アンプの出力インピーダンスを測定する方法。 高出力インピーダンスを備えた高リニア umzc

入出力インピーダンスはエレクトロニクスにおいて非常に重要です。

さて、遠くから始めましょう... ご存知のとおり、すべての電子機器はブロックで構成されています。 これらは、カスケード、モジュール、ノードなどとも呼ばれます。 この記事では「ブロック」という概念を使用します。 たとえば、電源は次の回路に従って組み立てられます。

2つのブロックから構成されます。 それらを赤と緑の長方形でマークしました。

赤いブロックでは定電圧が得られ、緑のブロックでは電圧が安定します。 つまり、ブロック図は次のようになります。

ブロック図は条件付き分割です。 この例では、AC 電圧をある定格から別の定格に降圧する別個のユニットとして変圧器を使用することもできます。 私たちにとってより便利なので、電子装身具をブロックに分割します。 「単純なものから複雑なものへ」という方法は、私たちの世界でも完全に機能します。 最も低いレベルには無線要素があり、最も高いレベルにはテレビなどの完成したデバイスがあります。

さて、気が散ってしまいました。 ご存知のとおり、デバイスは特定の機能を実行するブロックで構成されています。

- うん！ それで何が起こるでしょうか？ 既製のブロックを愚かにも使って、思いついた電子デバイスを発明できるでしょうか?

はい！ これはまさに現代のエレクトロニクスが現在目指しているものです;-) Arduino などのマイクロコントローラーとデザイナーは、若い発明家の創造的な努力にさらに柔軟性を与えます。

机上ではすべてが素晴らしく聞こえますが、電子デバイスの設計を開始する前に調査する必要がある落とし穴が常にあります。 これらの小石の中にはこう呼ばれるものもあります。 入出力抵抗 .

誰もが抵抗とは何か、そして抵抗とは何かを覚えていると思います。 抵抗器には抵抗がありますが、 アクティブ抵抗。 インダクタとコンデンサには、いわゆる リアクタンス。 しかし、何ですか ? これはすでに新しいものです。 これらのフレーズを聞くと、入力抵抗はある入力の抵抗であり、出力抵抗はある出力の抵抗です。 まあ、はい、すべてがほぼそのようなものです。 これらは図のどこにあるのでしょうか? 入力抵抗と出力抵抗 ? しかし、それらは無線電子装置ユニット自体の中に「隠れている」のです。

入力インピーダンス

それで、いくつかのブロックがあります。 世界中で慣例となっているように、左側がブロックの入力、右側が出力です。

予想通り、このブロックはある種の無線電子デバイスで使用され、何らかの機能を実行します。 これは、何らかの入力電圧が入力に供給されることを意味します。 Uin別のユニットまたは電源から接続すると、その出力に電圧が表示されます。 アウトです(ブロックが有限の場合は表示されません)。

しかし、入力に電圧を印加するので（入力電圧 Uin)、したがって、このブロックはある程度の電流を消費します。 私は入っています。

さて、最も興味深いのは...それは何に依存しているのでしょうか？ 入力しました? 一般に、回路内の電流の強さは何によって決まりますか? 回路のセクションに関するオームの法則を思い出してみましょう。

これは、現在の強さが電圧と抵抗に依存することを意味します。 電圧が変化しないと仮定しましょう。したがって、回路内の電流の強さは抵抗に依存します。 しかし、どこで見つけられるのでしょうか？ そしてそれはカスケード自体の中に隠れており、こう呼ばれます 入力インピーダンス .

つまり、そのようなブロックを分解すると、その中にこの抵抗器が見つかるでしょうか？ もちろん違います）。 このブロックの回路に従って接続された無線素子の一種の抵抗です。 完全な抵抗とだけ言っておきましょう。

入力インピーダンスの測定方法

ご存知のとおり、各ブロックには前のブロックから何らかの信号が供給されるか、ネットワークやバッテリーから電力を供給することもできます。 私たちは何ができる？

1) このブロックに供給される電圧 Uin を測定します

2) ユニットが消費する電流 Iin を測定します。

3) オームの法則を使用して、入力抵抗 Rin を求めます。

入力抵抗が非常に高い場合、できるだけ正確に測定するために、この回路を使用してください。

あなたも私も、入力抵抗が大きい場合、回路内の入力電流は (オームの法則から) 非常に小さくなるということを知っています。

抵抗両端の電圧降下 Rそれを次のように表しましょう あなたは

これらすべてから得られるのは...

