PCB技術 - 入力インピーダンスと出力インピーダンスの違いを理解する

入力インピーダンス（input impedance）とは、1つの回路入力端の等価インピーダンスを指します。入力端子に電圧源Uを加え、入力端子の電流Iを測定すると、入力インピーダンスRinはU/Iです。入力端子を抵抗の両端に想像することができます。この抵抗の抵抗値は、入力インピーダンスです。

同じ入力電圧の場合、入力インピーダンスが低いと、大きな電流が流れる必要があり、前段の電流出力能力が試されます。一方、入力インピーダンスが高い場合は、わずかな電流しか必要とせず、前段の電流出力能力に大きな負担が軽減されます。だから回路設計では入力インピーダンスをできるだけ高めます。

入力インピーダンスは通常のリアクタンス素子と変わらず、電流阻害作用の大きさを反映しています。電圧駆動の回路に対して、入力インピーダンスが大きいほど、電圧源への負荷が軽くなるので、駆動しやすくなり、信号源に影響を与えることもありません。一方、電流駆動型の回路では、入力インピーダンスが小さいほど、電流源への負荷が軽くなります。したがって、電圧源で駆動するのであれば、入力インピーダンスが大きいほど良い、電流源で駆動するのであれば、インピーダンスは小さいほど良い（注：低周波回路のみに適しており、高周波回路ではインピーダンス整合の問題も考慮されています。）また出力電力を取得する場合は、インピーダンス整合の問題も考慮されなければなりません。

電圧源駆動回路

 図１　電圧源駆動回路

電圧源駆動とは、内部抵抗がなく常にエネルギーを満たす定電圧電池がエネルギー源となり、負荷に電力を供給すると理解できます。

エネルギー源に似た電圧源Uが、負荷の両端に印加され、電流Iが生成されると、負荷のインピーダンスRinはU/Iです。負荷に消耗される電力P=UI=U/Rinは、式から分かるように、ここのRinは常に電流Iを減らす役割を果たし、Rinが大きいほど負荷に消耗されるエネルギーは小さくなります。ここで負荷のインピーダンスは負荷の入力インピーダンスです。

電流源駆動回路

電圧源駆動の回路とは正反対に、電流源駆動は電流が一定のエネルギー源Iと理解でき、負荷に電力を供給します。

オームの法則から分かるように、発生した電圧はU=I*Rinで、負荷消耗の電力はP=U*I=I*I*Rinで、公式から分かるように、ここで負荷入力インピーダンスRinは電力を増大させる役割を果たし、定電流源駆動の回路、抵抗が大きいほど、負荷両端電圧が高いほど、消耗する電力は大きいです。

出力インピーダンス

出力インピーダンス（output impedance）は、独立した電源ネットワーク出力ポートの等価電圧源（Devibun等価回路）または等価電流源（Norton等価回路）の内部インピーダンスを含みます。その値は独立電源がゼロに設定されている場合に出力ポートから取り込まれる入力インピーダンスに等しいです。

信号源や増幅器、電源にかかわらず、出力インピーダンスの問題があります。出力インピーダンスは信号源の内部抵抗です。本来、1つの理想的な電圧源（電源を含む）に対して、内部抵抗は0であるべきで、あるいは理想的な電流源のインピーダンスは無限大であるべきです。出力インピーダンスは回路設計上特に注意が必要です。

現実の電圧源では、それができないので、理想的な電圧源を1つの抵抗rに直列に接続する方法で実際の電圧源を等価にすることがよく使われています。この理想電圧源に直列に接続された抵抗rは、信号源/増幅器出力/電源の内部抵抗です。この電圧源が負荷に電力を供給すると、この負荷から電流Iが流れ、この抵抗にIが発生する×rの電圧降下です。これにより、電源出力電圧が低下し、出力電力が制限されます。同様に、理想的な電流源であれば、出力インピーダンスは無限大であるべきだが、実際の回路は不可能です。

出力インピーダンスとは、回路負荷が回路出力ポートから回路を逆向きに見たときの回路の等価なインピーダンスを指し、実際には主にエネルギー源または出力回路に対して、エネルギー源が出力端で測定したインピーダンスで、通称内部抵抗と呼ばれます。

図２　出力インピーダンス

電圧源駆動回路

電圧源が負荷に加わると、負荷端でエネルギーを消耗するだけでなく、自身もエネルギーの消耗を発生します。ここでは、電圧源がエネルギーを出力する際に、内部にエネルギーの出力を阻害するインピーダンス、例えば電池の内部抵抗が存在するからです。例えば、定電圧源U、出力インピーダンスはRout、負荷端電圧はUr、負荷R、電流はI=U/（Rout+R）、負荷端電圧Ur=I*R=U*R/（Rout+R）、負荷が発生する電力はP=Ur*I=U 2*R/（Rout+R）2です。この式から、出力インピーダンスが小さいほど、駆動負荷の能力が大きくなることがわかります。

電流源駆動回路

図３　電流源駆動回路

電流源が駆動する回路には、出力インピーダンスも存在し、出力インピーダンスは定電流源の両端に並列に接続されています。

電流源は定電流Iを出力し、一部のInは内部抵抗Rout上に消費され、残りの電流Irは負荷R上に消費されることから、負荷R上の電圧はUr=Ir*Rで、内部抵抗Routの両端電圧と一致していることがわかります。すなわち、Ur=Ir*R=In*Routであり、I=Ir+Inは導出によってUr=I*Rout*R/（Rout+R）を知ることができるため、負荷端電力：

P=Ur*Ir=Ur2/Rout=I2*Rout*R2/( Rout+R)2= I2 *R2/( Rout+R2/Rout+2R)

このことから、Rout=Rの場合、外端にPが負荷されることがわかります。そのため、定電流源の負荷に対して、電力を得るには、負荷の抵抗値と電流源の内部抵抗を一致させる必要があります。つまり、できるだけ同じ値に近づく必要があります。