のケーブルを途中で切って、何かの機器を繋ぐ時、その繋ぐ相手の機器がどういうものであるのか分からなかったので、スピーカーを機器として述べたのです。
 
  ところで、denden_kei さんにお伺いしたいのですが、次のように述べておられます:
 
  >>伝送線路においては、外部がわからはケーブルの端しか見えていないことに
  >>なり、外部からケーブルを見たインピーダンスは従来の(導線は単なる導体、
  >>という)概念とは違ったものとなります。具体的には、ケーブルの2導体の単
  >>位長さあたりのインダクタンスLとキャパシタンスCの関数となります。
 
  ここで、インダクタンスとキャパシタンスの関数となるインピーダンスのことを、このケーブルの「特性インピーダンス」と呼ぶのではないのでしょうか?
  わたしは、「特性インピーダンス」について次のように述べました:
 
============================================================
 
  >>インピーダンス整合というのは、電気信号を伝えるケーブル(またはワイ
  >>ヤー)の持つインピーダンス(これをケーブルの特性インピーダンスと呼び
  >>ます)と、スピーカーの持つインピーダンスが等しいことです。
 
  >>しかし、ケーブルの先に繋ぐ機器(つまりスピーカーのインピーダンス)が
  >>ケーブルの特性インピーダンスの値と違うと、機器が、無限の向こうにまで
  >>続いているケーブルと同じものと考えられるので、ケーブルの特性インピー
  >>ダンスに不調和が起こることになります。
 
============================================================
 
  ここで、ケーブルの先に繋ぐ機器をスピーカーとしたのですが、これは、必ずしも「スピーカー」でなければよいとはわたしは言っていません。機器の例が思いつかないので、スピーカーとしてみて、と前置きで書いています。
 
  これらの文章で、特性インピーダンスとわたしが呼んでいるものは、ケーブルが無限の向こうまで続いている時のインピーダンスと同じで、「電送線路の特性インピーダンス」のことと同じことです。
 
  スピーカーという機器を使っているので、述べていることがおかしく聞こえるのかも知れませんが、ケーブルを途中で切って、その先に別の機器を繋ぐ時、この繋ぐ機器の特性インピーダンスと、ケーブルの特性インピーダンスを同じものにせねばならず、でなければ、波形の乱れやノイズの混入が起こるので、同じインピーダンスの機器とし、これを「インピーダンスの整合を取る」というとわたしは述べていないでしょうか。
 
  「特性インピーダンス」について、ケーブルが無限の長さについての定義だとしているのは、間違いありません。
 
  わたしの述べたことで間違っているのは、インピーダンス整合が、高周波で有効性を持ち、スピーカーを流れる信号の場合は、高周波ではないので、有効性・適用性が成立しないということなのではないでしょうか。
 
  わたしの無知は認めざるを得ないですが、理論的には、有効性が少ない、または無意味に近いとしても、スピーカーとの「特性インピーダンス整合」というのは、別に間違いではないとも思うのですが。まったく無知なものの言う戯言だといわれるなら、無論それで構いません。
   
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denden keiさんの回答が正確です。

スピーカーなどの話はインピーダンス整合には関係ありません。アンプの出力インピーダンスはダンピングファクターを稼ぐために、できるだけゼロに近くなるように作られています。出力インピーダンスが高いと、スピーカーのボイスコイルの制動が利きにくくなるためです。sailorさんの回答の「出力インピーダンス16Ωで設計されたアンプ」というのは正確には「スピーカーの推奨インピーダンスが16Ω」ということです。スピーカーケーブルの(直流)インピーダンスもできるだけ低いもの、つまり太いスピーカーケーブルを使うのが常識で、アンプとスピーカーのインピーダンス整合はまったく取られていないし、取る必要もありません。

アンプとスピーカーに限らず、低周波領域では(電流伝送でない限り)「ロー出し、ハイ受け」が普通です。インピーダンス整合の必要があるのは高周波領域です。
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ごめんなさい、ちょっと訂正です。


>なお、オーディオ機器で出てくるインピーダンスは、似ていますがちょっと違う話です(周波数が..)。

オーディオ機器でも「インピーダンス整合」の話はでてきます。ただ、さきほど説明した、いわゆる高周波回路とは、考え方が違う部分がありますので2つのインピーダンスが混乱しないようにご注意ください。

