Входное сопротивление каскада: Схемотехника усилителей: Типовой усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОК и его анализ

6.5.4.   Каскад с ОК | Электротехника

В усилительном каскаде с ОК (рис. 6.26) входной сигнал поступает на базу транзистора по отношению к общей точке, с которым через малое сопротивление источника питания E_к по переменному току соединен коллектор. Выходной сигнал снимается с эмиттера и через разделительный конденсатор C_р2 подается в нагрузку. В схеме действует 100 %-я ООС по напряжению.

Транзистор каскада работает в активном режиме. Сопротивления R₁, R₂ и R_э задают режим покоя каскада. Кроме того, резистор R_э является сопротивлением нагрузки транзистора по постоянному току. Сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется из соотношения:

R_к~ = R_э·R_н / (R_э + R_н).

В отличие от схемы с ОЭ входное и выходное напряжения каскада с ОК совпадают по фазе, при подаче входного сигнала базовый ток увеличивается, вызывая возрастание эмиттерного тока.

Это приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении R_э и, следовательно, на сопротивлении нагрузки R_н.

Из схемы (см. рис. 6.26) видно, что

U_вх = U_бэ + U_вых,

так как  R_н~ много больше сопротивления эмиттерного перехода  (U_вых >> U_бэ). Поэтому K_u = U_вых / U_вх близок к единице, однако меньше ее. Таким образом, в схеме с ОК выходной сигнал повторяет входной по уровню напряжения и по фазе. Поэтому схема с ОК называется «эмиттерный повторитель». Эта схема не обеспечивает усиления по напряжению, но имеет достаточно высокий коэффициент усиления по току и, следовательно, по мощности.

С помощью схемы замещения каскада с ОК (рис. 6.27) довольно просто получить основные параметры усилителя:

;

;

;

;

.

Входное сопротивление достаточно велико (десятки килоом), что является одним из важнейших преимуществ каскада ОК. Выходное сопротивление ЭП небольшое и составляет десятки Ом

Таким образом, основными особенностями эмиттерного повторителя являются следующие:

· коэффициент усиления по напряжению меньше единицы;

· усиление по току и мощности больше единицы;

· малые частотные искажения;

· входное сопротивление каскада значительно больше, чем у каскада с ОЭ;

· выходное сопротивление значительно меньше, чем у каскада с ОЭ и практически не зависит от сопротивления резистора выходной цепи каскада в достаточно широком диапазоне его изменения;

· большой динамический диапазон входных сигналов при низком уровне нелинейных искажений, это объясняется тем, что потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы (U

бэ → 0), который может изменяться от 0 до напряжений близких к E_к.

Эмиттерный повторитель широко используется в качестве:

· входного каскада при работе от источника входного сигнала с высоким внутренним сопротивлением;

· промежуточного каскада для согласования высокого выходного сопротивления с малым входным сопротивлением последнего каскада;

· выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

Каскад с общим коллектором эмиттерный повторитель

Схему рис. 1.23а называют каскадом с общим коллектором (ОК), потому что коллекторный вывод транзистора по переменному току является общим электродом для входной и выходной цепей каскада. Схема также называется эмиттерным повторителем, т.к. выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора близко по величине входному напряжению ( U_вых = U_вх + U_бэ U_вх ) и совпадает с ним по фазе.
Рисунок 1.23 — Схема усилительного каскада ОК (а) и его схема замещения (б)
Расчет каскада по постоянному току проводят аналогично со схемой ОЭ. Резистор R_э в схеме выполняет ту же функцию, что и резистор R_к в схеме ОЭ – создание изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, по цепи базы. Конденсаторы С_р1 и С_р2 являются разделительными, а резисторы R₁ и R₂ предназначены для задания рабочей точки, причем для повышения входного сопротивления резистор R₂ в схему часто на вводят.

Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельно включенными сопротивлениями R₁, R₂ и сопротивлением входной цепи транзистора r_вх:

R_вх = R₁ || R₂ || r_вх

Из эквивалентной схемы замещения рис.1.23б можно найти: U _вх = I_б [r_б + (1 + )(r_э + R_э || R_н)]
а разделив левую и правую часть уравнения на I_б получим: r_вх = r_б + (1 + )(r_э + R_э || R_н)
Если принять, что r_э и r_б значительно меньше других составляющих полученного выражения, то входное сопротивление транзистора , включенного по схеме ОЭ r_вх (1 + )(R_э || R_н),
а входное сопротивление каскада ОК: R_вх R₁ || R₂ || (1 + )(R_э || R_н)
При достаточно высокоомном входном делителе и транзисторе с высоким входное сопротивление каскада может достигать десятков-сотен кОм, что является одним из важнейших достоинств каскада ОК.

Коэффициент усиления по току можно определить , используя эквивалентную схему замещения, аналогично каскаду ОК

Ток нагрузки является частью эмиттерного тока транзистора, поэтому:
откуда:
Выразив аналогично схеме ОЭ ток базы через входной ток каскада получаем:
Разделив левую и правую часть уравнения на I_вх имеем:
т.е. коэффициент усиления каскада ОК зависит от соотношений R_вх и r_вх, а также R_э и R_н. Если предположить, что R_вх r_вх, имеем;
Таким образом, каскад ОК обеспечивает усиление по току, причем при R_э = R_к и одинаковых значениях Rн коэффициенты усиления по току в схемах ОК и ОЭ примерно одинаковы. Коэффициент усиления по напряжению аналогично схеме ОЭ может быть определен как:
После подстановки значения К_I:
Для оценки коэффициента усиления каскада ОК по напряжению примем R_вх >> R_г и считаем делитель в цепи базы достаточно высокоомным.