これらの測定を行うときは、発電機出力の電圧が変化してはいけないことに留意してください。

そこで、この入力抵抗をできるだけ正確に測定するには、どのような種類の抵抗を選択する必要があるかを計算してみましょう。 入力インピーダンスがあるとします。 リン=1 メガオーム、そして抵抗器を取りました R=1キロオーム。 発電機に定電圧を生成させます U=10ボルト。 結果として、2 つの抵抗を備えた回路が得られます。 分圧器のルールでは、回路内のすべての抵抗の電圧降下の合計が発電機の起電力に等しいと規定されています。

結果は次のような回路になります。

回路内の電流をアンペアで計算します

抵抗両端の電圧降下がわかります Rボルトでは次のようになります。

ざっくり言えば0.01ボルト。 中国語でこのような小さな電圧を正確に測定できるとは考えられません。

このことから得られる結論は何でしょうか？ 高い入力抵抗をより正確に測定するには、非常に大きな値の追加の抵抗も必要になります。この場合、シャント規則が機能します。抵抗が高いと電圧降下は大きくなり、逆に抵抗が低いと電圧降下は小さくなります。

実際に入力インピーダンスを測定してみる

さて、駐車場は終わりました ;-)。 それでは、実際にデバイスの入力インピーダンスを測定してみましょう。 私の視線はすぐにトランジスタメーターに落ちました。 そこで、このトランジスタメーターの電源の動作電圧を9ボルトに設定し、オン時の消費電流を測定します。 回路内の電流を測定する方法については、この記事をお読みください。 図によれば、すべては次のようになります。

しかし、実際には次のようになります。

したがって、22.5ミリアンペアになりました。

消費電流の値がわかったので、次の式を使用して入力抵抗を求めることができます。

我々が得る：

出力インピーダンス

出力抵抗の顕著な例は、回路全体に対するオームの法則であり、いわゆる「内部抵抗」が存在します。 この法律について読むのが面倒な人のために、ここで簡単に見てみましょう。

私たちには何がありましたか？ 車のバッテリーをハロゲン電球の点灯に使用していました。 電球を接続する前に、バッテリー端子の電圧を測定しました。

そして、電球を接続するとすぐに、バッテリーの電圧が低下しました。

電圧差、つまり、いわゆる内部抵抗で降下した 0.3 ボルト (12.09-11.79) r;-） それはそれです 出力抵抗。 とも呼ばれます ソース抵抗 または 等価抵抗 .

すべてのバッテリーにはこの内部抵抗があります r、そしてそれはEMF発生源と直列に「くっつきます」( E).

しかし、出力インピーダンスがあるのは充電式電池や各種電池だけなのでしょうか？ それだけではありません。 すべての電源には出力インピーダンスがあります。 これは、電源、周波数発生器、またはあらゆるアンプである可能性があります。

テブナンの定理 (要するに、彼はとても賢い人でした) は、2 つの端子を持ち、さまざまな EMF 源とさまざまな値の抵抗器を多数含む回路は、愚かにもある電圧値の EMF 源にもたらされる可能性があると述べています ( E相当) そして、ある種の内部抵抗を伴います ( R相当).

E eq– 同等のEMF発生源

要求量– 等価抵抗

つまり、いずれかの電圧源が負荷に電力を供給する場合、その電圧源には EMF と、 としても知られる等価抵抗があることがわかります。

アイドル モード (つまり、出力端子に負荷が接続されていないとき) では、マルチメーターを使用して EMF を測定できます ( E ）。 EMF の測定は明らかですが、測定方法は次のとおりです Rアウト?

原理的には、短絡が発生する可能性があります。 つまり、出力端子を太い銅線で短絡すると、短絡電流が流れます。 私は短くします.

結果として、1 つの抵抗器による閉回路が得られます。 オームの法則から次のことがわかります。

しかし、ちょっとした落とし穴があります。 理論的には、この式は正しいです。 しかし実際には、この方法を使用することはお勧めしません。 この場合、電流は異常な値に達し、一般に回路全体が不適切な動作をします。

実際に出力抵抗を測定してみる

別のより安全な方法があります。 繰り返しはしません。バッテリーの内部抵抗を求めた完全な回路の記事からオームの法則をコピーするだけです。 その記事では負荷となるバッテリーにハロゲン電球を取り付けました。 R。 その結果、回路に電流が流れました。 電球と内部抵抗の両端で電圧が降下し、その合計は EMF に等しくなります。

