Як виміряти вихідний опір підсилювача. Високолінійний помзч з великим вихідним опором

Вхідний та вихідний опір є дуже важливим в електроніці.

Як ви знаєте, всі електронні пристрої складаються з блоків. Їх ще часто називають каскади, модулі, вузли тощо. У нашій статті використовуватимемо поняття “блок”. Наприклад, джерело живлення, зібране за цією схемою:

складається із двох блоків. Я їх помітив у червоному та зеленому прямокутниках.

У червоному блоці ми отримуємо постійну напругу, а в зеленому блоці ми її стабілізуємо. Тобто блокова схема буде такою:

Блокова схема – це умовний поділ. У цьому прикладі ми могли б навіть взяти трансформатор як окремий блок, який знижує змінну напругу одного номіналу до іншого. Як нам зручніше, так і ділимо на блоки нашу електронну дрібничку. Метод "від простого до складного" повністю працює у нашому світі. На нижчому рівні знаходяться радіоелементи, на найвищому – готовий пристрій, наприклад телевізор.

Гаразд, щось відволіклися. Як ви зрозуміли, будь-який пристрій складається з блоків, які виконують певну функцію.

– Ага! То що ж виходить? Я можу просто тупо взяти готові блоки і винайти будь-який електронний пристрій, який мені спаде на думку?

Так! Саме на це націлена зараз сучасна електроніка;-) Мікроконтролери та конструктори, типу Arduino, додають ще більше гнучкості у творчі починання молодих винахідників.

На словах все виходить чудово, але завжди є підводне каміння, яке слід вивчити, щоб почати проектувати електронні пристрої. Деякі з цих камінчиків називаються вхідним та вихідним опором .

Думаю, всі пам'ятають, що таке опір і що таке. Резистор хоч і має опір, але це активний опір. Котушка індуктивності і конденсатор вже володіють, так званим, реактивним опором. Але що таке ? Це вже щось новеньке. Якщо дослухатися цих фраз, то вхідний опір – це опір якогось входу, а вихідне – опір якогось виходу. Так, все майже так і є. І де ж нам знайти у схемі ці вхідні та вихідні опори ? А ось “ховаються” вони у самих блоках радіоелектронних пристроїв.

Вхідний опір

Отже, маємо якийсь блок. Як заведено у всьому світі, ліворуч – це вхід блоку, праворуч – вихід.

Як і належить, цей блок використовується в якомусь радіоелектронному пристрої та виконує якусь функцію. Значить, на його вхід подаватиметься якась вхідна напруга U вхвід іншого блоку або від джерела живлення, а на його виході з'явиться напруга U вих(або з'явиться, якщо блок є кінцевим).

Але якщо ми подаємо напругу на вхід (вхідна напруга U вх), отже, у нас цей блок буде їсти якусь силу струму І вх.

Тепер найцікавіше… Від чого залежить I вх? Взагалі від чого залежить сила струму в ланцюзі? Згадуємо закон Ома для ділянки ланцюга:

Отже, сила струму в нас залежить від напруги та опору. Припустимо, що напруга в нас не змінюється, отже, сила струму в ланцюзі залежатиме від… ПРОТИ. Але де його знайти? А ховається воно в самому каскаді і називається вхідним опором .

Тобто, розібравши такий блок, чи всередині нього ми можемо знайти цей резистор? Звичайно ж ні). Він є своєрідним опором радіоелементів, з'єднаних за схемою цього блоку. Скажімо так, сукупний опір.

Як виміряти вхідний опір

Як ми знаємо, на кожен блок подається будь-який сигнал від попереднього блоку, або це може бути навіть живлення від мережі або батареї. Що нам лишається зробити?

1) Виміряти напругу U вх, що подається на цей блок

2) Виміряти силу струму I вх, яку споживає наш блок

3) За законом Ома знайти вхідний опір R вх.

Якщо у вас вхідний опір виходить дуже велике, щоб виміряти його якомога точніше, використовують ось таку схему.

Ми з вами знаємо, що якщо вхідний опір у нас великий, то вхідна сила струму в ланцюзі у нас буде дуже маленька (за законом Ома).

Падіння напруги на резисторі Rпозначимо, як U R

З усього цього отримуємо…

Коли ми проводимо ці вимірювання, майте на увазі, що напруга на виході генератора не повинна змінюватись!

Отже, давайте порахуємо, який резистор нам необхідно підібрати, щоб якомога точніше заміряти цей вхідний опір. Припустимо, що в нас вхідний опір R вх = 1 МегаОм, а резистор взяли R=1 КілоОм. Нехай генератор видає постійну напругу U=10 Вольт. В результаті, у нас виходить ланцюг із двома опорами. Правило дільника напруги свідчить: сума падінь напруги на всіх опорах в ланцюзі дорівнює ЕРС генератора.