Это позволяет принять и получить К_U 1. Точный расчет дает К_U

Выходное сопротивление каскада ОК представляет собой сопротивление со стороны эмиттера, которое из эквивалентной схемы замещения определяется как:

Выходное сопротивление каскада ОК мало и составляет 10 — 50 Ом, поэтому каскад ОК целесообразно использовать при необходимости согласования выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки.

Входное сопротивление каскада

42

Учитывая, что безразмерный параметр h22 для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, мал, на практике применяют h22 = 0 .

На рис.3.7 приведена упрощенная схема замещения усилительного каскада, по которой рассчитывают значения сопротивлений и коэффициентов усиления.

RВХ

=

RД h21

.

RД + h21

Выходное сопротивление каскада

RK ~

RВЫХ

=

.

Коэффициент усиления по напряжению

1 + RK ~ h32

KU

=

U ВЫХ

=

h31 RK ~

.

U ВХ

h21 (1 + RK ~ h32 )

Коэффициент усиления по току

h31 R Д

K I =

I

ВЫХ

=

.

I ВХ

(R Д

+ h21 )(1 + RK ~ h32 )

Коэффициент усиления по мощности

K P = KU K I .

Сравните параметры усилительного каскада, полученные в п.3, с результатами графического расчета и объясните имеющиеся расхождения.

2.3.3.4. Данные для выполнения КР 2.3.3 берутся из таблицы 2.4.

Входное сопротивление транзистора с общим коллектором

Онлайн калькулятор номиналов элементов схем ОБ и ОК, построенных на
биполярных транзисторах.

Усилительные каскады, выполненные по схеме с общим эмиттером, мы рассмотрели на прошлой странице, осталось всего-то ничего: усилительный каскад с общей базой (ОБ) и каскад с общим коллектором (ОК) – он же эмиттерный повторитель, он же повторитель напряжения. .

1. Каскад на транзисторе с общей базой (ОБ).

Рис.1 Рис.2

На Рис.1 изображена схема ОЭ с предыдущей страницы.
Если верхний вывод блокирующей ёмкости Сэ оторвать от эмиттера и подключить к базе транзистора, а входной сигнал через разделительный конденсатор Ср1 подать на освободившийся эмиттер (Рис.2), то каскад ОЭ преобразуется в классическую схему каскада с общей базой (ОБ).
Расчёт схемы с ОБ по постоянному току производится точно также, как мы это делали на предыдущей странице для каскада ОЭ:
1. I_б = (U_б – U_бэ)/[(R_э + r_э) x (1 + β)] , где Uбэ фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1 и Rб2 ,
2. I_делит = (3. 10)I_б ;
3. I_к = I_б x β ;
4. U_к = E_к – I_к x R_к ;
5. R_вых = R_к ll (r_э + r_к ) ;
6. U_э = (0,1. 0,2)E_к – для достижения приемлемого эффекта термостабилизации.

А вот по переменному току каскады имеют существенные различия. Схема каскада с общей базой (ОБ), изображённая на Рис.2, обладает следующими характеристиками по переменному току:

7. R_вх = r_э , где r_э (Ом) = 25,6/I_э (мА) – активное сопротивление эмиттера ;
8. K_i = β / (β +1) ;
9. K_u ≈ R_к x β / [r_э x (β +1)] ;

Итак, подытожим основные отличия данного каскада ОБ от каскадов ОЭ:
1. Усилительные каскады на транзисторе с общей базой не инвертируют сигнал;
2. Коэффициент передачи по току каскада c ОБ меньше единицы;
3. Входное сопротивление каскада ОБ значительно ниже входного сопротивления каскада ОЭ.

Крайне низкое входное сопротивление транзисторного каскада с общей базой Rвх (единицы – десятки Ом) уже не позволяет пренебрежительно относиться к выходному сопротивлению предыдущего каскада Rи. К тому же, если данный резистор выполнить внешним, появляется возможность гибкой регулировки усиления каскада.

Формула для коэффициента передачи схемы каскада ОБ с учётом выходного сопротивления источника сигнала (либо внешнего резистора), принимает следующий вид:

2. Каскад на транзисторе с общим коллектором (ОК) – эмиттерный повторитель.

Главным отличительным свойством каскада с ОК являются: высокое входное и низкое выходное сопротивления. Основная его область применения – согласование источника с высоким импедансом с низкоомной нагрузкой. Исходя из этого, было бы не очень правильно упускать из расчётов выходное сопротивление источника сигнала.
На Рис.3 изображена схема эмиттерного повторителя.

Рис. 3

Приведём формулы:
R_вх = [(R_э + r_э) x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2 ;
I_б = (U_б – U_бэ)/[(R_э1 + r_э) x (1 + β)] , где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1 и Rб2, а Uбэ = 0,6. 0,7В для кремниевого транзистора и 0,3. 0,4 – для германиевого;
U_э = U_б – U_бэ ;
I_делит = (3. 10)I_б ;
R_вых = r_э +R_и / (1 + β) ;
K_u = R_э / [ R_э + r_э + R_и /(1 + β)] ;
K_i = β +1 .

Итак, что мы имеем? Эмиттерный повторитель не инвертирует сигнал, коэффициент передачи по напряжению каскада меньше единицы, усиление происходит только по току.
Ну и по традиции калькулятор.

РАСЧЁТ КАСКАДОВ ОБ и ОК НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Коэффициент передачи тока h31э не постоянен и имеет сложную зависимость от частоты и тока коллектора. В зависимости от типа транзистора максимум коэффициента передачи может наступать при токах коллектора: от 1-2 мА для маломощных транзисторов, до нескольких сотен миллиампер – для мощных.

