Определение выходного сопротивления усилителя. Входное и выходное сопротивления усилителя (БТ, BJT) Как определить выходное сопротивление кв усилителя
Высоколинейный УМЗЧ с большим выходным сопротивлением
А. ОРЛОВ, г. Иркутск
Автором предложен интересный вариант усилителя мощности с высоким выходным сопротивлением. Его особенность - в использовании комбинации цепей отрицательной обратной связи. Применение определённых типов транзисторов способствовало минимизации нелинейных искажений. Это подтверждено и многочастотным методом измерения интермодуляционных искажений, совпадающим с субъективными оценками разрешения. Ограничения в выборе АС для работы с таким усилителем неоднократно обсуждались на страницах журнала - проблемы устраняют правильным выбором кроссовера, динамических головок и их акустического оформления.
В настоящее время усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) подразделяются по выходному сопротивлению: с низким выходным сопротивлением и УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением. С точки зрения теории электрических цепей УМЗЧ первого типа - источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), а УМЗЧ второго типа - источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Преимущества и недостатки каждого из них достаточно подробно освещены как в печатных изданиях, так и в Интернете, и далее здесь рассматриваться не будут. Следует отметить, что автор предлагаемого УМЗЧ является сторонником именно "токового" способа управления динамическими головками громкоговорителя [ 1 ], и далее речь пойдёт в основном об усилителях с высоким выходным сопротивлением (УМ-ИТ).
Известен УМЗЧ с "плавающим" источником питания (непосредственно не соединённым с общим проводом усилителя), в котором к выходу ОУ подключён выходной каскад на биполярных транзисторах, включённых по схеме с общим эмиттером . В отличие от классического выходного каскада на транзисторах, включённых по схеме с общим коллектором, такой каскад обладает усилением по напряжению. Такая архитектура УМЗЧ и легла в основу предлагаемого усилителя, поскольку позволяет простыми средствами реализовать УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением и необходимым коэффициентом усиления по напряжению. Фактически это мощный генератор тока с транзисторами в режиме класса АВ с большим током покоя, выполненный на основе усилителя и предназначенный для работы на широкополосный громкоговоритель либо акустическую систему с фильтрами, рассчитанными под высокое выходное сопротивление. Применённые в УМ-ИТ схемные решения позволили заметно снизить входную и выходную нелинейность и получить малые нелинейные искажения без применения цепи общей отрицательной обратной связи (ООС). Отличительной особенностью предлагаемого усилителя является использование в выходном каскаде каскодного включения мощных транзисторов (ОЭ-ОБ), что позволило получить высокую линейность, быстродействие и большое выходное сопротивление. Однако, как будет показано ниже, такая архитектура легко трансформируется в классический УМЗЧ с низким выходным сопротивлением. Если же говорить про субъективные оценки качества, то достигнуто весьма прозрачное звучание воспроизводимой музыки, и эта конструкция просто "отправила" предыдущие авторские проекты на разборку.
Обычно современный источник звукового сигнала имеет отличное от нуля выходное сопротивление, и если оно относительно велико, то классический "параллельный" повторитель вносит так называемые "интерфейсные" искажения. На рис. 1 показана упрощённая схема ИТУН, в котором такой вид искажений практически полностью устранён.
На транзисторах VT1-VT6 и резисторах R5, R6 выполнен параллельный повторитель (ПП), в котором входной каскад реализован по схеме Шиклаи (Sziklai) на транзисторах VT1-VT4, что позволило существенно снизить входную нелинейность в зависимости от выходного сопротивления источника сигнала . Для стабилизации рабочей точки транзисторов ПП применено токовое смещение, реализованное на основе плавающего источника напряжения G1 и резисторах R5, R6.
В отличие от УМЗЧ , где использовано смещение напряжением (так называемая "батарейка"), смещение током позволяет повысить надёжность работы без принятия специальных мер по обеспечению термостабилизации транзисторов ПП. Мощные транзисторы VT7, VT8, как уже упоминалось, включены по схеме с общей базой, что в совокупности с плавающим источником питания (G2, G3) обеспечивает широкую полосу пропускания и высокое выходное сопротивление (десятки и сотни килоом). Поскольку напряжение на коллекторах транзисторов VT5, VT6 строго фиксировано напряжениями на эмиттерах транзисторов VT7, VT8, то такой каскад при монтаже транзисторов на общем теплоотводе не подвержен эффекту саморазогрева, даже в отсутствие эмиттерных резисторов. Реальные эксперименты с увеличением тока покоя каскада до 3...4 А подтверждают надёжность такого способа смещения.
Отдельно следует сказать про необычное включение конденсаторов С1 и С2, ведь с первого взгляда можно посчитать это классической "вольтдобав-кой", но это не так. Конденсаторы С1, С2, будучи включёнными между низко-импедансными узлами - эмиттерами VT5, VT6 и эмиттерами VT1, VT2, для сигнала исключают местную токовую ОС и одновременно обеспечивают обратную связь по вычитанию искажений (ОСВИ). Введение этих конденсаторов приводит к возрастанию выходного напряжения на 0,5...0,7 дБ и снижению нелинейных искажений на выходе УМ-ИТ на 20...30 дБ, причём подобного применения такой "гибридной" отрицательной ОС автору ранее встречать не доводилось. Конденсатор СЗ дополнительно стабилизирует напряжение между базами транзисторов VT5, VT6 в динамическом режиме.