そこで、まず電球を使わずにバッテリーの電圧を測定します。

この場合、回路は開いている (外部負荷がない) ため、回路内の電流強度は次のようになります。 私ゼロに等しい。 これは、内部抵抗の両端の電圧降下が あなたはもゼロになります。 その結果、電圧を測定するための EMF 源だけが残ります。 この場合、E=12.09 ボルトです。

負荷を接続するとすぐに、内部抵抗と負荷 (この場合は電球) の両端の電圧が直ちに降下します。

負荷（ハロゲン）がかかると電圧が低下します U R =11.79したがって、内部抵抗の両端の電圧降下はボルトです。 U r =E-U R =12.09-11.79=0.3ボルタ。 回路内の電流の強さは次のとおりです。 I=4.35アンペア。 すでに述べたように、私たちの EMF は次の値に等しいです。 E=12.09ボルト。 したがって、完全な回路のオームの法則から、内部抵抗が何に等しくなるかを計算します。 r:

結論

エレクトロニクスにおけるステージ (ユニット) の入出力インピーダンスは非常に重要な役割を果たします。 無線電子回路を検討し始めると、このことが確信できるでしょう。 また、測定信号への影響が少なく、その振幅が減衰しないように、入力インピーダンスが非常に高い高品質の電圧計やオシロスコープをすべて製造しようとしています。

出力抵抗を使用すると、すべてがさらに興味深いものになります。 低抵抗負荷を接続すると、内部抵抗が大きくなるほど、内部抵抗両端の電圧降下が大きくなります。 つまり、その差が内部抵抗に蓄積されるため、負荷に供給される電圧が少なくなります。 したがって、電源や周波数発生器などの高品質の電源は、低インピーダンス負荷が接続されたときに出力電圧が「低下」しないように、出力抵抗をできる限り小さくするように努めます。 大幅に低下した場合でも、出力電圧を調整することで手動で修正することができます。これは通常のすべての電源で利用できます。 一部のソースはこれを自動的に行います。

アンプの最も重要なテクニカル指標は次のとおりです。:

ゲイン係数（電圧、電流、電力）、入出力抵抗、出力電力、効率、定格入力電圧（感度）、増幅周波数範囲、振幅のダイナミックレンジ、自己干渉レベル、非線形を特徴付ける指標、増幅された信号の周波数と位相の歪み。

ゲイン係数。 電圧ゲインまたは単にゲイン に は、アンプの出力の信号電圧が入力の何倍であるかを示す量です。

に = .

ゲイン値 に 異なる電圧のアンプの場合、それは数十、数百のオーダーになる可能性があります。 しかし、場合によっては、これではアンプの出力で必要な振幅信号を得るのに十分ではありません。 次に、いくつかの増幅段を順番に接続することに頼ります。

K = K 1∙ に 2 ∙ K n.

ゲインは無次元量です。 現代の増幅回路では、無次元単位で表される係数がかなり面倒な数値であることが判明したことを考慮して、増幅特性を対数単位で表す方法がエレクトロニクス分野で普及しています。 デシベル (dB）。 デシベルで表されるゲインは次のようになります。

に = 20LG = 20LGに

デシベルから無次元量への逆遷移は、次の式を使用して行われます。

K =
.

受け入れれば に = 1、それでは

K =
= 10= 1,12.

したがって、アンプの出力電圧が入力電圧の 1.12 倍 (12%) 大きい場合、ゲインは 1 デシベルに等しくなります。 デシベルで表される多段アンプのゲインは、同じ単位で表される個々の増幅段のゲインの合計です。

20LGに = 20LGに 1 + 20LGに 2 + …+20LGに n

電圧ゲインに加えて、電流ゲインと電力ゲインも使用され、デシベルで表すこともできます。 たとえば、アンプ入力の信号パワーが R vkh、その後増加しました R出力の場合、デシベル単位のパワーゲインは次の式を使用して求めることができます。

.

デシベルに移行するには、電力比の対数には 10 の乗数が設定され、電圧または電流比の対数には 20 の乗数が設定されることに注意してください。これは、電力が電圧の二乗または電流の二乗に比例します

.