Расчёт разделительных ёмкостей Сp1 и Сp2, а также блокирующей емкости Сб производится точно также, как в случае с каскадами ОЭ.
Т.е. следует задаться номиналами их реактивных сопротивлений Xс = 1/2πƒС (на минимальной рабочей частоте), как минимум, в 10 раз (а лучше в 100) меньшими, чем значения приведённых ниже величин:
X_Cp1 , где Rвх – входное сопротивление каскада, посчитанное в калькуляторе,
X_Cp2 , где Rвх посл – входное сопротивление последующего каскада,
X_Cб .

И ещё раз повторю калькулятор для расчёта характеристического сопротивления конденсатора.

Усилитель представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим коллектором — это усилитель, где коллектор транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим коллектором приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. Учитывая, что источник питания обладает нулевым сопротивлением для переменного тока, подключение вывода транзистора к источнику питания (стабилизатору напряжения) эквивалентно подключению к общему проводу. Основным преимуществом усилителя с общим коллектором является его большое входное сопротивление, поэтому схема с общим коллектором обычно применяется на низких частотах. С этим связан выбор схемы питания транзистора. Для питания транзистора в схеме с общим коллектором обычно используются стабилизированные по току схемы: схема с коллекторной стабилизацией и схема с эмиттерной стабилизацией. Расчет резисторов, входящих в эти схемы не зависит от схемы включения транзистора и для схемы с общим коллектором проводится точно так же как и для схемы с общим эмиттером. Схема с общим коллектором не инвертирует сигнал и не усиливает его по напряжению, поэтому она часто называется эмиттерным повторителем На рисунке 3 показана принципиальная схема усилительного каскада на биполярном npn-транзисторе, выполненного по схеме с общим коллектором.

Рисунок 3 Схема включения транзистора с общим коллектором (коллекторная стабилизация)

В данной схеме резистор R2 одновременно является резистором нагрузки и элементом коллекторной стабилизации. То, что резистор подключен к эмиттеру транзистора, ситуации не меняет. Ток коллектора все равно протекает через этот резистор и падение напряжения прикладывается к эмиттеру транзистора. Глубина обратной связи по постоянному току определяется соотношением сопротивления резистора R1 и входного сопротивления транзистора.

Схема каскада с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией обладает лучшими характеристиками по стабильности параметров. В ней глубина обратной связи по постоянному току приближается к 100%. Принципиальная схема включения транзистора с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерная стабилизация)

Отличительной особенностью схемы с общим коллектором является высокое входное сопротивление. Его можно определить по формуле, подобной формуле (4) схемы с общим эмиттером. Однако в данном случае ко входу будет пересчитываться сопротивление цепи эмиттера, которое значительно больше внутреннего сопротивления эмиттера транзистора r_э.

В схеме, приведенной на рисунке 3, в качестве сопротивления R_э используется резистор R2, а в схеме, приведенной на рисунке 4, — резистор R3. При номинале сопротивления этого резистора 1 кОм и h_21э, равным 100, входное сопротивление транзистора будет равно 100 кОм! При таком сопротивлении, расчитывая транзисторный каскад, следует учитывать влияние сопротивления цепи смещения, так как по нему тоже протекает входной ток. Пути протекания входного тока в схеме с общим коллектором показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 Протекание тока по входным цепям эмиттерного повторителя

Как видно из данной схемы, входной ток протекает не только через базу транзистора и резистор R2, но и через резистор R1, источник питания и возвращается к источнику сигнала. В результате входное сопротивление эмиттерного повторителя будет определяться как параллельное включение входного сопротивления транзистора и резистора R1:

Например, при питании усилителя от источника напряжения 5 В, и токе коллектора 1 mA, для получения на выходе максимального динамического диапазона нужно напряжение на эмиттере задать равным 2,5 В. Тогда сопротивление R2 = 2,5кОм, ток базы транзистора iб = 1мА/100 = 10мкА. Сопротивление . Входное сопротивление каскада .

Присущая схеме с ОК обратная связь не только увеличивает входное сопротивление, но и уменьшает выходное. Его можно приблизительно считать равным сопротивлению эмиттера транзистора:

Более точно выходное сопротивление схемы с общим коллектором можно определить как параллельное соединение сопротивления эмиттера транзистора и резистора R2:

Высокое входное сопротивление схемы с общим коллектором определило то, что она обычно применяется в качестве входного каскада усилителей, обычно низкочастотных, где паразитные емкости схемы не оказывают влияние на параметры схемы. Низкое выходное сопротивление позволяет применять эмиттерный повторитель для согласования выходного и входного сопротивлений промежуточных каскадов. В высокочастотных усилителях низкое выходное сопротивление позволяет применять этот каскад в качестве выходного.

1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
3. КАСКАД С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ http://alnam.ru/

Вместе со статьей «Схема включения транзистора с общим коллектором» читают:

(эмиттерный повторитель)

Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис.12.3 ,а. Для схем с ОК коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания по переменному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, при этом вывод коллектора является общим для входной и выходной цепей усилителя. Резистор нагрузки включен в эмиттерную цепь..

При этом из схемы каскада с ОК можно увидеть, что

.

а)

б)

Рис.12.3. Принципиальная и эквивалентная схема усилителя на БТ с ОК

Поскольку для переменного тока сопротивление прямосмещенного перехода очень мало ( единицы Ом), то выходное напряжение приблизительно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Поскольку Rэ не зашунтирован конденсатором (как в схеме с ОЭ), в усилителе с ОБ действует глубокая отрицательная ОС по постоянному току. Температурная стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором R_э.

Начальный ток смещения в режиме покоя, т.е. при задают с помощью R₁, R₂ и R_э таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. Разделительные конденсаторы и выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ.