К недостаткам архитектуры УМЗЧ на рис. 1 следует отнести несколько худший КПД. Это связано с тем, что эмиттеры транзисторов VT3, VT4 подключены перекрёстно к эмиттерам транзисторов VT8, VT7 и ток покоя транзисторов VT7, VT8 превышает ток покоя
транзисторов VT5, VT6 на эмиттерный ток транзисторов VT3, VT4. Этот ток зависит от выбора номиналов резисторов R1, R2 и R5, R6, и такое ветвление тока приводит к снижению КПД каскада и большему нагреву мощных транзисторов VT7, VT8, что увеличивает требования к охлаждению УМЗЧ. Ток покоя зависит от сопротивления резисторов R1-R4 и напряжения источника G1 и может регулироваться в довольно широких пределах.
На рис. 2 показан способ трансформации УМ-ИТ в УМЗЧ с низким выходным сопротивлением.
Здесь использовано плавающее подключение нагрузки RH, и её "холодный" вывод подключён к точке соединения эмиттеров VT5, VT6, а коэффициент усиления УМЗЧ по напряжению задан отношением резисторов: Ку = ROC2/Roci .
Основные
Технические характеристики УМ
Номинальное входное напряжение, В 2,3
Номинальная выходная мощность, Вт, на нагрузке 8 0м... .20,5
Максимальная выходная мощность, Вт, на нагрузке
Коэффициент усиления по
Напряжению, дБ 18
Полоса усиления, Гц 0,1...3-105
Входное сопротивление,
Нелинейные искажения, %, при уровне -1 дБ от ограничения 0,0055
Интермодуляционные искажения, %, при уровне
2 дБ от ограничения 0,0033
Отношение сигнал/шум, дБ,
Не хуже 100
Полная схема УМ-ИТ представлена на рис. 3.
Во входном каскаде (VT1, VT2) применены комплементарные пары биполярных транзисторов Hitachi 2SB647 и 2SD667, а в качестве транзисторов VT3-VT8 - приборы Motorola MJE15030 и MJE15031, MJL21193 и MJL21194. На элементах Т1, VD1-VD4, DA1, R1-R3,
+26 В
С1 -С8 и R10, R11 собран источник токового смещения, формирующий необходимое для работы транзисторов постоянное напряжение 6,5 В, которое можно регулировать резистором R2. Входной сигнал подаётся через цепь защиты от помех R4R5C9 на базы транзисторов VT1, VT2. Сопротивление резистора R9 намеренно уменьшено в два раза по сравнению с сопротивлением резистора R8, что позволило снизить нелинейные искажения усилителя в режиме большого сигнала.
Поскольку падение напряжения между эмиттерами транзисторов VT5,
VT6 и эмиттерами транзисторов VT1, VT2 не превышает 600 мВ, а приложенное к конденсатору С12 напряжение не превышает 1300 мВ, то в качестве С12- С14 были использованы низковольтные (на 4,5 В) сверхъёмкие конденсаторы "Supercap" от компании AVX - BZ054B223ZSBAE . Конденсаторы СЮ, С11, С15 и дроссель L1 повышают устойчивость усилителя и снижают требования к качеству монтажа конструкции.
Дроссель L1 желательно выполнить на замкнутом магнитопроводе или с магнитным экранированием, а его ак-
тивное сопротивление не должно быть более 0,1 Ом. На элементах ТЗ, VD6- VD9, R14, С18-С24 выполнен плавающий источник питания с так называемой "виртуальной" средней точкой (элементы С16, С17, VT9, VT10, VD5, R12, R13). Данное решение заимствовано из схемотехники транзисторных усилителей QUAD и позволяет отказаться от системы защиты АС, к тому же, по мнению автора, с УМЗЧ и "виртуальной" средней точкой звучание лучше. В то же время УМ-ИТ может работать также и от классического источника питания.
С помощью подстроечного резистора R13 балансируют усилитель по постоянному току, добиваясь равенства напряжения коллекторов транзисторов VT7, VT8 относительно общего провода УМЗЧ. В цепях питания плёночные конденсаторы отсутствуют, при этом усилитель сохраняет хорошую устойчивость. Ток покоя транзисторов оконечного каскада VT7, VT8 составляет 800 мА и для охлаждения теплоотводов применены компьютерные вентиляторы (на 12 В), которые для снижения числа оборотов вращения запитаны через интегральные стабилизаторы на микросхемах 7809 (на схеме не показаны). Для защиты от помех, проникающих со стороны блока питания, служит синфазный фильтр, выполненный на трансформаторе Т2; его обмотки намотаны на ферритовом кольце М2000НМ (или близком аналоге, например N87) с внешним диаметром 28...40 мм и содержат по 18 витков провода диаметром 1 мм.
На фото рис. 4 представлен монтаж элементов УМЗЧ, выполненный навесным способом без применения печатных плат. Все транзисторы усилителя расположены на общем теплоотводе рядом друг с другом, благодаря чему и достигается хорошая температурная стабильность. Мощные транзисторы VT7, VT8 прикреплены к теплоотводу через изолирующие прокладки из оксида алюминия и прикрыты сверху медной пластиной-экраном; эта мера позволяет несколько снизить уровень излучения выходного каскада.