入出力抵抗

増幅器はアクティブな 4 端子ネットワークと考えることができ、増幅された信号のソースはその入力端子に接続され、負荷抵抗は出力端子に接続されます。 この図は、増幅段の考えられる等価回路の 1 つを示しています。 入力信号源は、起電力を伴う電圧発生器として示されています。 E内部抵抗のある入力 R d. 出力側では、アンプは起電力を伴う電圧発生器の形で表されます。 E出力と内部抵抗 R出口 アンプは信号源の負荷であると同時に、外部負荷の信号源でもあります。 R n であり、増幅器の負荷は端末装置 (消費者) だけでなく、次の増幅段の入力にもなりえます。

アンプの入力インピーダンスは、いずれの場合もアンプの入力端子間の抵抗です。 平等です

出力インピーダンス R負荷抵抗をオフにしてアンプの出力端子間で出力を決定します。 R n.

ソースの内部抵抗の比率に応じて R gとアンプの入力インピーダンス R入力信号ソースは次のモードで動作できます。

アイドルムーブ (R入力 >> R G)、 短絡 (R入力<< R G)、 調整(R〜で R G)。

出力回路でも同様の動作モードが可能です。

(Rん >> Rアウト） – アイドル状態。 ( R n<< Rアウト） – 短絡。 ( Rん >> Rアウト） – 調整。

これに応じて、入力回路と出力回路の両方で電圧、電流、電力の増幅モードが区別されます。

スピーカー、スピーカー、またはヘッドフォンをチェックする前に、アンプ (据え置き型、またはアクティブ スピーカーまたはコンピュータのサウンド カードに内蔵されている) が十分に優れた技術特性 (パラメータ) を備えていることを確認してください。 それらの。 なんと単純で広いことか 周波数応答、彼はすべてを出せるでしょうか？ 周波数低周波数のロールオーバー（低品質のアンプでよく問題となる）なしで、同じレベルで再生できます。

同時に、メーカーの宣言どおりに開発されているかどうかを判断できます。 最大出力(Pmax) そして何 出力インピーダンス（ルート）はあります。

振幅周波数応答をチェックする方法

振幅周波数応答を測定するには ( 周波数応答) をチャンネル (左または右) の 1 つに接続し、スピーカーの代わりに、抵抗が 5 ～ 10 オームの導体でアンプを接続します。 AC 電圧計を抵抗器に並列に接続し (この場合、ポインタ型よりもデジタル型の方が便利です)、コンピュータから信号を送信します。 オーディオ周波数発生器(22Kb.)、周波数 1000 ヘルツで、ボリューム コントロールを使用して出力電圧、たとえば 1 ボルト (1000 ミリボルト) を設定し、信号レベルを変更せずに、ジェネレータの周波数を (1000 ヘルツの範囲で) 下げます。 「-100」ボタンで-100ヘルツ、「-10」ボタンで100〜20ヘルツの範囲で1000Hzから開始します。 最大20Hzまで。 (この場合、アンプのトーンコントロールは中間の位置にあるか、オフになっている必要があります。つまり、その周波数応答はストレート (水平) である必要があります。

アンプの出力電圧は、±2 デシベル (または 1.25 倍) を超えて変化してはなりませんが、小さい方が良いです (この場合、0.8 ～ 1.25 ボルト、つまり 800 ～ 1250 ミリボルトである必要があります)。 理想的なオプションは、すべての周波数が同じレベルで出力されることです。

そうですね、低周波での電圧降下が 2 倍以上、つまり 6 デシベル以上に相当する (つまり、電圧が 0.5 ボルト以下に降下する) 場合、スピーカーはその栄光を最大限に発揮することはできません。 さらに、アンプの応答が非線形である場合、スピーカーの共振周波数を正確に決定することができません。 このような非線形周波数応答の例を左の図に示します (青い曲線を参照)。

アンプの 2 番目のチャンネルも同様にチェックされます。 低周波数で信号が大幅に低下する場合は、アンプをより優れたものに変更することをお勧めします。

アンプの出力インピーダンス測定

減衰係数と相互変調歪みは出力抵抗に依存し、システム全体の品質係数にも直接影響します。 パワーアンプの出力インピーダンスは負荷抵抗の 1/10 ～ 1/1000 以内である必要があり、最新のアンプの場合は 0.01 ～ 0.1 オーム程度です。

アンプの負荷として測定するには、適切な電力の 4 または 8 オームの抵抗を持つ導体を接続します。 AC 電圧計をアンプの出力に並列に接続し (この場合、ポインター型よりもデジタル型の方が便利です)、コンピューターから信号を送信した後、 オーディオ周波数発生器(22Kb.) 周波数 1000 ヘルツで、ボリュームコントロールを使用して出力電圧を 1 ～ 5 ボルトの範囲に設定します。