В результаті виходить ланцюг:

Обчислюємо силу струму в ланцюгу в Амперах

Виходить, що падіння напруги на опорі Rу Вольтах буде:

Грубо говорячи 0,01 Вольт. Навряд чи ви зможете точно заміряти таку маленьку напругу своєю китайською.

Який звідси висновок? Для більш точного вимірювання високого вхідного опору треба брати додатковий опір дуже великого номіналу.У цьому випадку працює правило шунта: на більшому опорі падає більша напруга, і навпаки, на меншому опорі падає менша напруга.

Вимірювання вхідного опору практично

Ну все, запарка пройшла;-). Давайте тепер на практиці спробуємо виміряти вхідний опір будь-якого пристрою. Мій погляд відразу впав на транзистор-метр. Отже, виставляємо на блоці живлення робочу напругу цього транзистор-метра, тобто 9 Вольт, і у включеному стані вимірюємо споживану силу струму. Як виміряти силу струму в ланцюзі, читаємо у цій статті. За схемою все це виглядатиме ось так:

А насправді ось так:

Отже, у нас вийшло 22,5 міліАмпер.

Тепер, знаючи значення споживаного струму, можна знайти за цією формулою вхідний опір:

Отримуємо:

Вихідний опір

Яскравий приклад вихідного опору - це закон Ома для повного ланцюга, в якому є так зване "внутрішній опір". Кому ліньки читати про цей закон, коротко розглянемо його тут.

Що ми мали? У нас був автомобільний акумулятор, за допомогою якого ми запалювали галогенну лампочку. Перед тим, як чіпляти лампочку, ми заміряли напругу на клемах акумулятора:

І як тільки приєднували лампочку, у нас напруга на акумуляторі ставала меншою.

Різниця напруги, тобто 0,3 Вольта (12,09-11,79) у нас падало на так званому внутрішньому опорі r;-) Воно ж і є ВИХІДНИЙ ОПИР. Його також називають ще опором джерела або еквівалентним опором .

Усі акумулятори мають цей внутрішній опір r, і "чіпляється" воно послідовно з джерелом ЕРС ( Е).

Але чи тільки акумулятори і різні батарейки мають вихідний опір? Не тільки. Вихідний опір мають усі джерела живлення. Це може бути блок живлення, генератор частоти, або взагалі якийсь підсилювач.

У теоремі Тевеніна (коротше, розумний чоловік такий був) говорилося, що будь-який ланцюг, який має дві клеми і містить у собі туєву купу різних джерел ЕРС і резисторів різного номіналу можна привести тупо до джерела ЕРС з якимось значенням напруги ( E еквівалентне) і з якимось внутрішнім опором ( R еквівалентне).

E екв- Еквівалентне джерело ЕРС

R екв- Еквівалентний опір

Тобто виходить, якщо якесь джерело напруги живить навантаження, значить, у джерелі напруги є ЕРС та еквівалентний опір, воно ж .

У режимі холостого ходу (тобто коли до вихідних клем не підчеплене навантаження) за допомогою мультиметра ми можемо виміряти ЕРС ( E ). Із виміром ЕРС начебто зрозуміло, але як заміряти R вих?

В принципі, можна зробити коротке замикання . Тобто замкнути вихідні клеми товстим мідним проводом, яким у нас буде текти струм короткого замикання I кз.

В результаті у нас виходить замкнутий ланцюг з одним резистором. Із закону Ома отримуємо, що

Але є невелика заковика. Теоретично – формула вірна. Але на практиці я не рекомендував би використовувати цей спосіб. В цьому випадку сила струму досягає шаленого значення, і взагалі, вся схема поводиться неадекватно.

Вимірювання вихідного опору практично

Є інший, безпечніший спосіб. Не повторюватимусь, просто скопіюю зі статті закон Ома для повного ланцюга, де ми знаходили внутрішній опір акумулятора. У тій статті ми до акуму чіпляли галогенну лампочку, яка була навантаженням. R. В результаті ланцюгом йшов електричний струм. На лампочці та на внутрішньому опорі у нас падала напруга, сума яких дорівнювала ЕРС.

Отже, спочатку заміряємо напругу на акумуляторі без лампочки.

Так як у нас у цьому випадку ланцюг розімкнутий (немає зовнішнього навантаження), отже сила струму в ланцюгу Iдорівнює нулю. Значить, і падіння напруги на внутрішньому резисторі U rтеж дорівнюватиме нулю. У результаті, у нас залишається лише джерело ЕРС, у якого ми й вимірюємо напругу. У разі E=12,09 Вольт.

