入・出力からみたインピーダンス

入力からみたインピーダンスが小さい、大きい。出力からみたインピーダンスが小さい、大きい。このことを知ってどう生かすのか教えてください。

単純に入力からみたインピーダンスが大きいという場合、仮に抵抗成分だけとして、抵抗が大きいということですか？また出力からみたインピーダンスを定義する理由がわかりません。電源と抵抗の回路はどちらからみても、同じインピーダンスのはずです。また、それぞれどう生かすのかも教えてください。

No.5 回答者： soramist 回答日時： 2008/03/15 23:59

ANo.1～4さんの書き込みを拝見して、（いうまでもなく、これらの書き込みはすべて正しいのですが）、質問者さんの意図はそういう問題ではないのではないのかな、という気がしまして、敢えて書き込みさせていただきます。

わたしのご回答が的外れでしたらご容赦ください。

先ず、「入力から見たインピーダンス」、「出力から見たインピーダンス」という言い方がおかしいです。
出力インピーダンス(Ro)、入力インピーダンス(Ri)は、下図の位置に入ると考えます。
（注　Roは機器側から見た場合は「内部抵抗」とも言います）

　　　電源（信号源）機器　　　　負荷（受信）機器
　　ーーーーRoーーーーーーーーーーーーーーー
　｜　　　　　　　　　　｜　　｜
　｜　　　　　　　　　　｜　　｜
　E　　　　　　　　　　Eo　　Ri
　｜　　　　　　　　　　｜　　｜
　｜　　　　　　　　　　｜　　｜
　　ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

この図からわかるように、機器の出力電圧(Eo)は、
　　Eo=ExRi/(Ro+Ri)
となります。
つまり、いくらEo(信号源開放電圧)が大きくても、Ri/Roが小さいと、負荷に加わる電圧は小さくなってしまいます。
ですから”電圧の授受においては”、「できるだけRoを小さく、Riを大きく」することが「有効に電圧を伝達できる」ことになります。

以上は、「電圧」を伝達する場合です。
「電力」を最も効率よく伝達する条件は、Ro=Riです。
（この理由はいろんな本に書かれていますので省略します）　

直流からオーディオくらいまでは、上記のように純抵抗で考えてよいと思います。
高周波になると、CやLの要素が加わって来るので、インピーダンスで考えないといけなくなりますが、基本的な考え方は上記と同じです。

上図を解釈すると、「入力から見た」「出力から見た」という表現は必ずしも誤りではないのですが、どこか実態と違う（誤解を受けるような表現？）ような気がします。

No.4 回答者： daitei 回答日時： 2008/03/15 12:46

直流や商用周波数程度では、問題にならないような回路でも、

周波数が高い場合や、電路が波長に対して長いばあいは、
電路が単純な「抵抗」とみなせなくなります。
電路のリアクタンスやキャパシテイが、周波数の影響で、
インピーダンスとして働くようになります。
電力を伝送する場合、送り側と受け側のインピーダンスが
同じでない場合、その境界面で反射がおこります。
パワーが１００％伝わらず、ロスになります。
インピーダンスが同じ場合（マッチング（整合）している）が
最も効率よく伝わります。
電路は周波数が高い場合、終端が開放されていても、短絡されていても一定のインピーダンスがあるように振舞います。
これを電路の特性インピーダンスと呼びます。
この場合、終端が開放されていても、短絡されていても反射が起きます。
反射が起きると、戻ってきた波形と送った波形が干渉して
波形が変わったりします。信号を送る電路ではこれは不都合です。
反射が起きないようにするのは、終端に特性インピーダンスと同じ
値の終端抵抗をつけます。こうすれば反射はおきません。
終端抵抗でパワー消費され、反射が起きなくなります。
電路のインピーダンスを知ることは、効率よくパワーを伝えるために、
（インピーダンスを整合させるために）必要なのです。
光学分野では、光の透過率の違う境界面（例えば空気から水に入るところなど）で光の反射、屈折がおきます。
電磁波ではインピーダンスのちがう境界面で、反射が起きます。
音響でも密度の違う（温度の違う水の層）ところでは同じような現象が起きます。周波数の高い電磁波も同じように振舞うのです。
ちょっと嘘っぽい説明ですが概略の説明ではこのようなところです。
分布定数回路を学べば必ず出てくるところです。

No.3 回答者： KEN_2 回答日時： 2008/03/15 11:24

先に詳しく説明がありますが、概念と実際の応用範囲で回答します。

＊厳密なインピーダンスマッチングの必要な場合と、無視しても問題にならない場合とに考えられたら理解できると判断します。

１．低周波の電圧増幅の場合
＊オーディオアンプなどの信号増幅回路の場合です。
　(1)インピーダンスマッチングはあまり問題にしません。
　(2)消費電力やノイズ誘導の影響を考慮して、数KΩから10KΩないし100KΩ程度で統一します。
　(3)長い経路を経由する場合で外部のノイズ誘導を考慮する場合600Ωで統一します。
　(4)マッチングの他に平衡回路にして誘導を防止します。
　(5)マッチングを取ると電圧や電力が半分になるので、影響しない部分では出来るだけ高インピーダンスで受け取ります。
　(6)負荷が前段に影響させないためには、出来るだけ高インピーダンスで受け取る必要があります。