まず、アイドル時（負荷なし）のアンプの出力電圧を測定する必要があります。 次に、同じことを行い、それを抵抗にロードします。 Rload を含むすべての量は、できるだけ正確に測定する必要があります。 出力抵抗は次の式で計算されます。
Rout=[(Uхх/Uload)-1]×Rload または
Rout=[(Uхх-Uload)/Uload]×Rload。 例: [(5-4.9)/4.9]×8=0.163 オーム。

このようにして、任意の周波数における 2 番目のチャンネルの出力インピーダンスを決定できます。

最大電力測定

メーカーが公表している特性を信頼せず、アンプが実際に負荷に供給する電力を知りたいユーザーもいます。 それは可能ですが、次のものが必要になります。

1. 強力な負荷抵抗
2. オーディオ周波数発生器
3. 交流電圧計
4. オシロスコープ。

最も難しいのは、強力な負荷抵抗を自分で購入または作成し、オシロスコープを見つけることです。 最後の手段として、「仮想オシロスコープ」プログラム（容量 0.3 MB）を備えたコンピュータまたはラップトップをオシロスコープとして使用できます。 その動作の詳細な説明とアダプター図 (コンピューターのサウンド カードの入力をテスト対象の電圧源と一致させるための分圧器) は、プログラムのヘルプで参照できます。 抵抗器は、古代の鉄、電気ストーブ、またはファンヒーターのスパイラルから作ることができます。

チャンネルの 1 つ (左または右) で、アンプ負荷としてのスピーカーの代わりに、アンプの計算された負荷抵抗に対応する抵抗を持つ導体を接続します。 機器の説明書に記載されており、通常は 8 または 4 オームです。 抵抗器の電力は、動作中に焼損しないように十分なものでなければなりません。 アンプの予想される出力電力を下回らないようにしてください (アンプがチャネルあたり 100 ワットと記載されている場合、抵抗電力は 100 ワット以上である必要があります)。

抵抗と並列に、AC 電圧計 (実効電圧値を示すダイヤル ゲージが望ましい) とオシロスコープを接続し、コンピューターから信号を送信します。 オーディオ周波数発生器(22Kb.)、周波数 1000 ヘルツで、ボリューム コントロールを使用して出力電圧 (たとえば 1 ボルト (1000 ミリボルト)) を設定します。 オシロスコープで信号の形状を観察し、周波数を変更せずに信号の振幅を増加させます。

正弦波は次のように増加します 形状を歪めることなく高さを調整しますが、ある時点でクリップし、いわば「天井と床」に寄りかかり、丸い代わりに上部および/または下部が水平になります。右側の図、つまり 信号振幅が制限され始めます。 信号がクリッピング寸前になるように（丸みを帯びた形状を維持しながら）振幅を下げます。 この時点で電圧計に表示される電圧は Umax に等しくなります。 式 P=U²/R を使用して、アンプの最大電力を計算します。

たとえば、Umax=21v です。 R=4時。 Pmax=21²/4=110ワット。 R=8Ωの場合、Pmax=55ワットです。

同様に、アンプの周波数応答の低い周波数 (20 Hz)、またはスピーカーに指定された周波数範囲の低い周波数 (40、45、または 50 Hz など) での最大出力パワーを確認できます。 正弦波の振幅制限は、信号の両方の半波で厳密に対称的に発生することが理想的です。

同様に、アンプの 2 番目のチャネルの電力を測定します。

のように

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通常、抵抗のマッチングの問題には十分な注意が払われません。 このセクションの目的は、インピーダンス整合の原理と実践について概説することです。

入力インピーダンス 動作するために信号を必要とする電気機器には入力インピーダンスがあります。 他の抵抗 (特に DC 回路の抵抗) と同様に、デバイスの入力抵抗は、特定の電圧が入力に印加されたときに入力回路を流れる電流の尺度です。

たとえば、0.5 A を消費する 12 ボルトの電球の入力インピーダンスは、12/0.5 = 24 オームです。 ランプは抵抗の単純な例です。ランプにはフィラメントしか含まれていないことがわかっているからです。 この観点から見ると、バイポーラ トランジスタ アンプなどの回路の入力インピーダンスは、やや複雑に見えるかもしれません。 一見すると、回路内にコンデンサ、抵抗、半導体 pn 接合が存在するため、入力抵抗の決定が困難になります。 ただし、入力回路は、どんなに複雑であっても、図 2.18 のように単純なインピーダンスとして表すことができます。 UВХ が交流入力信号の電圧、IВХ が入力回路を流れる交流電流である場合、入力インピーダンスは ZВХ = UВХ/ IВХ [オーム] に等しくなります。