Як тільки ми приєднали навантаження, то в нас відразу ж впала напруга на внутрішньому резисторі і навантаженні, в даному випадку на лампочці:

Зараз на навантаженні (на галогенці) у нас впала напруга U R =11,79Вольт, отже, на внутрішньому резистори падіння напруги склало U r = E-U R = 12,09-11,79 = 0,3Вольта. Сила струму в ланцюзі дорівнює I=4,35Ампер. Як я вже сказав, ЕРС у нас дорівнює E=12,09Вольт. Отже, із закону Ома для повного ланцюга вираховуємо, чому у нас дорівнюватиме внутрішній опір r:

Висновок

Вхідний та вихідний опір каскадів (блоків) в електроніці відіграють дуже важливу роль. У цьому переконаємося, коли почнемо розглядати радіоелектронних схем. Всі якісні вольтметри та осцилографи також намагаються робити з дуже високим вхідним опором, щоб воно менше позначалося на сигнал, що замірюється, і не гасило його амплітуду.

З вихідним опором все набагато цікавіше. Коли ми підключаємо низькоомне навантаження, то чим більший внутрішній опір, тим більше напруга падає на внутрішньому опорі. Тобто навантаження віддаватиметься менша напруга, оскільки різниця осяде на внутрішньому резисторі. Тому, якісні джерела живлення, типу блоку живлення чи генератора частоти, намагаються робити як і з меншим вихідним опором, щоб напруга на виході “не просідало” під час підключення низькоомного навантаження. Навіть якщо сильно просяде, ми можемо вручну підкоригувати за допомогою регулювання вихідної напруги, які є в кожному нормальному джерелі живлення. У деяких джерелах це робиться автоматично.

Найважливішими технічними показниками підсилювача є:

коефіцієнти посилення (за напругою, струмом і потужністю), вхідний та вихідний опори, вихідна потужність, коефіцієнт корисної дії, номінальна вхідна напруга (чутливість), діапазон посилюваних частот, динамічний діапазон амплітуд та рівень власних перешкод, а також показники, що характеризують нелінійні, частотні і фазові спотворення сигналу, що посилюється.

Коефіцієнти посилення. Коефіцієнтом посилення за напругою чи просто коефіцієнтом посилення До , називається величина, що показує, у скільки разів напруга сигналу на виході підсилювача більша, ніж на його вході:

До = .

Значення коефіцієнта посилення До у різних підсилювачів напруги може мати величину десятків і сотень. Але й цього у ряді випадків недостатньо для отримання підсилювача сигналу необхідної амплітуди на виході. Тоді вдаються до послідовного включення ряду підсилювальних каскадів:

К = К 1∙ До 2 ∙ До n.

Коефіцієнт посилення є безрозмірною величиною. Враховуючи, що у сучасних підсилювальних схемах коефіцієнт, виражений у безрозмірних одиницях, виходить досить громіздким числом, в електроніці набув поширення спосіб вираження підсилювальних властивостей у логарифмічних одиницях – децибелах (дБ). Коефіцієнт посилення, виражений у децибелах, дорівнює

До = 20lg = 20lgДо

Зворотний перехід від децибелу до безрозмірної величини здійснюється за допомогою виразу

К =
.

Якщо прийняти До = 1, то

К =
= 10= 1,12.

Отже, посилення одно децибелу, якщо напруга на виході підсилювача в 1,12 рази (на 12%) більше, ніж напруга на вході. Коефіцієнт посилення багатокаскадного підсилювача, виражений у децибелах, є сумою коефіцієнтів посилення окремих каскадів посилення, виражених у тих же одиницях:

20lgДо = 20lgДо 1 + 20lgДо 2 + …+20lgДо n

Крім коефіцієнта посилення за напругою, користуються коефіцієнтами посилення за струмом і потужністю, які також можуть бути виражені в децибелах. Наприклад, якщо потужність сигналу на вході підсилювача мала значення Рвх, а потім підвищилася до Рвих, то коефіцієнт посилення за потужністю в децибелах можна знайти за формулою

.

Слід пам'ятати, що для переходу до децибелів при логарифмі відношення потужностей ставиться множник 10, а при логарифмі відношення напруги або струмів ставиться множник 20. Це пояснюється тим, що потужність пропорційна квадрату напруги або квадрату струму

.

Вхідний та вихідний опори

Підсилювач можна розглядати як активний чотириполюсник, до вхідних затискачів якого підключається джерело сигналу, що посилюється, а до вихідних опір навантаження. На малюнку показано одну з можливих еквівалентних схем підсилювального каскаду. Джерело вхідного сигналу показано у вигляді генератора напруги з е.р.с. Евх, що має внутрішній опір Rр. З боку виходу підсилювач представлений у вигляді генератора напруги з е.р.с. Евих та внутрішнім опором Rвих. Підсилювач одночасно є навантаженням для джерела сигналу та джерелом сигналу для зовнішнього навантаження Rн, причому навантаженням підсилювача може бути не тільки кінцевий пристрій (споживач), але і наступний вхід каскаду підсилювача.

