М.Х. Джонс - Электроника практический курс, страница 15

Устройство с резистивным (омическим) входным импедансом. 6 эак. 4729. 82 Согласование сопротивлений 5.3 Измерение входного сопротивления теетегуеиее уетветтее л 1 1 1 д, 1 1 1 Рис. 5д Измерение входного сопротивления. Если /и — переменный входной ток (в амперах), то, согласно закону Ома, на резисторе Я падает напряжение, равное Г, — Г = Яу,„вольт. Поэтому т',„= ' ампер. Теперь, 2 = — Ом, и 1е следовательно, ЯГз Я Ом. 1; — Г, Г1/Г, — 1 (5. 2) Если исследуемая схема является усилителем, то часто удобнее всего определять Р; и Г, выполняя измерения на выходе усилителя: Г измеряется при непосредственном подключении генератора ко входу, а Г, — при последовательном включении со входом резисюра Я Поскольку в выражении для У, присутствует только отношение Г /Гн козффиниетп усиления не играет никакой роли.

Предполагается, что при выптьтнении этих измерений напряжение на выходе генератора остается неизменным. Вот очень простой пример: если включение последовательно со входом резистора с сопротивлением 1О кОм вызывает уменьшение напряженна на выходе усилителя наполовину, то Р; /Г, = 2 и к = 1О кОм. Напряжение на входе легко измерить с помошью оспиллографа или вольтметра переменного напряжения. Однако так же легко измерить входной переменный ток нельзя, в частности, в случае, когда входное сопротивление велико. Самый подходяший способ измерения входного сопротивления показан на рис. 5.3. Резистор с известным сопротивлением Я Ом включают между генератором и входом исследуемой схемы.

Затем с помошью оспиллографа или вольтметра переменного напряжения с высокоомным входом измеряются напряжения Г, и Р; по обе стороны резистора Я. Выходное сопротивление 83 5.4 Выходное сопротивление Грубый пример, дающий представление о выходном сопротивлении, такой: свет фар автомобиля чуть тускнеет при работе стартера. Большой ток, потребляемый стартером, вызывает падение напряжения внутри аккумулятора, в результате чего напряжение на его клеммах уменьшается и свет фар становится менее ярким. Это паление напряжения происходит на выеодналр сопротивлении аккумулятора, возможно, более известном как внутреннее сопротивление или сопротивление источника Мы можем расширить это представление, распространив его на все выходные цепи, включая цепи постоянного и переменного тока, у которых всегда имеется определенное выходное сопротивление, соединенное с источником напряжения.

В применимости такого простого описания лаже к самым сложным схемам нас убеждает теорема Тевенина, которая гласит: любую цепь с импедансами и источниками, имеющую две выходные клеммы, можно заменить на последовательно включенные один импеданс и один источник. Здесь под словом «источника нужно понимать идеальный компонент, вырабатывающий напряжение и продолжающий поддерживать это напряжение неизменным даже тогда, когда от него потребляется ток.

Описание выходной цепи на основании теоремы Тевенина показано на рис. 5.4, где У,„, — выходной импеданс, а Р— выходное напряжение холостого хода, то есть напряжение на выходе разомкнутой цепи. Внхопн а ннпрпънр Им« нк н«прп. н Рис. 5.4.

Эквивалентная схема, применимая к любой паре выхолиых клемм в соответствии с теоремой Тевеиииа. Обсуждая вопрос о входном и выходном сопротивлении, уместно обратить внимание на впервые появляющееся понятие: эквивалентная схема. Все схемы на рис. 5.1, 5.2 и 5.4 являются эквивалентными схемами. В них не обязательно отражены реальные компоненты и соединения в рассматриваемых устройствах; эти схемы являются улобным способом представления, который полезен для понимания того, как ведет себя то или иное устройство. Если теперь мы вернемся к рис.

5.4, то увидим, что в случае, когда к выходным клеммам подключается резистор или входные клеммы лругого устройства„часть напряжения источника Р падает на внутреннем импедан- 84 Согласование сопротивлений се л с Обычно выходной импеданс схем имеет резистивный (омический) характер в широком диапазоне частот, и поэтому применима схема, приведенная на рис. 5.5, где Я, — выходное сопротивление. — — — А ! г 1 Ист«АННА Н А»АНАН ВЫХ АННА ЭЭННМЫ Рис. 5.5 Эквивалентная схема с резистивиым (омическим) выходным импелвисом, применимая в болыпиистве случаев. 5.5 Измерение выходного сопротивления Простой метод измерения выходного сопротивления следует из схемы на рис. 5.4.

Если выходные клеммы замкнуть накоротко, измерить текуший при этом ток короткого замыкания Ун (ампер) и учесть, что он совпадает с током, текушим по сопротивлению г.„, в результате приложения к нему напряжения У, то получим: У (5. 3) ~« Напряжение У, поставляемое в схему источником, измеряется на выходных клеммах в режиме «холостого хода», то есть при пренебрежимо малом выходном токе.