ほとんどの回路では、入力インピーダンスは広い周波数範囲にわたって抵抗性 (オーミック) であり、その範囲内では入力電圧と入力電流間の位相シフトは無視できます。 この場合、入力回路は図のようになります。 2.19、オームの法則は有効であり、リアクタンス要素を含む回路に複素数の代数やベクトル図を適用する必要はありません。

図2.18。 入力インピーダンス ZBX の概念を示す一対の入力端子を持つ回路

ただし、入力インピーダンスのオーミックな性質は、必ずしも DC で測定できることを意味するわけではないことに注意することが重要です。 入力信号経路には、中周波数の AC 信号にとって重要ではありませんが、DC 入力ターゲットでの測定を可能にしない無効成分 (カップリング コンデンサなど) が存在する可能性があります。 上記に基づいて、さらに検討すると、インピーダンスは本質的に純粋にオーム性であり、Z = R であると仮定します。

入力抵抗測定。 入力電圧はオシロスコープやAC電圧計を使用して簡単に測定できます。 ただし、特に入力抵抗が高い場合、交流電流を簡単に測定することはできません。 入力抵抗の最適な測定方法を図 2.19 に示します。

図2.19。 入力インピーダンス測定

抵抗値 R が既知の抵抗器が、発生器と調査対象の回路の入力の間に接続されます。 次に、オシロスコープまたは高抵抗入力の交流電圧計を使用して、抵抗器 R の両側の電圧 U1 と U2 を測定します。IВХ が交流入力電流の場合、オームの法則に従って、電圧は降下します。抵抗両端の値は U1 - U2 = RIВХ に等しくなります。 したがって、I ВХ = (U1 - U2)/R、R ВХ = U2 / R となります。 研究対象の回路がアンプの場合、多くの場合、アンプの出力で測定を実行して U1 と U2 を決定するのが最も便利です。U1 はジェネレータが入力に直接接続されている場合に測定され、U2 はジェネレータが入力に接続されている場合に測定されます。 RВХ の式には比率 U1/U2 のみが含まれるため、ゲインは何の役割も果たしません。 これらの測定を行うとき、発電機出力の電圧は一定のままであると想定されます。 これは非常に単純な例です。入力に 10 kΩ の抵抗を直列に接続すると、アンプ出力の電圧が半分に減少する場合、U1 / U2 = 2 および RВХ = 10 kOhm となります。

出力インピーダンス。 出力抵抗のアイデアを与える例は次のとおりです。スターターが作動すると、車のヘッドライトがわずかに暗くなります。 スターターによって流れる大電流によりバッテリー内の電圧が降下し、その端子の電圧が低下し、ヘッドライトの明るさが低下します。 この電圧降下は、バッテリの出力抵抗 (内部抵抗またはソース抵抗としてよく知られているかもしれません) の両端で発生します。

このアイデアを、電圧源に常に一定の出力抵抗が接続されている DC 回路や AC 回路を含むすべての出力回路を含むように拡張してみましょう。 このような簡単な説明が最も複雑な回路にも適用できることは、抵抗とソースを備え、2 つの出力端子を持つ回路は、直列に接続された 1 つの抵抗と 1 つのソースで置き換えることができるという規則によって確認されます。 ここで、「ソース」という言葉は、電圧を生成し、電流が流れているときでもこの電圧を一定に維持し続ける理想的なコンポーネントとして理解する必要があります。 出力回路の説明を図に示します。 2.20、ここで ROUT は出力インピーダンス、U は開回路出力電圧、つまり開回路出力の電圧です。

図2.20。 出力回路等価回路

入出力抵抗の問題を議論するとき、初めて現れる概念である等価回路に注目するのが適切です。 図のすべての図。 2.18、2.19、2.20は等価回路です。 これらは、必ずしも問題のデバイスの実際のコンポーネントや接続を反映しているわけではありません。 これらの図は、デバイスがどのように動作するかを理解するのに役立つ便利な表現です。