Вхідний опір підсилювача в будь-якому випадку є опір між вхідними затискачами підсилювача. Воно одно

Вихідний опір Rвих визначають між вихідними затискачами підсилювача при відключеному опорі навантаження Rн.

Залежно від співвідношення внутрішнього опору джерела Rг та вхідного опору підсилювача Rджерело сигналу може працювати в режимі:

холостого ходу (Rвх >> Rг), короткого замикання (Rвх<< Rг), узгодження(Rвх ≈ Rг).

Аналогічні режими роботи можливі і для вихідного ланцюга:

(Rн >> Rвих) – холостий перебіг; ( Rн<< Rвих) - коротке замикання; ( Rн >> Rвих) - узгодження.

Відповідно до цього розрізняють як для вхідного, так і для вихідного ланцюга режими посилення напруги, струму та потужності.

Перш ніж перевіряти динаміки, колонки або навушники, переконайтеся в тому, що ваш підсилювач (або стаціонарний або вбудований в активні колонки, або звуковий карти комп'ютера) має досить хороші технічні характеристики (параметри). Тобто. наскільки прямолінійна та широка його АЧХ, чи може він видавати все частотиз однаковим рівнем, без завалу за низькими частотами (що часто грішать підсилювачі низької якості).

Заодно можна визначити, чи розвиває він заявлену виробником максимальну потужність(Pmax) та яке вихідний опір(Rвих) має.

Методика перевірки амплітудно-частотної характеристики

Для вимірювання амплітудно-частотної характеристики ( АЧХ) в один із каналів (лівий або правий) замість колонки як навантаження підсилювача провідниками підключіть, опором 5-10ом. Паралельно резистори підключіть вольтметр змінного струму (цифровий в даному випадку зручніше стрілочного), і, подавши з комп'ютера сигнал генератора звукових частот( 22Кб.) на частоті 1000 герц регулятором гучності встановіть вихідну напругу, наприклад 1вольт (1000 мілівольт), далі, не змінюючи рівень сигналу, зменшуйте частоту генератора (в діапазоні 1000-100 герц кнопкою "-100", в діапазоні кнопкою "-10") починаючи від 1000гц. та до 20гц. включно (при цьому регулятори тембру на підсилювачі повинні стояти в середньому положенні або відключені, тобто його АЧХ має бути прямолінійною (горизонтальною).

Напруга на виході підсилювача НЕ ПОВИННО змінюватися більш ніж на ±2 децибели (або в 1,25 рази), але чим менше, тим краще (у нашому випадку воно повинно знаходитися в межах між 0,8-1,25 вольт, або 800 -1250 мілівольт). Ідеальний варіант - усі частоти видаються з однаковим рівнем.

Ну а якщо завал напруги за низькими частотами складе 2 і більше разів, що відповідає 6 децибелів і більше (тобто напруга опуститься до 0,5 вольт і менше), то ваші колонки ніколи не зможуть звучати у всій своїй красі. До того ж, за нелінійної характеристики підсилювача ви не зможете точно визначити резонансну частоту динаміків. Приклад такої нелінійної АЧХ показаний малюнку зліва (див. синю криву).

Так само перевіряється і другий канал підсилювача. У разі значного спаду сигналу на низьких частотах бажано змінити підсилювач більш якісний.

Вимірювання вихідного опору підсилювача

Від величини вихідного опору залежать коефіцієнт демпфування та інтермодуляційні спотворення, також воно безпосередньо впливає на загальну добротність системи. Вихідний опір підсилювача потужності повинен перебувати в межах 1/10-1/1000 від опору навантаження і сучасні підсилювачі мають величину порядку 0,01-0,1 Ом.

Для його вимірювання як навантаження підсилювача провідниками підключіть, опором 4 або 8 відповідної потужності. Паралельно виходу підсилювача підключіть вольтметр змінного струму (цифровий в даному випадку зручніше за стрілочний), і, подавши з комп'ютера сигнал генератора звукових частот(22Кб.) на частоті 1000 герц регулятором гучності встановіть вихідну напругу в межах від 1 до 5 вольт.

Спочатку потрібно виміряти вихідну напругу підсилювача на холостому ходу (без навантаження). Потім зробити те саме, навантаживши його на резистор. Усі величини, включаючи Rнагр, потрібно вимірювати якомога точніше. Вихідний опір обчислюється за формулою
Rвих=[(Uхх/Uнагр)-1]×Rнагр або
Rвих=[(Uхх-Uнагр)/Uнагр]×Rнагр. приклад: [(5-4,9)/4,9]×8=0,163ом.