Расчет каскада по постоянному току проводят по аналогии с каскадом с ОЭ. Исходя из эквивалентной схемы, представленной на рис. 3.10,б. можно отметить следующие характеристики усилителя с ОК

1. Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК

относительно входного генератора равен

. (12.17)

2) Коэффициент усиления по току равен , (12.18)

где ; (12.19)

.

Следовательно K_I равен

. (12.20)

Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет коэффициент усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.

3) Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельным соединением резисторов R₁, R₂ и сопротивлением входной цепи транзистора r_вх

. (12.21)

Входное сопротивление цепи транзистора равно

. (12.22)

Очевидно ,что сопротивление входной цепи транзистора r_вх и входное сопротивление всего каскада с ОК больше чем в схеме с ОЭ и достигает 200…300 кОм.

Высокое входное сопротивление является одним из главных преимуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в качестве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.

4) Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется

. (12.23)

Выходное сопротивление каскада с ОК мало порядка десятков Ом (10…50 Ом) и сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.

В целом усилитель с ОК характеризуется: высоким входным сопротивлением (порядка сотен килоом), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (порядка единиц Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9364 – | 7302 – или читать все.

78.85.5.224 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Каскад с общей базой | Основы электроакустики

 

Различают три основные схемы включения транзисто­ра в усилительных каскадах — с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором . Общий электрод (в данном случае база) по переменному току должен быть заземлен Часть электронов теряется в базе, например, вследст­вие рекомбинации (взаимной нейтрализации противопо­ложных по знаку зарядов) электронов и дырок. Эти потери учитываются коэффициентом передачи тока эмиттера а. Так что при включении транзистора с общей базой посто­янный ток коллектора оказывается равным где 1К0 — неуправляемый ток коллектора (или обратный ток коллекторного перехода). Ток базы при этом равен 1Б = 1Э — 1к, т. е. мал, поскольку при а близком к 1 ток коллектора не намного меньше тока эмиттера.Если переменное напряжение на входе усилительного каскада на биполярном транзисторе UBX не равно нулю, то наряду с постоянной составляющей тока эмиттера появля­ется его переменная составляющая. В результате появля­ется и переменная составляющая тока коллектора. Проте­кая через резистор RK, она создает на нем переменную составляющую выходного напряжения. Если сопротивле­ние RK велико, то она может в сотни и тысячи раз превосходить UBX. Таким образом, каскад с общей базой, не усиливая ток, может усиливать напряжение и соответ­ственно и мощность.Итак, усиление по напряжению в каскаде с общей базой обусловлено тем, что переменная составляющая входного тока переносится из низкоомной цепи эмиттера в намного более высокоомную цепь коллектора. Так что коэффициент усиления оказывается близким к отноше­нию сопротивлений коллекторной и эмиттерной цепей. При этом сопротивление эмиттерной цепи (входное со­противление) очень мало, поскольку эмиттерный переход открыт. Примерно оно равно <рт/1э, где (рт — температур­ный потенциал (его значение при комнатных температу­рах порядка 25 мВ, так что при токе эмиттера 1э = 1 мА входное сопротивление будет равно всего 25 Ом). К сожалению, из-за конечного времени пролета носи­телями области базы у каскада с общим эмиттером усиле­ние на высоких частотах начинает снижаться. Оно пони­жается на 3 дБ, если частота усиливаемого сигнала достигает частоты fa (эта частота называется граничной частотой транзистора в схеме с общей базой). Многие современные транзисторы имеют fa порядка сотен МГц и выше. Емкос­ти монтажа и самого транзистора могут также ухудшить усиление на высоких частотах.

За что мы так не любим транзисторный усилитель с общей базой  Мифом № 1 является то, что довольно сложно организовать цепи питания такого каскада, вплоть до того,
что требуется дополнительный источник питания. Мало того, что такое мнение бытует среди радиолюбителей, так оно усиленно поддерживается в технической литературе. Откройте учебник с описанием работы каскада с ОБ. Первое, что вы увидите, так это горизонтальное расположение транзистора с двумя источниками питания: один в коллекторной цепи, другой в эмиттерной. После прочтения такого материала сразу пропадает какое-либо желание иметь дело с этим каскадом. Развеем этот миф. На верхнем рисунке вы видите знакомую вам схему с общим эмиттером. Легким движением мыши поворачиваем его вокруг оси и преобразуем в каскад с общей базой. По постоянному току все цепи остаются прежними. Базу по переменному току заземляем с помощью конденсатора Сф, входной сигнал подаем на эмиттер, выходной остается на прежнем месте. Каскад с общей базой готов, никаких трудностей с питанием не возникло, тем более с двумя источниками.  С включением транзистора мы разобрались, теперь приступим к изучению его работы, где мифов также достаточно.