米。 2.20は、出力端子に抵抗や他の機器の入力端子が接続されている場合、電源電圧Uの一部が電源の内部抵抗によって降下することを示しています。

出力抵抗測定。 出力抵抗を測定する簡単な方法は、図 2.20 の図に従います。 出力端子が短絡している場合、短絡電流 ISC を変更し、電圧 U を印加した結果抵抗 ROUT を流れる電流と一致することを考慮すると、ROUT = U/ISC が得られます。 。 電源によって回路に供給される電圧 U は、「無負荷」モード、つまり無視できる出力電流で出力端子で測定されます。 したがって、出力インピーダンスは、開放電圧と短絡電流の比として簡単に求めることができます。

出力抵抗を決定するこの基本的な方法を考慮すると、ほとんどの場合、出力短絡電流の測定にはこの方法に固有の障害があると言わざるを得ません。 通常、短絡中は回路の動作条件が違反され、信頼できる結果が得られません。 場合によっては、特定のコンポーネントが異常に大きな負荷に耐えられずに故障する可能性があります。 短絡方法が適用できないことを簡単に説明します。AC 主電源の出力インピーダンスを測定してみてください。 実用的な観点から見たこれらの欠点にもかかわらず、この方法の使用は回路の出力インピーダンスを理論的に推定する際に正当化され、この章でもさらに使用されます。

出力抵抗の実際的な測定方法を図 2.21 に示します。 ここで、開回路出力電圧は、高抵抗入力を備えた電圧計またはオシロスコープで測定され、出力端子は既知の抵抗 R の負荷でバイパスされます。負荷が接続された場合の低下した出力電圧は、次の式によって直接決定されます。同じ測定器です。 ROUT の値は、出力電流に対する電圧降下量の比率として計算できます。

図2.21。 シャント抵抗を使用した出力抵抗の測定

U が無負荷出力電圧、U1 が負荷 R での出力電圧である場合、負荷があるときの ROUT 両端の電圧降下は U-U1 に等しく、負荷があるときの出力電流は次のようになります。 U1/R、つまり ROUT = R(U - U1) / U1 最適な電圧転送のための抵抗マッチング。 ほとんどの電子回路は信号を電圧とみなします。 ほとんどの場合、回路のある部分を別の部分に接続するときは、最小限の損失で最大の電圧を伝達する必要があります。 これは最大電圧伝達の要件であり、通常は抵抗をマッチングするときに満たされます。 この基準を考慮して、抵抗整合の原理を考えてみましょう。

図 2.22 は、相互に接続された 2 つのブロックを示しています。最適な電圧伝達のためには、UВХ が可能な限り U にほぼ等しい必要があります。 電圧 UIN は次と等しくなります: UIN = URIN / ROUT + RIN および UIN≈U、RIN >> ROUT

図2.22。 2 つのデバイス間の抵抗マッチングの図

言い換えれば、ある回路から別の回路へ電圧を可能な限り最適に伝達するには、最初の回路の出力抵抗が 2 番目の回路の入力抵抗よりもはるかに小さくなければなりません。 原則として、RIN> 10ROUT が必要です。 このため、発電機などの試験に使用される機器は、出力インピーダンス（代表値）が低く設計されています。< 100 Ом). С другой стороны, осциллограф, предназначенный для наблюдения напряжений в испытываемой схеме, делается с большим входным сопротивлением (типичное значение >1MOhm）。

図2.23。 回路出力電圧の負荷抵抗依存性

最適な抵抗マッチングの条件が満たされず、信号がソースの出力インピーダンスに匹敵する入力インピーダンスで回路の入力に到達した場合、最も一般的なケースでは、単純に電圧損失が発生します。 この状況は、図に示したものと同様に、バイポーラ トランジスタに基づく 2 つの増幅段が存在する場合に発生します。 11.5、次々に接続 (カスケード)。 バイポーラ トランジスタのこのようなカスケードの入力抵抗と出力抵抗は両方とも同じオーダー (通常は数千オーム) であり、これは信号電圧の約 50% がカスケード間の接続で失われることを意味します。 一方、電界効果トランジスタアンプ(図11.13)は、抵抗マッチングの点ではるかに優れています。入力抵抗が非常に高く、出力抵抗が平均的です。 このような段を次々に接続する場合、信号損失は無視できます。