２．低周波の電力供給の必要がある場合
＊電源回路やオーディオアンプの場合が該当します。
　(1)出力インピーダンスは極力低くして、電力の供給と負荷の変動で影響を受けないようにします。
　(2)負荷インピーダンスに対して1/10から1/100程度以下とし、コストとのバランスを考慮します。
　(3)接続するケーブル長さや使用周波数での損失を考慮します。

３．高周波の周波数にて使用する場合
＊映像信号や無線機器で波形や位相などの影響を受けないようにする場合があります。
　(1)75Ωや50Ωでマッチング状態で使用するのが前提となります。
　(2)マッチングで電力が半分になりますが、反射電力の発生で回路のトラブルを防止するのが目的です。
＊高周波に関しては、色々な問題や応用の理論がありますが、インピーダンスマッチングは必ず必要と考えてください。

No.2 回答者： isoworld 回答日時： 2008/03/15 09:20

　インピーダンスは抵抗だけではありませんが、話を分かりやすくするために抵抗だけだと仮定して、以下の説明をします。

　ふつうは電子機器の入力抵抗は大きくします（ただしインピーダンスマッチングが必要な場合などは除きます）。入力抵抗が小さいと、その入力に何かの電気信号を接続したときに入力抵抗の影響を受けて変化してしまい、入力信号の電圧が落ちるなどの問題が出やすいからです。インピーダンスの話に戻すと、周波数によって影響の程度も異なることになります。
　たとえば電圧測定器の入力抵抗が小さいと、これを接続することによって測定される回路の状態が変わってしまい、正しく測定できなくなります。ですからテスター（とくに指針式）を購入するとき、プロは入力感度の大きな（電圧測定レンジでは入力抵抗の大きな）ものを選択します。２０ｋΩ／Ｖならまずまずです。これは３Ｖレンジで使ったら、入力抵抗は６０ｋΩになる、という意味です。それでも出力抵抗が６ｋΩの回路を電圧測定すると、おおよそ１０％くらいの測定誤差を生じることになります。６００ｋΩの入力抵抗なら、誤差は無視できるくらいになります。

　出力抵抗はこの逆で、限りなくゼロに近いほうがよろしい。なぜなら、この出力ならどんな相手の電子機器（入力抵抗が小さめの電子機器でも）に接続しても影響を受けないからです。
　たとえばオーディオのパワーアンプは出力抵抗をなるべく小さくします。スピーカーの抵抗は４Ω～１６Ωが多いので、接続してもその影響を最小限にするためです。もしオーディオのパワーアンプの出力抵抗が十分に小さくないと、スピーカーを接続すれば出力波形にリンギングが生じ、波形が歪んで音が忠実に再生されなくなります。ひどい場合は歯切れの悪い音になります。
　また、パワーアンプの出力抵抗がスピーカーの抵抗と同じくらいの値になってくると、パワーアンプからの発熱が大きくなり、好ましくありません。

　入力と出力のインピーダンスを合わせるのは、同軸ケーブルで接続する高周波回路の場合です。ある種の高周波回路では両者のインピーダンスを合わせないと反射が起き、たとえばＴＶでは画像にゴーストのようなものが出ます（とくにケーブルの長さが長くなると目立ちます）。
　ANo.1さんの回答の中で、６００Ωのマイクロフォンの出力抵抗と６００Ωのマイクアンプの入力抵抗を合わせる話が出ていますが、出力エネルギーが十分に取れないときに、最大のエネルギー効率で入力側に伝達させたい場合はこうします。
　このとき伝達できる信号電圧は半分に落ちてしまいますが、マイクロフォンからは最大のエネルギーが取り出せます。マイクロフォンからの信号電圧をなるべく落とさずに感度よく受信しようと思えば、マイクアンプの入力抵抗は大きく（たとえば１０ｋΩ）します。
　もっと大きく（たとえば１００ｋΩ）すればよいのではないか、と思うかも知れませんが、あまり大きくすると誘導ノイズを拾いやすくなる、という別の問題が出ます。

No.1 回答者： ruto 回答日時： 2008/03/15 09:07

　入出力のインピーダンス云々は単に抵抗だけの回路ではなく、増幅器の入出力のインピーダンスが問題になります。

　例えばマイクのインピーダンスが600Ωであった場合増幅器の入力インピーダンスも600Ωにしないと効率が悪くなります。
　また、出力インピーダンスは次段のアンプの入力インピーダンスよりも小さくしないと効率が悪くなります。
　インピーダンスマッチングの考え方を理解しないと分からないかも。