Таким чином, можна визначити вихідний опір і на другому каналі, і на будь-якій частоті.

Вимірювання максимальної потужності

Деякі користувачі хочуть знати, яку потужність реально видають їх підсилювачі на навантаження, не довіряючи характеристикам, заявленим виробниками. Це можна зробити, але вам знадобляться:

1. потужний навантажувальний резистор
2. генератор звукових частот
3. вольтметр змінної напруги
4. осцилограф.

Найскладніше, це купити або самостійно виготовити потужний резистор навантаження і знайти осцилограф. В крайньому випадку, як осцилограф можна використовувати комп'ютер або ноутбук з програмою "Віртуальний осцилограф" з (обсяг 0,3 Мб.). Детальний опис його роботи та схема адаптера (дільник напруги для узгодження входу звукової карти комп'ютера з джерелом напруги, що досліджується) є у довідці програми. Резистор можна виготовити зі спіралі старої праски, електричної плитки або тепловентилятора.

В один із каналів (лівий або правий) замість колонки як навантаження підсилювача провідниками підключіть, опором, що відповідає розрахунковому опору навантаження вашого підсилювача. Воно вказується в інструкції на апаратуру і зазвичай становить 8 або 4м. Потужність резистора має бути достатньою, що він згорів під час роботи, тобто. не менше передбачуваної вихідної потужності підсилювача (якщо підсилювач заявлений на 100 Вт на канал, потужність резистора повинна бути 100 Вт і більше).

Паралельно резистори підключіть вольтметр змінного струму (краще стрілочний, він показує діюче значення напруги), а також осцилограф і, подавши з комп'ютера сигнал генератора звукових частот( 22Кб.) на частоті 1000 герц регулятором гучності встановіть вихідну напругу, наприклад 1 вольт (1000 мілівольт). Спостерігайте форму сигналу на осцилографі, далі, не змінюючи частоти, збільшуйте амплітуду сигналу.

Синусоїда буде збільшуватися по висоті, не спотворюючи свою форму, але рано чи пізно відбудеться її кліпування, вона хіба що упрется в " стеля і підлогу " , замість закругленої, її верхня і/або нижня частини стануть горизонтальними, як у малюнку справа, тобто. почнеться обмеження сигналу амплітуди. Зменшіть амплітуду таким чином, щоб сигнал був на межі кліпування (що ще зберігав закруглену форму). Напруга, показана в цей момент на вольтметрі, дорівнює Umax. За формулою P=U2/R розрахуйте максимальну потужність підсилювача.

Наприклад, Umax = 21v. R=4om. Pmax=21²/4=110ват. Якщо R=8ом, то Рmax=55ват.

У такий же спосіб можна перевірити максимальну вихідну потужність на нижній частоті АЧХ підсилювача (20 герц.), або на нижній частоті частотного діапазону, вказаного для ваших колонок, наприклад 40, 45 або 50 герц. Обмеження синусоїди за амплітудою в ідеалі має відбуватися строго симетрично, на обох напівхвилях сигналу.

Аналогічно виміряйте потужність у другому каналі підсилювача.

Подобається

ВИЙТИв зміст

Copyright © Полубоярцев А.В.

Зазвичай питанню узгодження опорів приділяють недостатньо уваги. Мета цього розділу полягає в тому, щоб описати загалом принципи та практику узгодження опорів.

Вхідний опір У будь-якого електричного пристрою, для роботи якого потрібен сигнал, є вхідний опір. Точно так само, як і будь-який інший опір (зокрема, опір в ланцюгах постійного струму), вхідний опір пристрою є міра струму, поточного вхідного ланцюга, коли до входу прикладена певна напруга.

Наприклад, вхідний опір 12-вольтової освітлювальної лампи, що споживає 0,5 А, дорівнює 12/0,5 = 24 Ом. Лампа є простим прикладом опору, тому що нам відомо, що в ній немає нічого, крім нитки розжарювання. З цього погляду вхідний опір такої схеми, як підсилювач на біполярному транзисторі, може здаватися чимось складнішим. На перший погляд, наявність у схемі конденсаторів, резисторів та напівпровідникових p-n переходів робить визначення вхідного опору важким. Однак будь-який вхідний ланцюг, яким би складним він не був, можна подати у вигляді простого імпедансу, як це зроблено на рис.2.18. Якщо UВХ - напруга змінного вхідного сигналу, а IВХ - змінний струм, поточний вхідний ланцюга, то вхідний імпеданс дорівнює ZВХ = UВХ / IВХ [Ом].