Медная пластина закрыта текстолитовой пластиной толщиной 1,5 мм, поверх которой приклеены оксидные конденсаторы С16, С17. Транзисторы VT3-VT8 крепят на теплоотвод также через изолирующие керамические прокладки. Транзисторы VT1, VT2 через термопасту закреплены поверх транзисторов VT3, VT4. В качестве датчика тока Rc применён мощный толстоплёночный резистор Caddock МР930, который крепится на том же теплоотводе, что и транзисторы VT1-VT6. Конструкция усилителя в сборе со снятой верхней крышкой показана на фото рис. 5.
В УМЗЧ использованы хорошо зарекомендовавшие в звуковых устройствах оксидные конденсаторы Panasonic FC (С6), ELNA Silmic II (С7), Rubycon Black Gate FK (C8), Nichicon KG (C16, C17) и
Nippon Chemi-Con KMG (C18, C19). Bee плёночные конденсаторы - полипропиленовые: Wima FKP2 (C9-С11, С15) и Rita РНЕ426 (С1-С5, С20-С24). Резисторы - Vishay Dale (R5- R8, R10, R11), Caddock MP930 (RC), Firstronics RM (R3, R4, R9, R12), Phoenix Passive Components PR01 (R1, R14) и Bourns 3299W (R2, R13).
Каждый канал усилителя питается от отдельных сетевых трансформаторов Т1 и ТЗ. Поскольку использовано "плавающее" питание, желательно применять трансформаторы с минимальной ёмкостью между сетевой и вторичной обмотками. Широко используемые в аудиотехнике трансформаторы с кольцевым магнитопроводом из-за повышенной межобмоточной ёмкости здесь применять не следует. В качестве Т1 и ТЗ автором были использованы изделия от фирмы Pro-Power. В этих трансформаторах первичная и вторичная обмотки пространственно разнесены, а
Рис. 5
реально измеренная ёмкость между ними не превышает 18...28 пФ.
В ходе многочисленных экспериментов с различными активными элементами были опробованы некоторые типы транзисторов и проверялись следующие элементы в парах (см. рис. 3).
Транзисторы VT1, VT2 - 2SA970 и 2SC2240; 2SA1015 и 2SC1815; 2SA1145 и 2SC2705; ВС550 и ВС560; 2SA1360 и 2SC3423; 2SA1370 и 2SC3467; 2SA1380 и 2SC3502; 2SB649A и 2SD669A;
КТА1024 и КТС3206; КТА1268 и
КТС3200; 2N5401 и 2N5551; MJE340 и MJE350; ВС639 и ВС640; 2SB647 и 2SD667.
Транзисторы VT3, VT4 - 2SA1930 и 2SC5171; 2SB649A и 2SD669A;
Транзисторы VT5, VT6 - 2SB817 и 2SD1047; MJL21193 и MJL21194;
MJE15030 и MJE15031; BD911 и BD912.
Однако лучшим по результатам измерений, как и по звучанию, оказался именно комплект, указанный на схеме рис. 3. Следует отметить, что приемлемой альтернативы транзисторным парам 2SB647, 2SD667 и MJE15030, MJE15031 в этом усилителе автор, похоже, не нашёл. Различные варианты их замены какими-либо из выше перечисленных транзисторов заканчивались всегда увеличением нелинейных искажений в десять и более раз. Возможна замена транзисторов MJE15030, MJE15031 парой MJE15028, MJE15029, так как они лишь немного отличаются уровнем легирования коллекторного слоя. В качестве мощных транзисторов VT7, VT8 можно применить практически любые современные мощные комплементарные биполярные транзисторы, такие как 2SA1943 и 2SC5200, MJL1302A и MJL3281 A, MJL21195 и MJL21196, NJW0302 и NJW0281, NJW1302 и NJW3281.
При измерении нелинейных искажений УМ-ИТ использован эквивалент нагрузки сопротивлением 8 Ом, который представляет собой соединённые последовательно резистор 7,5 Ом (набор резисторов МЛТ-2, включённых параллельно) и измерительный резистор 0,5 Ом Caddock МР930. С этого резистора измерительный сигнал подавался на вход звуковой карты Echo MiaMIDI, а эквивалент нагрузки при этом подключался к выходу усилителя через коаксиальный кабель длиной 1 м. На рис. 6 показан спектр сигнала частотой 1 кГц, напряжением 10 В на выходе усилителя при сопротивлении нагрузки 8 Ом и напряжении питания УМЗЧ 2x26 В. Из рис. 6 видно, что быстро спадающий спектр усилителя не содержит высших гармоник.
На рис. 7 представлен спектр сигнала на выходе УМ-ИТ, снятый при уровне выходного сигнала -1 дБ от ограничения.
На рис. 8 представлен спектр сигнала на выходе УМ-ИТ, который был снят на двухчастотном сигнале 19 и 20 кГц. Размах выходного напряжения комплексного сигнала составляет 30 В на нагрузке 8 Ом.
На рис. 9 представлен спектр сигнала на выходе УМ-ИТ, который был снят на многотональном сигнале по методу измерения реального разрешения усилителя . Сам сигнал представлял собой смесь из 16 частот в интервале 16,352...28160 Гц, выбранных таким образом, чтобы не маскировались нижние гармоники и кросс-частоты. Коэффициент амплитуды каждой из частот был выбран -20 дБ. Размах выходного напряжения комплексного сигнала составлял 30 В на нагрузке 8 Ом.