負荷インピーダンスが小さすぎると電圧ゲインだけでなく周波数応答にも影響を与えるため、インピーダンスのマッチングに特別な注意が必要なケースが 1 つまたは 2 つあります。 これは、ソースの出力インピーダンスが純粋な抵抗性ではなく、リアクタンスを表す場合に発生し、そのため周波数応答が変化します。 簡単な例はコンデンサーマイクです。その出力インピーダンスはオームではなくピコファラッドで表され、通常の値は 50 pF 程度です。 良好な低周波数を再生するには、最大 20 Hz の周波数でアンプの入力インピーダンスが 50 pF の静電容量のリアクタンスと比較して大きくなければなりません。 実際には、これには約 200 MΩ の入力インピーダンスが必要ですが、これは通常、マイクのハウジングに取り付けられた FET アンプによって提供されます。

最適な電力伝送のための抵抗マッチング。 原則として、抵抗のマッチングの基準は最大転送電圧ですが、最大電力の転送が必要な場合もあります。 数学的な計算は省略しますが、回路 2.22 では、RIN の最大電力は RIN = ROUT で達成されることをお知らせします。 この結果は最大電力定理として知られています。つまり、負荷インピーダンスが電源の出力インピーダンスと等しい場合、最大電力が電源から負荷に伝達されます。 この定理は、抵抗成分だけでなく、複素成分 ZIN および ZOUT にも当てはまります。 この場合、条件 RIN = ROUT に加えて、条件 XIN = -XOUT も満たされる必要があります。つまり、一方のインピーダンスが容量性の場合、もう一方のインピーダンスは誘導性である必要があります。

最適な電流伝達のための抵抗マッチング。 入力回路の最大電流を確保するために、抵抗のマッチングが必要になる場合があります。 再び図を参照します。 2.22 を見ると、回路内の合計抵抗が可能な限り低く選択された場合に最大入力電流 IВХ が達成されることがわかります。 したがって、ROUT を固定した場合は、RIN の値を可能な限り低くするように努める必要があります。 このかなり珍しい状況は、電圧を伝送する必要がある通常の状況とはまったく逆です。

出力インピーダンスは 2 つの方法で決定できます。

1) 負荷抵抗を外します。 アクティブな入力ソースを短絡します。 アンプの出力端子に交流電圧を加えます。 電源から消費される交流電流を計算します。 アンプの出力インピーダンスを決定します。 この方法を実現するアンプ等価回路を図 2.11 に示します。

図 2.11 - アンプの等価回路、計算用 Rアウト

2) 負荷特性に基づいた出力抵抗の決定。

アンプの出力回路は、トランジスタの出力回路をEMF源として表すと、次のモデルで表すことができます(図2.12)。

図 2.12 - アンプ出力回路の等価回路

アンプの負荷特性は、負荷電流に対する負荷電圧の依存性によって決まり、図 2.13 のようになります。

図 2.13 - アンプの負荷特性

アンプ出力回路のアイドルモード時（ RH=¥) と短絡 ( RH=0) 値を定義する U Hxxそして ショートしてしまう:

負荷特性から、アンプの出力インピーダンスは次のようになります。

の場合、次のように書くことができます。

したがって、第１の方法と第２の方法で得られる出力抵抗の求め結果は同じである。

OE を備えた回路の入力インピーダンスと出力インピーダンスは一致しているため、十分に整合していれば、OE を備えたアンプのカスケードを順番にオンにすることができます。 したがって、たとえば、ゲイン係数 K 1 および K 2 と等式 R Out1 = R In2 を備えた 2 段アンプの場合、アンプの全体のゲインが得られます。

結論:

電圧増幅器（VO）回路は入力抵抗と出力抵抗がほぼ等しいため、多段増幅器で直列接続した場合に、後段の入力抵抗と前段の出力抵抗の電圧を一致させることができます。 OB を含む回路では、そのような組み込みは許可されません。 OC を使用してカスケードをそれらの間で順次切り替えるには、OC を使用したスキームに従って構築された、一致するカスケードを含める必要があります (セクション 2.3 を参照)。

OE および OB を備えた回路の電圧利得 ク>>1 (10) と位相関係のみが異なります jOE=180°、 jについて=0°.

OE を備えた回路の電流ゲイン ( キ>>1)、OB付き回路の場合( キ<1). Поскольку коэффициент усиления по мощности KP=ＫＵ×ＫＩの場合、OE を備えた回路の係数が最も高くなります。

OE を備えた電圧増幅回路はエレクトロニクス分野でより広く使用されていますが、OB を備えた回路は、これらの多くの欠点にもかかわらず、その利点に従って使用されます。 これらには、最高の温度安定性と低い非線形歪みが含まれます (セクション 5 を参照)。

8 RCアンプの周波数特性
音の周波数