オーディオ分野のインピーダンス整合に関しては、他の方々の説明が正しいと思います。

ちなみに、テレビアンテナケーブルのインピーダンス75Ωと、スピーカのインピーダンス8Ωは同じ回路においてそのままの比較はできませんのでご注意ください。
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  とりあえず、具体的に何の話か分かりませんので、オーディオ・システムのスピーカーという機器についてのインピーダンス整合の必要性の理由を書きます。
 
  インピーダンス整合というのは、電気信号を伝えるケーブル(またはワイヤー)の持つインピーダンス(これをケーブルの特性インピーダンスと呼びます)と、スピーカーの持つインピーダンスが等しいことです。
 
  ケーブルのなかを電気信号が伝わって行く時、ケーブルが一様でなく、何かの違いが線の部分である場合、特性インピーダンスが一定になりません。こういうケーブルの場合、ケーブル自身のインピーダンスで、搬送電気信号の波形等に影響を及ぼしたり、ノイズ等を拾ったりして、よい電気信号伝達のケーブルとは言えなくなります。ケーブル(線)は、このため、ケーブル自体としては、特性インピーダンスが安定した一定の状態であるように造られています。
 
  しかし、ケーブルの先に繋ぐ機器(つまりスピーカーのインピーダンス)がケーブルの特性インピーダンスの値と違うと、機器が、無限の向こうにまで続いているケーブルと同じものと考えられるので、ケーブルの特性インピーダンスに不調和が起こることになります。
 
  スピーカーで綺麗な波形を再現し、また伝達信号波形を保持しようとすると、ケーブルと機器(スピーカー)のあいだのインピーダンスが一致していなければなりません。また、スピーカーに繋ぐことで、特性インピーダンスが変化しないよう、工夫しなければなりません。
 
  スピーカー以外の機器が並列か直列かは別に繋がっている場合、ケーブルと機器全体のシステムについて、特性インピーダンスが一定であるようにしなければなりません。これが、インピーダンスの整合です。
 
  インピーダンスを整合させると、ケーブルなどで電気信号を送る時、波形の崩れや、ノイズの混入などが避けられるということです。他の一般の電気機器でも、同様なことが言えるということです。
 
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インピーダンスの整合とは、エネルギーを供給する側と受ける側の状態をあわせるということです。

たとえば出力インピーダンス16Ωで設計されたアンプに4Ωのスピーカーをつないだとします。この状態ではインピーダンスのマッチングが取れていません。ここでアンプのボリュームを上げていくと、16Ωのインピーダンスを想定したアンプでは、そのインピーダンスで最大出力を得る電圧を出力しようとしますが、スピーカーのインピーダンスが1/4しかないため、その電圧を出力した場合、設計値の4倍もの電流が流れてしまい、とても正常に動作できません。この逆にアンプの設計値が4Ωでスピーカーが16Ωの場合は出力電圧が最大になっても、設計値の1/4しか電流が流れず、出力電力が1/4しか得られないことになります。

これは、変速機つきの自転車で走る場合に準えて説明できます。上り坂を高速用のギアで登ろうとすれば、負荷のインピーダンスが小さすぎるため、力が不足してしまい登りきれないでしょう。逆に下り坂で低速用のギアを使用すると、負荷のインピーダンスが大きすぎるためにペダルが空回りするだけで、有効に力を伝えることができません。ちょうどよいギアを選んだ(インピーダンスの整合が取れている)状態で、エネルギー効率がもっともよい状態になります。


端的な例としてオーディオアンプの例を示しましたが
その他にも、信号の伝送路や複数の回路の接続などを行う場合はインピーダンスのマッチングが取れていないと効率のよい信号の伝達ができないのです。また、単に効率が落ちるだけではなく、反射という現象も起こり、周波数の高い場合やインピーダンスの大きな回路では、この影響も無視できません。インピーダンスに不整合がある端点で入力側に供給された電力一部がもっどってしまう現象で、波形のひずみや伝送レベルの低下の原因になります。
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どなたか教えて下さい。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