Описываемый здесь усилитель используется автором совместно с четырёхполосной АС. Головки НЧ ("midbass"), СЧ и ВЧ питаются от данного УМ-ИТ через кроссовер с фильтрами последовательного типа, рассчитанными на источник сигнала с бесконечно большим выходным сопротивлением. На самых низких частотах (в четвёртой полосе АС) применена электроакустическая обратная связь с отдельными мостовыми УМЗЧ.
УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением не очень популярен у любителей высококачественного звуковоспроизведения, так как накладывает сильные ограничения на типы применяемых АС: это либо широкополосный громкоговоритель, либо самодельная многополосная экзотика со сведением под источник тока.
Обычно вопросу согласования сопротивлений уделяют недостаточно внимания. Цель этого раздела состоит в том, чтобы описать в общих чертах принципы и практику согласования сопротивлений.
Входное сопротивление.У любого электрического устройства, для работы которого требуется сигнал, имеется входное сопротивление. Точно так же, как и любое другое сопротивление (в частности, сопротивление в цепях постоянного тока), входное сопротивление устройства есть мера тока, текущего по входной цепи, когда ко входу приложено определенное напряжение.
Например, входное сопротивление 12-вольтовой осветительной лампы, потребляющей 0,5 А, равно 12/0,5 = 24 Ом. Лампа является простым примером сопротивления, так как нам известно, что в ней нет ничего, кроме нити накаливания. С этой точки зрения входное сопротивление такой схемы, как усилитель на биполярном транзисторе, может казаться чем-то более сложным. На первый взгляд, наличие в схеме конденсаторов, резисторов и полупроводниковых p-n переходов делает определение входного сопротивления трудным. Однако любую входную цепь, какой бы сложной она не была, можно представить в виде простого импеданса, как это сделано на рис.2.18. Если UВХ - напряжение переменного входного сигнала, а IВХ - переменный ток, текущий по входной цепи, то входной импеданс равен ZВХ = UВХ/ IВХ[Ом].
У большинства схем входной импеданс имеет резистивный (омический) характер в широком диапазоне частот, в пределах которого сдвиг по фазе между входным напряжением и входным током пренебрежимо мал. В этом случае входная цепь выглядит так, как показано на рис. 2.19, справедлив закон Ома и нет необходимости в алгебре комплексных чисел и в векторных диаграммах, применяемых к цепям с реактивными элементами.
Рис.2.18. Схема с парой входных клемм, иллюстрирующая понятие входного импедансаZВХ
Важно отметить, однако, что из омического характера входного импеданса не обязательно следует возможность его измерения на постоянном токе; на пути входного сигнала могут находиться реактивные компоненты (например, разделительный конденсатор), которые несущественны в отношении переменного сигнала на средних частотах, но не позволяют проводить измерения во входной цели на постоянном токе. Исходя из сказанного, при дальнейшем рассмотрении будем считать, что импеданс носит чисто омический характер и Z=R.
Измерение входного сопротивления. Напряжение на входе легко измерить с помощью осциллографа или вольтметра переменного напряжения. Однако так же легко измерить переменный ток нельзя, в частности, в случае, когда входное сопротивление велико. Самый подходящий способ измерения входного сопротивления показан на рис.2.19.
Рис.2.19. Измерение входного сопротивления
Резистор с известным сопротивлением R включают между генератором и входом исследуемой схемы. Затем с помощью осциллографа или вольтметра переменного напряжения с высокоомным входом измеряются напряжения U1 и U2по обе стороны резистора R. Если IВХ - переменный входной ток, то, согласно закону Ома, на резисторе падает напряжение, равное U1 - U2 = RIВХ. Отсюда I ВХ = (U1 - U2)/R, R ВХ = U2 / R. Следовательно 
Если исследуемая схема является усилителем, то часто удобнее всего определять U1 и U2, выполняя измерения на выходе усилителя: U1измеряется при непосредственном подключении генератора ко входу, а U2 - при последовательном включении со входом резистора R. Поскольку в выражении для RВХ присутствует только отношение U1/U2, коэффициент усиления не играет никакой роли. Предполагается, что при выполнении этих измерений напряжение на выходе генератора остается неизменным. Вот очень простой пример: если включение последовательно со входом резистора с сопротивлением 10 кОм вызывает уменьшение напряжения на выходе усилителя наполовину, то U1 /U2 = 2 и RВХ = 10 кОм.
Выходное сопротивление. 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 падение напряжения происходит на выходном сопротивлении аккумулятора, возможно, более известном как внутреннее сопротивление или сопротивление источника.
Расширим 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 даже к самым сложным схемам убеждает правило, говорящее о том, что любую цепь с сопротивлениями и источниками, имеющую две выходные клеммы, можно заменить на последовательно включенные одно сопротивление и один источник. Здесь под словом «источник» нужно понимать идеальный компонент, вырабатывающий напряжение и продолжающий поддерживать это напряжение неизменным даже тогда, когда от него потребляется ток. Описание выходной цепи показано на рис. 2.20, где RВЫХ - выходной импеданс, а U - выходное напряжение холостого хода, то есть напряжение на выходе разомкнутой цепи.
