Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В
Рис. 2.82
Если к выходным клеммам подключается резистор или входные клеммы другого устройства, то часть напряжения источника Uвых падает на внутреннем сопротивлении Rвых. В общем, выходное сопротивление устройства Rвых определяется через отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания, однако практически это не всегда осуществимо. Практический способ измерения выходного сопротивления показан на рис. 2.83, где напряжение холостого хода измеряется вольтметром или осциллографом с высокоомным входом, а затем выходные клеммы шунтируются нагрузкой с известным сопротивлением R.
Рис. 2.83
Если Uх.х. – напряжение холостого хода, а UR – выходное напряжение на нагрузке, то уменьшенное выходное напряжение при подключенной нагрузке непосредственно определяется тем же измерительным прибором и равно U=U–UR, поэтому
Rвых=(R
U)/(U- U).
203
2.7.1. Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения
В большинстве случаев, когда подключаются различные части схемы друг к другу, основным является максимальная степень передачи напряжения, что выполняется при согласовании сопротивлений. Для оптимальной передачи напряжения при соединении двух «блоков» нужно, чтобы Uвх было почти равно Uвых, насколько это возможно.
На рис. 2.84 показано согласование сопротивлений между двумя устройствами.
Рис. 2.84
Напряжение Uвх=(Uвых Rвх)/(Rвых+Rвх), откуда условие равенства напряжений Uвх Uвых выполняется, если Rвх>>Rвых.
Для возможно лучшей передачи напряжения от одной схемы к другой выходное сопротивление первой схемы должно быть много меньше, чем входное сопротивление второй схемы, как пра-
вило, нужно, чтобы Rвх>10Rвых.
При несоблюдении условий согласования наблюдаются, как минимум, потери напряжения. Например, при каскадном соединении двух усилительных каскадов на биполярных транзисторах на связи теряется около 50% напряжения сигнала. Однако, при соединении один за другим каскадов на полевых транзисторах потери сигнала ничтожны, так как, в отличие от биполярных транзисторов, у усилительных каскадов на полевых транзисторах очень большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление.
204
2.7.2. Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности
Хотя, как правило, критерием при согласовании сопротивлений служит максимальная передача напряжения, бывают случаи, когда требуется передать максимум мощности.
Пусть P – мощность, рассеиваемая в сопротивлении Rвх (см.
рис.2.84).
Тогда P=Uвх Iвх=U2вх/Rвх, но Uвх=Uвых (Rвх/(Rвых+Rвх)) (дели-
тель напряжения), поэтому
P=(U2вых R2вх)/(Rвх (Rвых+Rвх)2)=U2вых/(Rвх (1+Rвых/Rвх)2).
Мощность P максимальна, когда знаменатель Rвх (1+Rвых/Rвх)2 принимает минимальное значение.
Величину Rвх можно найти из этого условия, дифференцируя знаменатель по Rвх и приравнивая результат нулю, то есть
d/dRвх[Rвх (1+Rвых/Rвх)2]=0
Производя вычисления, получим
d/dRвх[2Rвых+Rвх+R2вых/Rвх]=0 и 1-R2вых/R2вх=0, т.е. R2вх=R2вых.
Следовательно, максимум мощности передается от источника в нагрузку, когда сопротивление нагрузки равно выходному сопротивлению источника.
2.7.3. Согласование сопротивлений для оптимальной передаче тока .
Для случая согласования сопротивлений при оптимальной передаче тока (см. рис. 2.84) получается, что максимум входного тока Iвх передается в том случае, когда полное сопротивление в цепи делается возможно меньшим. Поэтому при фиксированном Rвых, следует уменьшать Rвх, т.е. получается прямо противоположная ситуация, чем при передаче напряжения.
2.7.4. Согласование сопротивлений для уменьшения шума усилителя.
Шум всегда присутствует в электронных схемах. Физически шум представляет собой случайные флуктуации напряжения, кото-
205
рые можно слышать как шипение в громкоговорителе. Мощность шума, порождаемого схемой, обычно пропорциональна ее ширине полосы частот. Часто мерой «различимости» полезного сигнала на фоне шума служит отношение сигнал/шум, равное отношению мощности сигнала Pс к мощности шума Pш. Обычно его выражают в децибелах 10 lg(Pс/Pш) дБ. Шум и сигнал появляются на выходе вместе и оба «действуют» на одном и том же сопротивлении, поэтому отношение Pс/Pш можно выразить через более удобное отношение эффективных (среднеквадратических) значений сигнала и шума Uс и Uш соответственно: отношение сиг-
нал/шум=10 lg(Uс/Uш)2дБ=20 lg(Uс/Uш)дБ.
Когда речь идет о характеристиках оборудования, нам часто бывает необходимо значение максимального отношения сигнал/шум. Оно получается путем измерения эффективного максимального напряжения сигнала на выходе Uс0(max) и, сравнивая его с эффективным напряжением имеющегося на выходе шума Uш0, получаем, что максимальное значение отношения сигнал/шум равно
20 lg(Uс0(max)/ Uш0)дБ. Для получения разумного значения сигнал/шум обычно необходимо знать выходное сопротивление ис-
точника сигнала.
2.8. Усилители постоянного тока
Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления постоянных по величине, а также медленно меняющихся во времени сигналов.
По способу усиления сигнала различают:
1.УПТ с гальванической связью между каскадами;
2.УПТ на основе балансных и дифференциальных каска-
дов;
3. УПТ с преобразованием.
2.8.1. УПТ с гальванической связью между каскадами
В УПТ с гальванической связью можно использовать только элементы, параметры которых в рабочей полосе частот не зависят от частоты. В таких усилителях нельзя использовать конденсаторы, трансформаторы и дроссели в цепях межкаскадной связи, можно применять только резисторы, проводники и другие частотно независимые элементы. Так как УПТ прямого усиления не содержат
206
разделительных и блокировочных конденсаторов большой емкости, дросселей и трансформаторов, их габаритные размеры могут быть очень малы, такие УПТ обеспечивают требования миниатюризации в гибридных и твердотельных интегральных схемах. Малогабаритные УПТ на базе интегральных схем используются в качестве звуковых, широковещательных, телевизионных систем связи.
В схеме (рис. 2.85) непосредственно на основе межкаскадной гальванической связи напряжение сигнала после усиления предыдущим усилительным элементом поступает по проводнику на вход следующего усилительного каскада. Практически такой способ связи реализовать весьма сложно, т.к. необходимо предотвратить поступление напряжения питания на вход последующего каскада. Это напряжение питания необходимо компенсировать.
Рис. 2.85
Эти требования выполняются уменьшением Rк и увеличением Rэ последующего каскада. Для согласования потенциала коллектора VT1 с потенциалом базы последующего каскада на транзисторе VT2 следует скомпенсировать коллекторное напряжение первого каскада. С этой целью подбирают сопротивление в цепи эмиттера Rэ2 так, чтобы напряжение на эмиттерном резисторе каждого последующего каскада должно компенсировать постоянную составляющую режима покоя предыдущего каскада, т.е. для каждого последующего каскада должно выполняться соотношение
Urэi Uкэi Uбэi 1 Urэi 1.
В схеме транзисторного УПТ с гальванической связью резисторы в цепи эмиттера Rэ1, Rэ2, Rэ3 осуществляют термостабили-
207