>伝送路に入力する信号の帯域のことでしょうか?
伝送路を通過できる信号の帯域です。
パルス信号には色々な周波数が含まれています。
帯域の狭い伝送路にパルス信号が流れるといくつかの周波数が欠落する為、元の信号と波形が異なって来ます。
波形の変化が大きくなるとまともな通信が出来なくなります。
L、Cを入れる事による帯域の変化が問題にならない場合はL、Cを使う事も有ります。
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http://www.tij.co.jp/jp/lit/an/jaja179/jaja179.pdf

>伝送路に入力する信号の帯域のことでしょうか?
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波形の変化が大きくなるとまともな通信が出来なくなります。
L、Cを入れる事による帯域の変化が問題にならない場合はL、Cを使う事も有ります。
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Aベストアンサー

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生体に渦電流を発生させる。生体の電気特性はRとCで模擬される。ある装置というのはコイルに高周波電流を流して高周波磁場を発生させるものだ。「装置のコイルの容量を変化させれば」とあるのは、コイルとコンデンサが共振回路を形成していてコンデンサを変化させるという意味だ。ということだと推測します。
そうだとして、

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この直接の目的は、高周波なので#1様の言われる反射の問題を避けるためです。

直接的には反射回避のために整合をとっているわけではありますが、
電力伝達効率という点で考えてみると、もし十分に出来の良いコイルであれば、上記共振回路のロス抵抗はコイル自身の抵抗の他に実は生体に流れる渦電流によるジュール損の抵抗表現も足されたものです(ここはかなり高度の話です)。反射最小の条件というのは、ロス抵抗に最大効率で電力が供給されるということを意味し、従って効率よく生体に渦電流でエネルギーをぶちこんでいる状況ともなっている。

というように考えられます。


なお、インピーダンス整合を、「負荷に最大の電力を供給するために装置側の出力インピーダンスを負荷インピーダンスに整合させる」と理解するのは誤りです。なぜって、負荷インピーダンスが決まっていれば、装置側の出力インピーダンスが低ければ低いほどが負荷にたくさんの電力を供給できます。
そうではなくて、「装置側の出力インピーダンスが決まっているときに、最大の電力を負荷に取り出すためには、負荷インピーダンスは出力インピーダンスに整合させる」と解釈すべきです。

ふーむ。どうやら
生体に渦電流を発生させる。生体の電気特性はRとCで模擬される。ある装置というのはコイルに高周波電流を流して高周波磁場を発生させるものだ。「装置のコイルの容量を変化させれば」とあるのは、コイルとコンデンサが共振回路を形成していてコンデンサを変化させるという意味だ。ということだと推測します。
そうだとして、

この場合、コンデンサでインピーダンス整合を取っているのは、高周波電流出力回路(通常はRFアンプ?)の出力インピーダンス(通常は同軸ケーブルを含めて50オー...続きを読む

Qインピーダンス整合

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マイクロ波放電において、電力線路のインピーダンス整合を行わないと、
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Qインピーダンス整合についての疑問

高周波回路ではマッチングをとる必要がありますが、
そのマッチングの取り方について、
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 (2)Z_source = (Z_load)*となるように共役整合をとると、マッチングがとれる
という二つの矛盾した記述をあらゆる書籍でみかけます。
どちらが正しいのでしょうか?

Aベストアンサー

ビデオなどの高周波信号システム での話
ビデオなどのシステムの入力インピーダンス、伝送線路のインピーダンス、出力インピーダンスは等しくなるよう設計される

(1)Z_source = Z_load

電力を搬送する電気回路では、インピーダンス整合の話
最大電力を最大効率で転送するには、送信機の出力、伝送線路(より線対、導波管など)、アンテナシステムといった全体でインピーダンスを整合(複素共役整合)させる必要がある。
 (2)Z_source = (Z_load)*

高周波の電圧伝送と電力伝送との話
電圧伝送では複素素数は省略できる

)Z_source = (Z_load)*  ≒ Z_source = Z_load

となる

Q圧電素子(ピエゾ素子)のインピーダンス整合について

今回、初めて質問をさせていただきます。

現在、研究で圧電素子を駆動させて超音波を発生させようとしています。
しかしながら、私は電気回路や素子に関する知識が全く無いので、手当たり次第に情報を集めていたのですが、先日今更ながらに素子を効率的に駆動させる為には、インピーダンス整合(マッチング)を行わなければならないと知りました。