Как же работает усилитель с общей базой?  Рассмотрим упрощенную схему включения транзистора с общей базой. Направления токов показаны условно, символизируя, что вход —  это эмиттер, выход — коллектор, часть тока ответвляется в базу.
Сразу оговорю упрощения и допущения. Обратные токи переходов, ввиду их малости, я не рассматриваю. Для понимания принципа работы и инженерных расчетов это приемлемо. Коэффициент передачи тока для каскада с общей базой меньше единицы, т.к. часть эмиттерного тока ответвляется в базу: Iэ — Iб = Iк. Соотношение токов имеет величину Iк = α * Iэ , где α< 1 -коэффициент передачи по току для ОБ.
В современных транзисторах коэффициент α близок к единице (0.98 — 0.99), поэтому в практических расчетах можно считать Iэ = Iк.  Отсутствие усиления по току совершенно не мешает получить от такого каскада усиление по напряжению, причем, немалое. Существует ещё один миф, что входное сопротивление каскада определяется резистором Rэ , который обязательно должен иметь маленький номинал.  Но это не так. Входным током каскада является ток эмиттера транзистора, поэтому входное сопротивление в основном определяется  сопротивлением эмиттерного перехода rэ = 25 /Iэ = 25Ом при токе 1мА (собственное сопротивление базы транзистора rб вносит небольшой вклад).
Ток, протекая от входной цепи к выходной, практически не изменяется, поэтому, на резисторах rэ и Rк, он создает падения напряжения пропорциональные величинам этих сопротивлений. Если Rк = 3кОм, то отношение Ku = Rк /rэ составит более 100 — это и есть коэффициент усиления по напряжению.  Таким образом, недостатками каскада являются низкое входное сопротивление и отсутствие усиления по току, но более высокая граничная частота усиления и большее выходное сопротивление. Также каскад имеет более высокую линейность по сравнению с ОЭ. Не верьте утверждениям некоторых писателей, что каскад с общей базой имеет низкое выходное сопротивление в сравнении с другими схемами.
Практические соображения по толкованию работы каскада (усилителя) с общей базой
Для работы n-p-n транзистора необходимо, чтобы потенциал базы был положительным по отношению к эмиттеру, поэтому для открытия транзистора надо эмиттер «утянуть» в минус, т.е входное напряжение должно быть отрицательным.  Проанализируем работу каскада на постоянном токе. Эмиттер транзистора с ОБ представляет собой точку с очень низким (динамическим) входным сопротивлением (около 25 Ом при токе 1мА). Поэтому можно принять, что напряжение в ней практически не меняется при изменении входного тока, (этакий виртуальный 0).
В связи с этим, предлагаю рассматривать каскад с ОБ как преобразователь ток-напряжение. Преобразование входного сигнала в выходной происходит как бы в два этапа:
— Сначала генерируем входной ток в эмиттер Iвх = (Uвх- 0.6) /Rэ,
— Затем в коллекторной нагрузке получаем падение напряжения, обусловленное этим током Uвых = Iвх * Rк (мы приняли, что Iвх = Iвых).  Не забываем, что при протекании входного тока напряжение на эмиттере будет равно прямому падению напряжения на переходе — 0.6 В. В исходном состоянии транзистор закрыт, напряжение на коллекторе равно Uпит. При подаче на вход отрицательного напряжения транзистор начинает открываться, через него протекает ток, который создает падение напряжения на коллекторном резисторе. Потенциал коллектора понижается и в пределе станет равным 0. Максимальный ток транзистора при Uк = 0 составляет: Iмакс = Uпит /Rк. Сделаем конкретный пример расчета для постоянного тока: Rэ = 1кОм (Rэ >> rэ), Rк = 10кОм, Uвх = 1В .  Входной ток равен Iвх = Iэ = (Uвх-0.6) /Rэ = 1-0.6/1 = 0.4мА. Т.к. ток коллектора равен току эмиттера, то изменение напряжения на коллекторном резисторе составит: Uк = Rк * Iк = Rк * Iэ = 10*0.4 = 4В.  Коэффициент усиления по постоянному напряжению получился равен 4. В данном случае входным сопротивлением каскада является Rэ = 1кОм. Уменьшая это сопротивление, мы увеличим входной ток, который вызывет увеличение выходного тока и выходного напряжения на нагрузке.
Этот пример демонстрирует принцип расчета и понимания работы каскада с ОБ, который оказался не так страшен, как нам его малюют.

Усилитель с общей базой для переменного сигнала Теперь нам легче понять работу усилителя на переменном сигнале. Для усиления переменного напряжения необходимо вывести транзистор на линейный участок рабочей характеристики. На рисунке 2 показаны цепи смещения транзистора, с помощью которых задается режим по постоянному току. Расчет их ничем не отличается от расчетов стандартного усилителя с ОЭ. Ток покоя Iо через транзистор устанавливается в пределах нескольких миллиампер. Переменный сигнал подается в эмиттер через конденсатор. У коллекторного тока транзистора появляется переменная составляющая, т.е. ток в некоторых пределах изменяется относительно тока покоя согласно изменениям входного напряжения. Проведем небольшие эксперименты с усилителем. Рассмотрим коэффициент передачи каскада от точки 1 до выхода с коллектора. В качестве источника сигнала возьмем генератор сигналов звуковой частоты ГНЧ с низким выходным сопротивлением, менее 100 Ом. Выходное напряжение установим 1В.  В качестве Rг поставим внешний резистор 1 кОм. В нагрузке резистор Rк = 10кОм. Для источника сигнала входным сопротивлением каскада является сумма Rг и rэ, т.к. они включены последовательно. Входной ток от источника сигнала равен Iвх = Iэ = Uг /(Rг + rэ) = . Uг /Rг, т.к.  rэ — мало. Выходное напряжение при этом составит: Uвых = Rк * Iк = Rк * α*Iэ = Rк * α* Uг /Rг.  Принимая α = 1, получим Uвых = Uг * Rк /Rг.  Коэффициент усиления равен Ku = Uвых /Uг = Rк /Rг = 10, тогда Uвых = 10 В.  Заглянем поглубже и выясним роль входного сопротивления транзистора rэ, ибо нам все уши прожужжали о низком входном сопротивлении каскада с ОБ. Посмотрим осциллографом, что происходит в точке 2. Мы обнаружим, что там присутствует весьма маленький синусоидальный сигнал, в нашем случае  25 мВ. Величина напряжения сигнала обусловлена делителем напряжения, образованным Rг и rэ: 1В * 25/1000 = 25мВ. Каким образом сигнал на выходе достигает величины в несколько вольт? Это происходит по той причине, что каскад имеет внушительный «собственный»  коэффициент усиления  по напряжению (от точки 2 до коллектора), определяемый отношением нагрузочного сопротивления и входного сопротивления транзистора:  Ku = Rк /rэ = 10000/25 = 400, тогда Uвых = Ku * Uвх = 25 * 400 = 10000 мВ или 10 В. Мы получили тот же результат, что и выше. Делаем вывод:
Результаты исследования усилителя с ОБ совпадают с результатами для каскада с ОЭ. Коэффициент усиления по переменному напряжению определяется отношением коллекторного и эмиттерного (в данном случае Rг) резисторов и не зависит от внутренних параметров транзистора при Rг > rэ.