У більшості схем вхідний імпеданс має резистивний (омічний) характер у широкому діапазоні частот, в межах якого зсув по фазі між вхідною напругою і вхідним струмом нехтує малим. В цьому випадку вхідний ланцюг виглядає так, як показано на рис. 2.19, справедливий закон Ома і немає необхідності в алгебрі комплексних чисел та у векторних діаграмах, що застосовуються до ланцюгів із реактивними елементами.

Рис.2.18. Схема з парою вхідних клем, що ілюструє поняття вхідного імпедансу ZВХ

Важливо, однак, що з омічного характеру вхідного імпедансу не обов'язково випливає можливість його вимірювання на постійному струмі; на шляху вхідного сигналу можуть бути реактивні компоненти (наприклад, розділовий конденсатор), які несуттєві щодо змінного сигналу на середніх частотах, але не дозволяють проводити вимірювання у вхідній меті на постійному струмі. Виходячи зі сказаного, при подальшому розгляді вважатимемо, що імпеданс має суто омічний характер і Z=R.

Вимірювання вхідного опору. Напруга на вході легко виміряти за допомогою осцилографа або вольтметра змінної напруги. Однак так само легко виміряти змінний струм не можна, зокрема, у разі коли вхідний опір велике. Найкращий спосіб вимірювання вхідного опору показаний на рис.2.19.

Рис.2.19. Вимірювання вхідного опору

Резистор з відомим опором R включають між генератором та входом досліджуваної схеми. Потім за допомогою осцилографа або вольтметра змінної напруги з високоомним входом вимірюються напруги U1 і U2 по обидві сторони резистора R. Якщо IВХ - змінний вхідний струм, то, згідно із законом Ома, на резистори падає напруга, що дорівнює U1 - U2 = RIВХ. Звідси I ВХ = (U1 - U2) / R, R ВХ = U2 / R. Отже Якщо досліджувана схема є підсилювачем, то найчастіше найзручніше визначати U1 і U2, виконуючи вимірювання на виході підсилювача: U1вимірюється при безпосередньому підключенні генератора до входу, а U2 - при послідовному включенні з входом резистора R. Оскільки у виразі для RВХ присутні тільки відношення U1/ U2 коефіцієнт посилення не відіграє ніякої ролі. Передбачається, що при виконанні цих вимірювань напруга на виході генератора залишається незмінною. Ось дуже простий приклад: якщо включення послідовно з входом резистора з опором 10 кОм викликає зменшення напруги на виході підсилювача наполовину, U1 / U2 = 2 і RВХ = 10 кОм.

Вихідний опір. Приклад, що дає уявлення про вихідний опір, такий: світло фар автомобіля трохи тьмяніє під час роботи стартера. Великий струм, що споживається стартером, викликає падіння напруги всередині акумулятора, внаслідок чого напруга на його клемах зменшується і світло фар стає менш яскравим. Це падіння напруги відбувається на вихідному опорі акумулятора, можливо більш відомому як внутрішній опір або опір джерела.

Розширимо це уявлення, поширивши його на всі вихідні ланцюги, включаючи ланцюги постійного та змінного струму, у яких завжди є певний вихідний опір, з'єднаний з джерелом напруги. У застосуванні такого простого опису навіть до найскладніших схем переконує правило, що говорить про те, що будь-який ланцюг з опорами та джерелами, що має дві вихідні клеми, можна замінити на послідовно включені один опір та одне джерело. Тут під словом «джерело» потрібно розуміти ідеальний компонент, що виробляє напругу і продовжує підтримувати цю напругу незмінною навіть тоді, коли від неї споживається струм. Опис вихідного ланцюга показано на рис. 2.20, де RВИХ - вихідний імпеданс, а U - вихідна напруга холостого ходу, тобто напруга на виході розімкнутого ланцюга.

Рис.2.20. Еквівалентна схема вихідного ланцюга

Обговорюючи питання про вхідний і вихідний опір, доречно звернути увагу на поняття, що вперше з'являється: еквівалентна схема. Усі схеми на рис. 2.18, 2.19 та 2.20 є еквівалентними схемами. У них не обов'язково відображені реальні компоненти та з'єднання в пристроях, що розглядаються; ці схеми є зручним способом уявлення, який корисний для розуміння того, як поводиться той чи інший пристрій.

Мал. 2.20 показує, що у випадку, коли до вихідних клем підключається резистор або вхідні клеми іншого пристрою, частина напруги джерела U падає на внутрішньому опорі джерела.