Рис.2.20. Эквивалентная схема выходной цепи
Обсуждая вопрос о входном и выходном сопротивлении, уместно обратить внимание на впервые появляющееся понятие: эквивалентная схема. Все схемы на рис. 2.18, 2.19 и 2.20 являются эквивалентными схемами. В них не обязательно отражены реальные компоненты и соединения в рассматриваемых устройствах; эти схемы являются удобным способом представления, который полезен для понимания того, как ведет себя то или иное устройство.
Рис. 2.20, показывает, что в случае, когда к выходным клеммам подключается резистор или входные клеммы другого устройства, часть напряжения источника U падает на внутреннем сопротивлении источника.
Измерение выходного сопротивления. Простой метод измерения выходного сопротивления следует из схемы на рис.2.20. Если выходные клеммы замкнуть накоротко, изменить текущий при этом ток короткого замыкания IКЗ и учесть, что он совпадает с током, текущим по сопротивлению RВЫХ в результате приложения к нему напряжения U, то получим: RВЫХ = U/IКЗ. Напряжение U, поставляемое в схему источником, измеряется на выходных клеммах в режиме «холостого хода», то есть при пренебрежимо малом выходном токе. Таким образом, выходное 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, присущие 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 выходного сопротивления показан на рис.2.21. Здесь выходное напряжение холостого хода измеряется вольтметром или осциллографом с высокоомным входом, а затем выходные клеммы шунтируются нагрузкой с известным сопротивлением R. Уменьшенное выходное напряжение при подключенной нагрузке непосредственно определяется тем же измерительным прибором. Значение RВЫХ можно вычислить как отношение величины, на которую упало напряжение, к выходному току. 
Рис.2.21. Измерение выходного сопротивления с использованием шунтирующего резистора
Если U - это выходное напряжение холостого хода, а U1- выходное напряжение на нагрузке R, то падение напряжения на RВЫХпри наличии нагрузки равно U- U1, выходной ток при наличии нагрузки равен U1/R, поэтому RВЫХ= R(U - U1) /U1 Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения. В большинстве электронных схем рассматриваются сигналы, являющиеся напряжениями. В большинстве случаев, когда подключается одна часть схемы к другой, необходимо в максимальной степени передать напряжение при минимуме потерь. В этом и состоит требование максимальной передачи напряжения, обычно выполняющееся при согласовании сопротивлений. Рассмотрим с учетом этого критерия принцип согласования сопротивлений.
На рис.2.22 показаны два блока, соединенные друг с другом: для оптимальной передачи напряжения нужно, чтобы UВХ было почти равно U, насколько это возможно. Напряжение UВХ равно: UВХ = URВХ / RВЫХ + RВХ и UВХ≈U, RВХ >> RВЫХ
Рис.2.22. Иллюстрация согласования сопротивлений между двумя устройствами
Другими словами, для возможно лучшей передачи напряжения от одной схемы к другой выходное сопротивление первой схемы должно быть много меньше, чем входное сопротивление второй схемы; как правило, нужно, чтобы RВХ> 10RВЫХ. 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).
Рис.2.23. Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки
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. 11.5, соединены один вслед за другим (каскадно). Как входное, так и выходное сопротивление у такого каскада на биполярном транзисторе одного порядка (обычно несколько тысяч Ом), и это значит, что около 50% напряжения сигнала теряется на связи между каскадами. С другой стороны, усилитель на полевом транзисторе (рис.11.13) 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 малы.
Имеются один или два случая, когда согласование сопротивлений нуждается в особом внимании, так как слишком малое сопротивление нагрузки влияет не только на коэффициент 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. Для хорошего воспроизведения низких частот нужно, чтобы входное сопротивление усилителя было большим по сравнению с реактивным сопротивлением емкости 50 пФ на частотах вплоть до 20 Гц. Практически для этого требуется, чтобы входное сопротивление было порядка 200 МОм, что обычно обеспечивается усилителем на полевом транзисторе, смонтированным в корпусе микрофона.
Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности. Хотя, как правило, критерием при согласовании сопротивлений служит максимальный перенос напряжения, бывают случаи, когда требуется передать максимум мощности. Не приводя математических расчетов, сообщим, что для схемы 2.22 максимум мощности в RВХдостигается при RВХ = RВЫХ. Этот результат известен как теорема о максимальной мощности: максимум мощности передается от источника в нагрузку, когда сопротивление нагрузки равно выходному сопротивление источника. Эта теорема справедлива не только для резистивных компонентов, но и для комплексных компонентов ZВХ и ZВЫХ. В этом случае требуется, чтобы помимо условия RВХ = RВЫХ, выполнялось также условие XВХ = -XВЫХ, то есть при емкостном характере одного импеданса другой импеданс должен иметь индуктивный характер.
Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока. Иногда требуется согласование сопротивлений, обеспечивающее максимальный ток во входной цепи. Обращаясь снова к рис. 2.22, можно увидеть, что максимум входного тока IВХ достигается в том случае, когда полное сопротивление в цепи выбирается возможно меньшим. Поэтому, при фиксированном RВЫХ следует стремиться к возможно меньшему значению RВХ. Эта довольно нестандартная ситуация прямо противоположна обычному случаю, когда требуется передавать напряжение.
Входное и выходное сопротивление является очень важным в электронике.