そこで、圧電素子と交流駆動電源間にインピーダンス整合を行う装置やコネクタを取り付けたいと考えているのですが、インピーダンス整合やインピーダンスマッチングで検索をしても、回路の造り方や理論の説明をしてくださっているサイトはあるのですが、装置そのものを製造、販売されているサイトを見つけることが出来ませんでした。

インピーダンス整合の機能を有した装置、コネクタ等をご存知の方、型番や販売メーカー、もしくはその調べ方などを教えて下さい。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

>インピーダンス整合の機能を有した装置、コネクタ等をご存知の方、型番や販売メーカー
おそらく市販品は見つからないと思いますよ。
こういったものは目的に合わせてその都度設計するものです。

ご存知のように、インピーダンスは複素数で表されます。
汎用の整合装置を作ろうとすると複素平面上の各点に対応する必要が有ります。
また、インピーダンスは周波数によって変化するので、周波数変化にも対応しなければなりません。
通過可能な電力によっても変化します。
という訳で、既製品を用意しようとすると極めて多数の製品を用意する事になり、現実的な対応は不可能です。

ここで相談するよりも、「技術の森」で相談する方が良いでしょう。
http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?lang=ja&site=default&event=TE0001

いずれにしろ、下記のような条件をハッキリさせない事には話が進みません。
最終的な目的(手段について質問する人が多いのですが、目的を達成するための手段が複数ある事も多いのです。手段を限定してしまうと間違った方向に行く事も有ります。)
使用する素子の型名とインピーダンス特性、
使用周波数、連続波かパルス波か
投入電力
予算とスケジュール等

>効率的に駆動させる為には
効率的でなくともよいのであればインピーダンスマッチングを厳密にする必要は無いですね。

高周波回路をきちんと設計しようとすると信号発生器や、ネットワークアナライザ等の高価な測定器が必要となります。

自信が無いのであれば専門家に相談した方が良いでしょう。
「高周波回路 コンサルタント」で検索した時の一例です。
http://www.analog-technology.or.jp/member.html

>インピーダンス整合の機能を有した装置、コネクタ等をご存知の方、型番や販売メーカー
おそらく市販品は見つからないと思いますよ。
こういったものは目的に合わせてその都度設計するものです。

ご存知のように、インピーダンスは複素数で表されます。
汎用の整合装置を作ろうとすると複素平面上の各点に対応する必要が有ります。
また、インピーダンスは周波数によって変化するので、周波数変化にも対応しなければなりません。
通過可能な電力によっても変化します。
という訳で、既製品を用意しようとすると...続きを読む

Q出力インピーダンスの大小と整合について

増幅器では出力インピーダンスは小さいほどよいと知りました。その導出式も理解できます。

しかし、
最大電力伝送にはインピーダンスは出力側とマッチングさせるのがよいとも知りました。

どっちなんでしょうか?
何か勘違いをしてる気がしますが、素人なのでよく分かりません・・・

Aベストアンサー

信号の伝達と電力の伝達を混同されているのだと思います。

>増幅器では出力インピーダンスは小さいほどよいと知りました。

この場合は、信号の伝達についての話です。信号の伝達に必要な
情報は、電圧が高いか低いかだけで、電力は関係ありません。

そのため、増幅器の出力インピーダンスはできるだけ小さく、
次に繋がるデバイスの入力インピーダンスは、できるだけ大きい方が、
たくさんのデバイスを増幅器の後に(パラレルに)繋ぐ事ができる
ので有利です。

>最大電力伝送にはインピーダンスは出力側とマッチングさせるのが
>よいとも知りました。

この場合、伝達したいものは電力です。できるだけ多くの電力を送る
為には、インピーダンスマッチングが必要となります。

参考まで

Qインピーダンスの整合について

インピーダンスの異なる信号源と負荷の整合回路についてお伺いします。
整合回路(Z)から見た信号源を Zi=Ri+jXi
整合回路から見た負荷を Zo=Ro+jXo
とした時 整合回路は Z=Ri+Ro-j(Xi+Xo) と考えていいのでしょうか?
間違っている場合 この場合の整合回路の求め方を教えて下さい。