Входное сопротивление транзисторного каскада усилителя УКВ как определяется?

	Для расчета межкаскадных цепей требуется знание сопротивления выходного и входного каждого из каскадов, однако по справочным данным можно определить лишь выходное (Um/Im, где Um — максимальное напряжение к-э, Im — ток к-э максимальный). А как узнать входное — для меня большой вопрос, ведь в идеале у биполярного транзистора сопротивление б-э равно 0 т.е. транзистор управляется током б-э (в схеме с общим эмиттером).
	Поставьте 50 ом с базы на землю и не мучайтесь . ..
	Ваши представления о выходном сопротивлении транзисторного каскада далеки от истинного положения дела. Надо брать учебник и понять, что такое схема с общим эмиттером, коллектором ( иногда и базой ). На УКВ параметры такие, что в практике их трудно применить в любительских условиях.
	В справочниках иногда приводят и малосигнальные h-параметры транзистора. Из них и определяются входное и выходное сопротивления транзистора. Но надо иметь в виду, что эти параметры зависят от режима работы транзистора, чаще всего в справочнике даны низкочастотные и не учитывают реактивную составляющую сопротивлений. Для ВЧ надо самостоятельно вводить в них межэлектродные емкости и с учетом рабочей частоты определять сопротивления. Но это будут только сопротивления (проводимости) транзистора, как четырех полюсника. А вы задаете вопрос об усилительном каскаде. Значит надо учитывать и внешние, относительно транзистора, цепи. Если вы студент, то возьмите соответствующие пособия и учебник, и разбирайтесь. Судя по тому, что для идеального транзистора вы посчитали входное сопротивление равным нулю, знаний у вас по этому вопросу тоже ноль. Вот с него и надо начинать, постепенно заполняя вакуум знаниями. К расчету межкаскадных цепей вам подступаться еще рано!
	Ваш вопрос вполне резонный. Для расчета межкаскадных согласующих цепей знание входных — выходных сопротивлений обязательно. На высоких частотах эти сопротивления имеют комплексный характер и зависят также от частоты и режима работы транзистора. Ваш расчет выходного сопротивления конечно не верен. Уточняющий вопрос. В каком режиме работает транзистор? В линейном или в нелинейном? Широкополосный усилитель или резонансный? Какая частота? И что за транзистор? Если транзистор отечественный, то помочь здесь будет сложновато. Мало справочных данных. Если импорт, то гораздо проще. Как собираетесь вести расчет? Вручную или моделировать в какой-либо программе? Расчет на основе S — параметров или нелинейное моделирование? Пока писал, ув. ВиНи опередил. Ваш вопрос очень общий, в двух словах не ответить. Побольше конкретики, и тогда может быть…
	AnalogAudio не задавай здесь вопросы все равно ничего конкретного не получиш.Знаю по собственному опыту.Читай книги и сам познавай все а после этого тебе этот форум и его пользователи нужны будут как козе баян.На фига нужен этот форум тогда я не понимаю
	лучше пойди сюда http://radiopirat.boxmail.biz/ тут более конкретные люди сидят
	Собственно, на этот форум приглашали только первый месяц с его создания. Сейчас сюда никого не тянут. Участники сами решают, нужен он им или нет.И Ваше личное мнение L.M. Ericsonn, было бы правильнее отправить по личным каналам связи типа почты и пр., а не чморить всех в широковещательном режиме. Может, сначала стоит взглянуть в зеркало…..
	AnalogAudio Очень упрощенно, для низких частот, линейного режима и схемы ОЭ считать можно так. 1) Iэ в мА, при котором работает транзистор измеряем(либо знаем его), например 5 мА 2) rэ = 25/Iэ, в Омах, например, rэ = 25/5 = 5 Ом 3) Rвх = rэ * h31э, например, если для нашего случая h31э = 100, Rвх = 5 * 100 = 500 Ом Для УКВ все будет сложнее даже без учета реактивностей. Главная идея в том, что h31э снижается с ростом частоты, соответственно падает и произведение rэ * h31э — входное сопротивление.
	Вот график входного сопротивления типового высокочастотного транзистора BFR93 в малосигнальном режиме (из даташита). Уже в который раз рекомендую пользоваться программами моделирования. Там в библиотеках есть куча транзисторов с уже созданными моделями эквивалентных схем, учитывающими в т. ч. входные сопротивления. И если в малосигнальном режиме еще можно что-то посчитать вручную, то в режиме большого сигнала (в нелинейном режиме) расчет становится очень сложным и громоздким и годится лишь для теоретических изысканий, не имея практического применения. В программах моделирования, напротив, все расчеты остаются за кадром, и работа значительно упрощается и становится подобной детской игре в кубики.

Входное и выходное сопротивление | Практическая электроника

Входное и выходное сопротивление является очень важным в электронике.

Предисловие

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. Резистор хоть и обладает сопротивлением, но это активное сопротивление. Катушка индуктивности и конденсатор будут уже обладать, так называемым, реактивным сопротивлением. Но что такое входное и выходное сопротивление? 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!