Ладно, начнем издалека… Как вы знаете, все электронные устройства состоят из блоков. Их еще часто называют каскады, модули, узлы и тд. В нашей статье будем использовать понятие “блок”. Например, источник питания, собранный по этой схеме:
состоит из двух блоков. Я их пометил в красном и зеленом прямоугольниках.
В красном блоке мы получаем постоянное напряжение , а в зеленом блоке мы его стабилизируем. То есть блочная схема будет такой:
Блочная схема – это условное деление. В этом примере мы могли бы даже взять трансформатор , как отдельный блок, который понижает переменное напряжение одного номинала к другому. Как нам удобнее, так и делим на блоки нашу электронную безделушку. Метод “от простого к сложному” полностью работает в нашем мире. На низшем уровне находятся радиоэлементы, на высшем – готовое устройство, например, телевизор.
Ладно, что-то отвлеклись. Как вы поняли, любое устройство состоит из блоков, которые выполняют определенную функцию.
– Ага! Так что же получается? Я могу просто тупо взять готовые блоки и изобрести любое электронное устройство, которое мне придет в голову?
Да! Именно на это нацелена сейчас современная электроника;-) Микроконтроллеры и конструкторы, типа Arduino , добавляют еще больше гибкости в творческие начинания молодых изобретателей.
На словах все выходит прекрасно, но всегда есть подводные камни, которые следует изучить, чтобы начать проектировать электронные устройства. Некоторые из этих камушков называются входным и выходным сопротивлением .
Думаю, все помнят, что такое сопротивление и что такое . Резистор хоть и обладает сопротивлением, но это активное сопротивление . Катушка индуктивности и конденсатор будут уже обладать, так называемым, реактивным сопротивлением . Но что такое ? Это уже что-то новенькое. Если прислушаться к этим фразам, то входное сопротивление – это сопротивление какого-то входа, а выходное – сопротивление какого-либо выхода. Ну да, все почти так и есть. И где же нам найти в схеме эти входные и выходные сопротивления ? А вот “прячутся” они в самих блоках радиоэлектронных устройств.
Входное сопротивление
Итак, имеем какой-либо блок. Как принято во всем мире, слева – это вход блока, справа – выход.
Как и полагается, этот блок используется в каком-нибудь радиоэлектронном устройстве и выполняет какую-либо функцию. Значит, на его вход будет подаваться какое-то входное напряжение U вх от другого блока или от источника питания, а на его выходе появится напряжение U вых (или не появится, если блок является конечным).
Но раз уж мы подаем напряжение на вход (входное напряжение U вх ), следовательно, у нас этот блок будет кушать какую-то силу тока I вх.
Теперь самое интересное… От чего зависит I вх ? Вообще, от чего зависит сила тока в цепи? Вспоминаем закон Ома для участка цепи :
Значит, сила тока у нас зависит от напряжения и от сопротивления. Предположим, что напряжение у нас не меняется, следовательно, сила тока в цепи будет зависеть от… СОПРОТИВЛЕНИЯ. Но где нам его найти? А прячется оно в самом каскаде и называется входным сопротивлением .
То есть, разобрав такой блок, внутри него мы можем найти этот резистор? Конечно же нет). Он является своего рода сопротивлением радиоэлементов, соединенных по схеме этого блока. Скажем так, совокупное сопротивление.
Как измерить входное сопротивление
Как мы знаем, на каждый блок подается какой-либо сигнал от предыдущего блока или это может быть даже питание от сети или батареи. Что нам остается сделать?
1)Замерить напряжение U вх, подаваемое на этот блок
2)Замерить силу тока I вх, которую потребляет наш блок
3) По закону Ома найти входное сопротивление R вх.
Если у вас входное сопротивление получается очень большое, чтобы замерить его как можно точнее, используют вот такую схему.
Мы с вами знаем, что если входное сопротивление у нас большое, то входная сила тока в цепи у нас будет очень маленькая (из закона Ома).
Падение напряжения на резисторе R обозначим, как U R
Из всего этого получаем…
Когда мы проводим эти измерения, имейте ввиду, что напряжение на выходе генератора не должно меняться!
Итак, давайте посчитаем, какой же резистор нам необходимо подобрать, чтобы как можно точнее замерять это входное сопротивление. Допустим, что у нас входное сопротивление R вх =1 МегаОм , а резистор взяли R=1 КилоОм . Пусть генератор выдает постоянное напряжение U=10 Вольт . В результате, у нас получается цепь с двумя сопротивлениями. Правило делителя напряжения гласит: сумма падений напряжений на всех сопротивлениях в цепи равняется ЭДС генератора.
В результате получается цепь:
Высчитываем силу тока в цепи в Амперах
Получается, что падение напряжения на сопротивлении R в Вольтах будет:
Грубо говоря 0,01 Вольт. Вряд ли вы сможете точно замерить такое маленькое напряжение на своем китайском .
Какой отсюда вывод? Для более точного измерения высокого входного сопротивления надо брать добавочное сопротивление также очень большого номинала. В этом случае работает правило шунта : на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, и наоборот, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение.
Измерение входного сопротивления на практике
Ну все, запарка прошла;-). Давайте теперь на практике попробуем замерить входное сопротивление какого-либо устройства. Мой взгляд сразу упал на Транзистор-метр . Итак, выставляем на блоке питания рабочее напряжение этого транзистор-метра, то есть 9 Вольт, и во включенном состоянии замеряем потребляемую силу тока. Как замерить силу тока в цепи, читаем в этой статье. По схеме все это будет выглядеть вот так:
А на деле вот так:
Итак, у нас получилось 22,5 миллиАмпер.