Таким образом, выхолное сопротивление легко можно получить как отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания. Рассмотрев этот принципиальный метод определения выходного сопротивления, необходимо сказать, что на этом пути имеются препятствия, присушие измерению выходного тока короткого замыкания в большинстве случаев. Обычно при коротком замыкании нарушаются условия функционирования схемы и нельзя получить достоверные результаты; в отдельных случаях могут выйти из строя те или иные компоненты, не выдержав ненормально большую нагрузку. Простая иллюстрация неприменимости метода короткого замыкания: попробуйте измерить выходное сопротивление сети переменного тока! Несмотря на эти недостатки с практической точки зрения, использование этого метода оправдано при теоретическом выводе выходного сопротивления схемы и в дальнейшем он применяется в этой главе.

Практический способ измерения выхолного сопротивления показан на Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения 85 рис. 5.6. Здесь выходное напряжение холостого хода измеряется вольтметром или осциллографом с высокоомным входом, а затем выходные клеммы шунтируются нагрузкой с известным сопротивлением Я Ом.

Уменьшенное выходное напряжение при подключенной нагрузке непосредственно определяется тем же измерительным прибором. Значение У,м можно вычислить как отношение величины, на которую упало напряжение, к выходному току, ! Г 1 ! ! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рис. 5.б. Измерение выходного сопротивления с использованием шуитирую- шего резистора. Если )г — это выходное напряжение холостого хода, аг — выходное напряжение на нагрузке Я, то падение напряжения на л, при наличии нагрузки= à — Г вольт, и выходной ток при наличии нагрузки = — ампер, поэтому Я 4='~ Π— Ом. )г (5.4) 5.6 Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения В большинстве электронных схем мы имеем дело с сигначами, являюшимися напряжениями.

Мы уже рассмотрели некоторые усилители напряжения; с помошью универсального измерительного прибора, каковым является осциллограф, определяют напряжение сигнала; чувствительность микрофонов и звукоснимателей выражают в терминах выходного напряжения. Даже так называемые «усилители мошности» лучше всего рассматривать как специачьные усилители напряжения, способные отдавать большой ток на выходе. Следовательно, в большинстве случаев, когда мы подключаем одну часть схемы к другой, мы хотим в максимальной степени передать напряжение В 86 Согласование сопротивлений этом и состоит требование максииальной передачи напряжения, обычно выполняющееся при согласовании сопротивлений.

С точки зрения этого критерия в согласовании сопротивлений нет никакой проблемы. На рис. 5.7 показаны два «блока», соединенные друг с другом: для оптимальной передачи напряжения нужно, чтобы У было почти равно У, насколько это возможно. Напряжение Р', равно: УЛм Уь = Х,м .р 2,„ Ум м У, если 2 » У,„, Нагрузка (маари»ар, ахал Зсилитслл( Источник сигнала ( ирки р, «икр ф н! Рис. 5.7. Илл(остранил согласования сопротивлений между двумя устройства- ми.

Другими словами, для возможно лучшей передачи напряжения от одной схемы к другой выходное сопротивление первой схемы должно быль много меньше, чем входное сопротивление второй схемы; как правило, нужно, чтобы 7 > !07,, Именно по этой причине применяемые для тестирования приборы, такие как генератор, проектируются с малым выходным сопротивлением (типичное значение < 100 Ом).

С другой стороны, осциллограф, предназначенный для наблюдения напряжений в испытываемой схеме, делается с большим входным сопротивлением (типичное значение > 1 МОм). Если условия оптимального согласования сопротивлений не соблюдаются и сигнал поступает на вход схемы с входным сопротивлением, сравнимым с выходным сопротивлением источника, то в самом общем случае будут происходить просто потери напряжения. Такая ситуация возникает, когда два усилительных каскада на биполярных транзисторах, подобные изображенному на рис, 1.19, соединены один вслед за другим (каскадно).

Как входное, так и выходное сопротивление у такого каскада на биполярном транзисторе одного порядка (обычно несколько тысяч ом, см. параграф б.З), и это значит, что около 50% напряжения сигнала теряется на связи между Г 1 1 ! 7«„ 1 ! 1 У 1 1 1 Г ) 1 1 1 7 ! ! Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности 87 каскадами. С другой стороны, усилитель на полевом транзисторе (см. рис. 2.7) много лучше с точки зрения согласования сопротивлений: у него очень большое входное сопротивление и среднее по величине выходное сопротивление; при соединении таких каскадов один за другим потери сигнала ничтожно мазы. Имеются один или два случая, когда согласование сопротивлений нуждается в особом внимании, так как слишком малое сопротивление нагрузки влияет не только на коэффипиент усиления напряжения, но также и на частотную характеристику.

Это происходит, когда выходной импеданс источника не является чисто резистивным, а наоборот, представляет собой реактивное сопротивление, и поэтому частотная характеристика изменяется. Простым примером служит конденсаторный микрофон, у которого выходной импеданс выражается не в омах, а в пикофарадах, с типичным значением в районе 50 пФ.