[quads id=1]

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 мультиметре.

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 выходное сопротивление.

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 статью по согласованию узлов 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.

Общие сведения о входном и выходном импедансе — надежная схема

В последней статье Short and Sweet мы говорили о входном и выходном импедансах инвертирующих и неинвертирующих каскадов операционного усилителя. Мы как бы немного пошатнулись, потому что мы никогда не упоминали, что конкретно подразумевается под входным и выходным импедансом. В частности, мы не совсем объяснили, что такое локальный импеданс . В этой (не очень) статье Short and Sweet мы именно это и сделаем.

ПРИМЕЧАНИЕ. Термин локальный импеданс — это то, что мы придумали здесь, в компании Robust Circuit Design.Вы вряд ли найдете эту терминологию где-нибудь еще. Локальный импеданс просто означает «входное или выходное сопротивление каскада в сигнальной цепи, как будто этот каскад является единственным каскадом». То есть при измерении импеданса мы рассматриваем каскад изолированно.

Первые принципы

Начнем с определения обычного входного и выходного импеданса. Мы отсылаем вас к диаграмме ниже.

Предположим, у вас есть цепь, которая для вас является «черным ящиком» — вы не знаете, что находится внутри, кроме как знать, что любые источники напряжения, содержащиеся в ней, установлены на ноль вольт, а любые источники тока открыты.Предположим, у черного ящика есть единственный вход, в который вы можете ввести небольшой ток и затем измерить результирующее напряжение на входе относительно заземления цепи. Как вариант, вы можете подать напряжение и измерить соответствующий ток. В любом случае, имея под рукой напряжение и ток, входное сопротивление этой цепи можно рассчитать по закону Ома:

.

\ (\ displaystyle InZ = \ frac {{Vi}} {{i1}} \)

Если ваша цепь используется в качестве нагрузки для другой цепи, то эта другая цепь воспринимает это полное сопротивление как полное сопротивление нагрузки.

Предположим, что схема черного ящика имеет единственный выход (помимо земли). Вы можете подать небольшой ток обратно на этот выход и измерить результирующее напряжение относительно заземления цепи. Или, в качестве альтернативы, вы можете подать напряжение и измерить соответствующий ток. В любом случае, имея под рукой напряжение и ток, выходной импеданс можно рассчитать по закону Ома:

.

\ (\ displaystyle OutZ = \ frac {{Vo}} {{i2}} \)

Если эта цепь используется в качестве источника для другой цепи, тогда эта другая цепь видит такое большое сопротивление источника.

Подводя итог, можно сказать, что при соединении цепей вместе входное сопротивление может стать сопротивлением нагрузки, а выходное сопротивление может стать полным сопротивлением источника.

Схема черного ящика может содержать как резистивные, так и реактивные компоненты, поэтому входные и выходные импедансы являются общими комплексными переменными. Это означает, что импедансы могут варьироваться в зависимости от частоты.

Импедансы в сигнальной цепи

Сигнальная цепочка — это серия подсхем, расположенных линейно, где сигнал течет слева направо.Мы называем подсхемы ступенями , и первая ступень обычно представляет собой какой-либо датчик. Вот диаграмма, иллюстрирующая это:

При анализе поведения сигнальной цепи может быть полезно знать входные (или выходные импедансы) на любом данном этапе. Знание этих импедансов помогает нам понять, как сигнальная цепочка ведет себя в этой точке.

Входное сопротивление на данном этапе

Предположим, вы хотите узнать входной импеданс на ступени N. Как показано ниже, при определении входного импеданса вы должны учитывать не только любые импедансы на самой ступени N, но и на всех последующих ступенях:

Как мы это делаем? Что ж, мы могли бы найти входное сопротивление для каскада N + 1 и рассматривать его как «нагрузку» для каскада N.Например:

Мы упоминали эту идею ранее, что входное сопротивление одного каскада может стать сопротивлением нагрузки другого.

Как определить входное сопротивление ступени N + 1? Итак, мы находим входное сопротивление каскада N + 2 и рассматриваем его как нагрузку для каскада N + 1. Вставьте это в трубку и закурите!

Входное сопротивление последней ступени

Мы можем продолжать этот индукционный процесс, пока не дойдем до последней стадии. Затем мы достигаем граничного условия.Какая нагрузка на последнем этапе? Математически это нагрузка с бесконечным входным сопротивлением:

.

Входное сопротивление отдельных ступеней

Граничное условие, используемое при вычислении входного импеданса последней ступени, также может использоваться для изолированной обработки любой ступени. Мы делаем вид, что других этапов не существует. Далее мы рассмотрим три конкретных, но простых случая, чтобы помочь вам понять, как это работает. Мы рассматриваем три случая: (1) последовательный каскад, (2) шунтирующий каскад и (3) каскад делителя напряжения.

Входное сопротивление последовательного каскада

Начнем с сигнальной цепи, состоящей исключительно из последовательного импеданса Zs:

Наша одиночная ступень, являющаяся по определению последней ступенью, имеет подразумеваемую нагрузку бесконечного импеданса. Так каково полное входное сопротивление? Для кого-то, смотрящего слева, это выглядит как последовательно включенный импеданс Zs с бесконечным импедансом нагрузки. Конечным результатом является то, что входное сопротивление бесконечно!

Может ли это быть правдой? Что ж, этап сериала сам по себе «плывет».В такой цепи не может протекать ток. Если бы этот плавающий каскад сам по себе трактовался как нагрузка для другого каскада, поскольку через эту вновь назначенную нагрузку не течет ток, это все равно, что сказать, что он тоже имеет бесконечный импеданс.