Теперь, зная значение потребляемого тока, можно найти по этой формуле входное сопротивление:
Получаем:
Выходное сопротивление
Яркий пример выходного сопротивления – это закон Ома для полной цепи , в котором есть так называемое “внутреннее сопротивление”. Кому лень читать про этот закон, вкратце рассмотрим его здесь.
Что мы имели? У нас был автомобильный аккумулятор, с помощью которого мы поджигали галогенную лампочку. Перед тем, как цеплять лампочку, мы замеряли напряжение на клеммах аккумулятора:
И как только подсоединяли лампочку, у нас напряжение на аккумуляторе становилось меньше.
Разница напряжения, то есть 0,3 Вольта (12,09-11,79) у нас падало на так называемом внутреннем сопротивлении r ;-) Оно же и есть ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ . Его также называют еще сопротивлением источника или эквивалентным сопротивлением .
У всех аккумуляторов есть это внутреннее сопротивление r , и “цепляется” оно последовательно с источником ЭДС (Е ).
Но только ли аккумуляторы и различные батарейки обладают выходным сопротивлением? Не только. Выходным сопротивлением обладают все источники питания. Это может быть блок питания , генератор частоты , либо вообще какой-нибудь усилитель.
В теореме Тевенина (короче, умный мужик такой был) говорилось, что любую цепь, которая имеет две клеммы и содержит в себе туеву кучу различных источников ЭДС и резисторов разного номинала можно привести тупо к источнику ЭДС с каким-то значением напряжения (E эквивалентное ) и с каким-то внутренним сопротивлением (R эквивалентное ).
E экв – эквивалентный источник ЭДС
R экв – эквивалентное сопротивление
То есть получается, если какой-либо источник напряжения питает нагрузку, значит, в источнике напряжения есть ЭДС и эквивалентное сопротивление, оно же .
В режиме холостого хода (то есть, когда к выходным клеммам не подцеплена нагрузка) с помощью мультиметра мы можем замерить ЭДС (E ). С замером ЭДС вроде бы понятно, но вот как замерить R вых ?
В принципе, можно устроить короткое замыкание . То есть замкнуть выходные клеммы толстым медным проводом, по которому у нас будет течь ток короткого замыкания I кз .
В результате у нас получается замкнутая цепь с одним резистором. Из закона Ома получаем, что
Но есть небольшая загвоздка. Теоретически – формула верна. Но на практике я бы не рекомендовал использовать этот способ. В этом случае сила тока достигает бешеного значения, да вообще, вся схема ведет себя неадекватно.
Измерение выходного сопротивления на практике
Есть другой, более безопасный способ. Не буду повторяться, просто скопирую со статьи закон Ома для полной цепи, где мы находили внутреннее сопротивление аккумулятора. В той статье, мы к акуму цепляли галогенную лампочку, которая была нагрузкой R . В результате по цепи шел электрический ток . На лампочке и на внутреннем сопротивлении у нас падало напряжение, сумма которых равнялась ЭДС.
Итак, для начала замеряем напряжение на аккумуляторе без лампочки.
Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе U r тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае E=12,09 Вольт.
Как только мы подсоединили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:
Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение U R =11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило U r =E-U R =12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r :
Заключение
Входное и выходное сопротивление каскадов (блоков) в электронике играют очень важную роль. В этом мы убедимся, когда начнем рассматривать радиоэлектронных схем. Все качественные вольтметры и осциллографы также стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно меньше сказывалось на замеряемый сигнал и не гасило его амплитуду.
С выходным сопротивлением все намного интереснее. Когда мы подключаем низкоомную нагрузку, то чем больше внутреннее сопротивление, тем больше напряжение падает на внутреннем сопротивлении. То есть в нагрузку будет отдаваться меньшее напряжение, так как разница осядет на внутреннем резисторе. Поэтому, качественные источники питания, типа блока питания либо генератора частоты, пытаются делать как можно с меньшим выходным сопротивлением, чтобы напряжение на выходе “не проседало” при подключении низкоомной нагрузки. Даже если сильно просядет, то мы можем вручную подкорректировать с помощью регулировки выходного напряжения, которые есть в каждом нормальном источнике питания. В некоторых источниках это делается автоматически.
Так же, как и наушники, усилитель имеет свое собственное сопротивление, и если на это смотреть упрощенно, то электрическая схема выглядит так.
Таким образом мы имеем дело с дополнительным сопротивлением Rv, которое многие не учитывают и потом удивляются, почему их ожидания от звучания наушников не оправдываются. Условно можно разделить сопротивления усилителей на два типа - ровное и с повышением сопротивления в области низких частот.
Зависимость импеданса наушников и полного выходного сопротивления усилителя
Как Вы наверное знаете, когда наушники подключаются к усилителю, то их АЧХ меняется из-за индивидуального согласования импеданса наушников и полного выходного сопротивления усилителя. Если у наушников и усилителя сопротивление во всей полосе частот имеет постоянную величину или у усилителя сопротивление нулевое, то АЧХ не меняется, а вот во всех остальных случаях изменения неизбежны.Если у усилителя выходное сопротивление постоянно, то частотный баланс будет меняться схожим образом с кривой имепеданса наушников, а если у усилителя сопротивление близко к нулю и повышается в области низких частот, то у наушников ослабнут низкие частоты.