Вимірювання вихідного опору. Простий метод вимірювання вихідного опору випливає із схеми на рис.2.20. Якщо вихідні клеми замкнути накоротко, змінити поточний при цьому струм короткого замикання IКЗ і врахувати, що він збігається зі струмом, поточним по опору RВИХ в результаті докладання до нього напруги U, то отримаємо: RВИХ = U/IКЗ. Напруга U, що поставляється в схему джерелом, вимірюється на вихідних клемах в режимі «холостого ходу», тобто при малому невеликому вихідному струмі. Таким чином, вихідний опір легко можна отримати як відношення напруги холостого ходу до короткого замикання струму.

Розглянувши цей важливий спосіб визначення вихідного опору, слід зазначити, що у цьому шляху є перешкоди, властиві виміру вихідного струму короткого замикання найчастіше. Зазвичай, при короткому замиканні порушуються умови функціонування схеми і не можна отримати достовірні результати; в окремих випадках можуть вийти з ладу ті чи інші компоненти, не витримавши ненормально більшого навантаження. Проста ілюстрація непридатності методу короткого замикання: спробуйте виміряти вихідний опір мережі змінного струму! Незважаючи на ці недоліки з практичної точки зору, використання цього методу виправдане при теоретичному виведенні вихідного опору схеми і надалі він застосовується у цьому розділі.

Практичний спосіб вимірювання вихідного опору показано на рис.2.21. Тут вихідна напруга холостого ходу вимірюється вольтметром або осцилографом з високоомним входом, а потім вихідні клеми шунтуються навантаженням з відомим опором R. Зменшена вихідна напруга при підключеному навантаженні безпосередньо визначається тим самим вимірювальним приладом. Значення RВИХ можна обчислити як відношення величини, на яку впала напруга, до вихідного струму.

Рис.2.21. Вимірювання вихідного опору з використанням шунтуючого резистора

Якщо U - це вихідна напруга холостого ходу, а U1 - вихідна напруга на навантаженні R, то падіння напруги на RВИХ за наявності навантаження дорівнює U-U1, вихідний струм за наявності навантаження дорівнює U1/R, тому RВИХ = R(U - U1) / U1 Узгодження опорів для оптимальної передачі напруги. У більшості електронних схем розглядаються сигнали, що є напругою. У більшості випадків, коли підключається одна частина схеми до іншої, необхідно максимально передати напругу при мінімумі втрат. У цьому полягає вимога максимальної передачі напруги, зазвичай виконується при узгодженні опорів. Розглянемо з урахуванням цього критерію принцип узгодження опорів.

На рис.2.22 показані два блоки, з'єднані один з одним: для оптимальної передачі напруги потрібно, щоб UВХ було майже дорівнює U, наскільки це можливо. Напруга UВХ дорівнює: UВХ = URВХ / RВИХ + RВХ і UВХ≈U, RВХ >> RВИХ

Рис.2.22. Ілюстрація узгодження опорів між двома пристроями

Іншими словами, для можливо кращої передачі напруги від однієї схеми до іншої вихідний опір першої схеми має бути набагато меншим, ніж вхідний опір другої схеми; як правило, потрібно, щоб RВХ> 10RВИХ. Саме тому застосовувані для тестування прилади, такі як генератор, проектуються з малим вихідним опором (типове значення< 100 Ом). С другой стороны, осциллограф, предназначенный для наблюдения напряжений в испытываемой схеме, делается с большим входным сопротивлением (типичное значение >1 МОм).

Рис.2.23. Залежність вихідної напруги схеми від опору навантаження

Якщо умови оптимального узгодження опорів не дотримуються і сигнал надходить на вхід схеми з вхідним опором, порівнянним з вихідним опором джерела, то в загальному випадку відбуваються втрати напруги. Така ситуація виникає, коли два підсилювальні каскади на біполярних транзисторах, подібні до зображеного на рис. 11.5, з'єднані один за одним (каскадно). Як вхідний, так і вихідний опір такого каскаду на біполярному транзисторі одного порядку (зазвичай кілька тисяч Ом), і це означає, що близько 50% напруги сигналу втрачається на зв'язку між каскадами. З іншого боку, підсилювач на польовому транзисторі (рис.11.13) набагато краще з погляду узгодження опорів: він має великий вхідний опір і середній за величиною вихідний опір; при з'єднанні таких каскадів один за одним втрати сигналу дуже малі.

Є один або два випадки, коли узгодження опорів потребує особливої ​​уваги, тому що занадто малий опір навантаження впливає не тільки на коефіцієнт посилення напруги, але також і частотну характеристику. Це відбувається, коли вихідний імпеданс джерела не є суто резистивним, а навпаки, є реактивним опіром, і тому частотна характеристика змінюється. Простим прикладом служить конденсаторний мікрофон, у якого вихідний імпеданс виражається не в омах, а в пикофарадах, з типовим значенням в районі 50 пФ. Для хорошого відтворення низьких частот потрібно, щоб вхідний опір підсилювача був більшим порівняно з реактивним опором ємності 50 пФ на частотах до 20 Гц. Практично для цього потрібно, щоб вхідний опір було близько 200 МОм, що забезпечується зазвичай підсилювачем на польовому транзисторі, змонтованим в корпусі мікрофона.