Aベストアンサー

信号源インピーダンスと負荷インピーダンスが複素共役の関係にある時、信号電力は最も効率的に負荷に流入します。従って、負荷インピーダンスに整合回路を接続した合成インピーダンスが信号源インピーダンスの複素共役になるように、整合回路を決めます。

複素共役の関係というのは、z1=a+jb,z2=a-bjのように、実数部が同じで虚数部の大きさが同じで符号が反対の関係のことです。このような場合z1とz2は複素共役の関係にあると言い、数式ではz1=z2*と書きます。

さて、問題についてですが、負荷インピーダンスzoに整合回路を加えた時に信号源インピーダンスziの複素共役になればいいのですから、整合回路のインピーダンスをz=R+jXとおくと

zo+z=zi*
Ro+jXo+R+jX=Ri-jXi
となります。これをR,Xについて解けば答えを得られます。

Qインピーダンス整合とハイ受けロー出しについて

現在、高周波回路を勉強している者です。
 (1) インピーダンス整合
 (2) ハイインピーダンス入力・ローインピーダンス出力
の使い分けについて教えて下さい。

例えば低周波回路でエミッタ接地アンプ + エミッタフォロア出力の形式をよく見ますが、これは (2) に相当しますよね?

しかし周波数が上がると、ハイインピーダンスによる反射波が無視できず、定常波が発生するなどの不都合が起きると思います。
この場合はバッファで受けることはせず、(1)の形式をとるのでしょうか?

同じような質問も調べましたが低周波回路の経験しかないため、
いまいちわかった!という気がしません。

以上、よろしくお願い致します。

Aベストアンサー

高周波回路でインピーダンスマッチングが問題とされる理由は2つあります。
一つは信号源から負荷に供給する電力を最大にする事、
もう一つは伝送線路と負荷のインピーダンスがマッチングしていないと周波数特性が平坦にならないのでこれを避けるためです。
ですから、上記2点を気にしないのであればインピーダンスマッチングを気にする必要はありません。

受信機ではアンテナで受けた電波の電力を無駄にしないためにインピーダンスマッチングを行います。
ただし、一番重要なことは信号とノイズの比のS/Nですが、インピーダンスマッチング最良とS/N比最良の条件が一致しない場合もあり、その時はS/N比最良を選ぶこともあります。
送信機では電力を無駄にしないためにインピーダンスマッチングを行います。

広帯域の信号伝送では周波数特性の平坦さが最重要問題となるので伝送線路の入出力でインピーダンスマッチングを行います。
そのような例は高周波の測定器やビデオ回路です。
ビデオ回路用のアンプの出力インピーダンスは非常に小さい値ですが
ビデオ用の同軸ケーブル(特性インピーダンス75Ω)に接続するため
あえて75Ωの抵抗を挿入してからケーブルに繋ぐようにしています。
信号の受信側では75Ωの抵抗で終端しておいてハイインピーダンスのアンプで受け取るようにしています。
電力的には無駄になりますがビデオ帯域ではS/Nが十分に得られるので実用になります。
電力を無駄に出来ない回路ではこのような方法は使えません。

低周波回路では電力に余裕が有るので電力の為のインピーダンスマッチングを行う事はあまりありません。
また、出来るだけ高い電圧で受けたほうがS/Nをよくできる為、ロー出力ハイ受信が都合がよいのです。

伝送線路において周波数特性が問題になるのは線路の電気長が信号の波長と比べて無視できなくなった時です。
線路の長さが信号の1波長のおよそ1/20以下であれば伝送線路の影響は考えなくても大きな影響は無いでしょう。
オーディオスタジオ用の音声ケーブルでは特性インピーダンス600Ωのケーブルを使用しています。
送電線では周波数が50、60Hzと低いのですが距離が長いので伝送線路として取り扱う必要があります。

高周波回路でインピーダンスマッチングが問題とされる理由は2つあります。
一つは信号源から負荷に供給する電力を最大にする事、
もう一つは伝送線路と負荷のインピーダンスがマッチングしていないと周波数特性が平坦にならないのでこれを避けるためです。
ですから、上記2点を気にしないのであればインピーダンスマッチングを気にする必要はありません。

受信機ではアンテナで受けた電波の電力を無駄にしないためにインピーダンスマッチングを行います。
ただし、一番重要なことは信号とノイズの比のS/N...続きを読む


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