В зависимости от значений сопротивлений наушников и усилителя и их соотношения, изменения могут быть как огромными, так и едва заметными. У высокоомных наушников изменения в АЧХ самые минимальные при подключении к разным усилителям, как и усилители с низким выходным сопротивлением мало влияют на АЧХ. Другими словами, чем выше соотношение сопротивления наушников к сопротивлению усилителя, тем меньше изменений в АЧХ.
Закономерный вопрос, а от чего же меняется АЧХ наушников? Дело в том, что чем меньше соотношение сопротивлений наушников к усилителю, тем на наушники подается меньше напряжения (), соответственно, если без наушников выставить уровень к примеру 1 В, то при подключении наушников значение напряжения подаваемого на наушники снизится, и чем не равномернее будет импеданс наушников, тем не равномернее и снизится АЧХ, какие-то частоты просядут существенно, а какие-то нет.
Пользователь обычно никогда не знает, сколько напряжения он подал на наушники, и если громкость недостаточная, то регулятор громкости исправляет ситуацию. Однако из-за того, что первоначально частоты снизились неравномерно, то подъем громкости возвращает их суммарный уровень, но уже в измененной АЧХ.
На графике в примере видно, что низкие и средние частоты просели больше, чем высокие.
Итоговый, понятный потребителю график принимает такой вид, где можно оценить не то, на сколько частоты проседают, сколько меняется их баланс.
Примеры типовых усилителей с характерными графиками полного выходного сопротивления
К категории усилителей с ровным выходным сопротивлением можно отнести (на основе измерений в лаборатории personalaudio)
К категории не только ровного выходного сопротивления, но близкого к нулевому можно отнести
К категории близкого к нулю и повышения в области низких частот можно отнести
В отчетах на каждые наушники дается анализ взаимодействия наушников с усилителями всех основных типов - с постоянным полным выходным сопротивлением и нулевым с подъемом в области низких частот.
Как измеряется внутреннее полное выходное сопротивление усилителя
Для измерения полного выходного сопротивления усилителя делается два измерения АЧХ усилителя под двумя нагрузками с помощью ARTA, при этом АЧХ фиксируется в абсолютных координатах а не относительных (как это делает например RMAA). Другими словами, делается оценка, на сколько проседают частоты под нагрузкой 16 Ом и под нарузкой 609 Ом. Конечный расчет кривой сопротивления производится в RAA, в которую загружаются данные по полученным АЧХ и указывается, под какой нагрузкой они были сделаны.Нашли опечатку в тексте? Выделите и нажмите Ctrl+Enter . Это не требует регистрации. Спасибо.
Входное сопротивление усилителя значительно варьируется в зависимости от конфигурации схемы, как показано на рисунке ниже. Оно также зависит от смещения. Здесь не учитывается, что входной импеданс является комплексной величиной и зависит от частоты. Для схем с общим эмиттером и общим коллектором он равен сопротивлению базы, умноженному на коэффициент β. Сопротивление базы по отношению к транзистору может быть как внутренним, так и внешним. Для схемы с общим коллектором:
\(R_{вх} = \beta R_Э\)
Для схемы с общим эмиттером немного сложнее. Нам необходимо знать внутреннее сопротивление эмиттера r Э. Оно вычисляется по формуле:
\(r_Э = KT/I_Э m\)
- K=1.38×10-23 Дж·К−1 - постоянная Больцмана;
- T - температура в Кельвинах, берем ≅300;
- IЭ - ток эмиттера;
- m - для кремния изменяется от 1 до 2.
\(r_Э = 0,026 В/I_Э = 26 мВ/I_Э\)
Таким образом, R вх для схемы с общим эмиттером равно:
\(R_{вх} = \beta r_{Э}\)
Например, входное сопротивление усилителя на транзисторе с β = 100, на схеме с общим эмиттером и смещением 1 мА равно:
\(r_Э = 26 мВ/ 1 мА = 26 \;Ом\)
\(R_{вх} = \beta r_Э = 100 \cdot 26 = 2600 \;Ом\)
Для более точного определения R вх для схемы с общим коллектором необходимо учитывать R Э:
\(R_{вх} = \beta (R_Э + r_Э)\)
Формула выше также применима и для схемы с общим эмиттером с резистором эмиттера.
Входной импеданс схемы с общей базой равен R вх = r Э.
Высокий входной импеданс схемы с общим коллектором согласовывается с источниками с высоким выходным сопротивлением. Одним из таких источников с высоким импедансом является керамический микрофон. Схема с общей базой иногда используется в RF (радиочастотных) схемах для согласования с источником с низким импедансом, например, с коаксиальным кабелем 50 Ом. С источниками со средним импедансом хорошо согласуется схема с общим эмиттером. Примером может служить динамический микрофон.
Выходные сопротивления трех основных типов схем приведены на рисунке ниже. Средний выходной импеданс схемы с общим эмиттером сделал ее самой популярной в использовании. Низкое выходное сопротивление схемы с общим коллектором хорошо подходит для согласования, например, для бестрансформаторного соединения с 4-омным динамиком.