Узгодження опорів для оптимальної передачі потужності. Хоча, як правило, критерієм при узгодженні опорів служить максимальне перенесення напруги, бувають випадки, коли потрібно передати максимум потужності. Не наводячи математичних розрахунків, повідомимо, що для схеми 2.22 максимум потужності RВХ досягається при RВХ = RВИХ. Цей результат відомий як теорема про максимальну потужність: максимум потужності передається від джерела в навантаження, коли опір навантаження дорівнює вихідному опір джерела. Ця теорема справедлива як для резистивних компонентів, але й комплексних компонентів ZВХ і ZВЫХ. У цьому випадку потрібно, щоб крім умови RВХ = RВИХ, виконувалася також умова XВХ = -XВИХ, тобто при ємнісному характері одного імпедансу інший імпеданс повинен мати індуктивний характер.

Узгодження опорів для оптимальної передачі струму. Іноді потрібно узгодження опорів, що забезпечує максимальний струм у вхідному ланцюзі. Звертаючись знову до рис. 2.22, можна побачити, що максимум вхідного струму ІВХ досягається у тому випадку, коли повний опір у ланцюзі вибирається можливо меншим. Тому, при фіксованому RВИХ слід прагнути можливо менше значення RВХ. Ця досить нестандартна ситуація прямо протилежна звичайному випадку, коли потрібно передавати напругу.

Вихідний опір можна визначити двома способами.

1) Вимкнути опір навантаження. Замкніть активне джерело вхідного сигналу. Підвести до вихідних затискачів підсилювача змінну напругу. Розрахувати змінний струм, що споживається від джерела. Визначити вихідний опір підсилювача. Схема заміщення підсилювача, що реалізує цей спосіб, наведено на рис.2.11.

Малюнок 2.11 - Схема заміщення підсилювача для розрахунку R Вих

2) Визначення вихідного опору за навантажувальною характеристикою.

Вихідний ланцюг підсилювача можна представити наступною моделлю, в якій вихідний ланцюг транзистора представлений джерелом ЕРС (Рис. 2.12).

Малюнок 2.12 - Схема заміщення вихідного ланцюга підсилювача

Навантажувальна характеристика підсилювача, що визначається залежністю напруги на навантаженні від струму навантаження, матиме вигляд, наведений на рис.2.13.

Рисунок 2.13 - Навантажувальна характеристика підсилювача

Для вихідного ланцюга підсилювача в режимах холостого ходу ( R Н=¥) та короткого замикання ( R Н=0) визначимо значення U Нххі I КЗ:

З навантажувальної характеристики слід, що вихідний опір підсилювача:

За умови, що , можна записати: .

Отже, результати визначення вихідного опору, отримані першим та другим способами, однакові.

Оскільки вхідний і вихідний опори схеми з ОЕ можна порівняти, то можливе послідовне включення каскадів підсилювачів з ОЕ при їх задовільному узгодженні. Так, наприклад, для двокаскадного підсилювача з коефіцієнтами посилення К 1 і К 2 і рівністю R Вих1 = R Вх2 отримаємо загальний коефіцієнт посилення підсилювача .

Висновки:

Схема підсилювача напруги (ОЕ) має приблизно рівні вхідний та вихідний опори, що дозволяє узгоджувати по напрузі вхідний опір наступного каскаду з вихідним опором попереднього при їх послідовному включенні в багатокаскадних підсилювачах. Схема з ПРО не дозволяє виконувати таке включення, оскільки . Для послідовного включення каскадів з ПРО між ними необхідно включати каскади, що узгоджують, які будуються за схемою з ОК (див. Розд.2.3).

Коефіцієнти посилення схем з ОЕ та ПРО за напругою K U>>1 (десятки) і відрізняються лише фазовими співвідношеннями j ОЕ= 180 °, j ПРО=0°.

Коефіцієнти посилення струму для схеми з ОЕ ( K I>>1), а для схеми з ПРО ( K I<1). Поскольку коэффициент усиления по мощности K P=K U ×K Iто схема з ОЕ має найбільший коефіцієнт.

Схема підсилювача напруги з ОЕ знаходить ширше застосування в електроніці, проте схема з ПРО, незважаючи на ряд зазначених недоліків, використовується відповідно до своїх переваг. До них слід віднести найбільш високу температурну стабільність та менші нелінійні спотворення (див. Розд. 5).

8 ЧАСТОТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ RC-ПІДСИЛЮВАЧІВ
ЗВУКОВИХ ЧАСТОТ