Входное сопротивление шунтирующего каскада

Далее мы рассматриваем шунтирующую стадию Zs в силу ее одиночества. Снова являясь последней ступенью по определению, она работает параллельно с нагрузкой с бесконечным сопротивлением:

Для тех, кто смотрит слева, весь входной ток протекает через Zs, поскольку ни один из них не может протекать через ZL с его бесконечным импедансом.Таким образом, входное сопротивление каскада шунта — это полное сопротивление самого шунта. Отметим математически:

\ (\ Displaystyle Zs || ZL = \ frac {{Zs \, ZL}} {{Zs + ZL}} \)

и

\ (\ Displaystyle \ underset {{ZL \ to \ infty}} {\ mathop {{\ lim}}} \, \ frac {{Zs \, ZL}} {{Zs + ZL}} = Zs \)

Входное сопротивление делителя напряжения

Далее мы рассмотрим делитель напряжения как нашу единственную ступень. Как и раньше, мы используем предполагаемую бесконечную импедансную нагрузку:

Какое входное сопротивление этого каскада? Любой ток, протекающий на этой стадии, может пройти только одним путем: через Za и Zb.Никакой ток не будет проходить через ZL с его бесконечным импедансом. Таким образом, этот этап выглядит как Za последовательно с Zb.

Более сложные этапы

Используя наши простые одноступенчатые примеры, вы должны теперь начать понимать, как определяется входной импеданс. Очевидно, можно было бы рассмотреть более сложные сценические примеры, но это слишком много деталей для этой якобы короткой и милой статьи. Но идея рассмотрения последовательных и параллельных ветвей и / или делителей напряжения, связанных с «бесконечным» импедансом нагрузки, является основным трюком, который следует запомнить.

Однако есть еще одна концепция, которая напрямую связана с нашей одноступенчатой ​​конфигурацией: локальное входное сопротивление .

Локальный входной импеданс

Локальный входной импеданс каскада определяется как входной импеданс, который каскад имел бы, если бы был единственным каскадом в сигнальной цепи. Другими словами, это импеданс, который имел бы каскад, будь он последним каскадом. Повторять:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Локальный входной импеданс = входной импеданс, как если бы ступень была последней ступенью

Вот диаграмма, иллюстрирующая это:

Чтобы резюмировать то, что мы узнали ранее о наших простых одиночных каскадах и как это теперь связано с локальным входным импедансом, мы можем сказать:

\ (\ displaystyle \ text {Локальный InZ этапа серии} = \ infty \)

\ (\ displaystyle \ text {Локальный InZ каскада шунта} = Zs \)

\ (\ displaystyle \ text {Локальный InZ делителя напряжения} = Za + Zb \)

Входное сопротивление с Signal Chain Explorer

Далее мы рассмотрим, как найти входное сопротивление любого каскада в сигнальной цепи SCE.Ниже представлена ​​произвольная сигнальная цепочка, имеющая различные каскады, первый из которых представляет собой каскад с последовательным сопротивлением 10 Ом. На левой диаграмме показано, как выбирается этап последовательной передачи и где нажимать кнопку Local InZ . График справа представляет собой зависимость импеданса от частоты, которая в данном случае представляет собой (отсутствующую) прямую линию на бесконечности.

Вот то же самое для шунтирующего каскада на 10 Ом. На графике изображена прямая линия на 10 Ом.

А затем у нас есть каскад делителя напряжения с последовательным ответвлением на 3 Ом и параллельным ответвлением на 7 Ом.График снова показывает прямую линию — на этот раз при 3 + 4 = 7 Ом.

Чтобы напомнить вам, что импедансы могут быть сложными и изменяться в зависимости от частоты, вот пассивный полосовой фильтр и связанный с ним график местного входного импеданса:

У нас есть рост тока (бирюзовая линия) на частоте 60 Гц, который представляет шунтирование тока на землю в соответствии с конструкцией ступени. (Резонанс метки был настроен на 60 Гц.)

Этот рисунок иллюстрирует, почему мы также показываем ток на графиках импеданса.Бирюзовая линия представляет ток, как если бы напряжение 1 В было приложено на любой заданной частоте. Из-за (линейного) масштаба графика мы не можем видеть, что реактивное сопротивление стремится к нулю прямо в момент резонанса (что вызывает пик тока), потому что сам импеданс стремится к бесконечности на более высоких частотах. Но текущая строка дает нам понять, что что-то происходит на частоте 60 Гц.

Не вдаваясь в подробности об этом (мы сохраним это для следующей статьи), мы можем увеличить масштаб, чтобы увидеть, что происходит.Здесь красная линия — это реактивное сопротивление, синяя линия — сопротивление, а зеленая линия — величина импеданса:

Давайте посмотрим на это математически. Локальный входной импеданс этого каскада состоит из последовательно включенных резистора, катушки индуктивности и конденсатора, поэтому:

\ (\ displaystyle \ text {Локальный InZ полосы отклонения} = R + J (\ omega L- \ frac {1} {{\ omega C}}) \)

Член реактивного сопротивления (мнимый) стремится к нулю, когда члены, включающие L и C, взаимно компенсируются, что в нашем случае происходит прямо при 60 Гц.Однако общий импеданс не доходит до нуля из-за последовательного сопротивления R. Поэтому пик тока округляется. По мере того, как частота повышается после резонанса, член L берет верх, а общий импеданс увеличивается и увеличивается теоретически до бесконечности, как вы видели на увеличенном графике.

ddda0da3-523098562 3-5409238 5-0239582 3-059238 5-023985 23-095823 -059823098

Выходное сопротивление на данном этапе

Давайте переключим передачи и посмотрим на выходное сопротивление.Предположим, вы хотите узнать выходное сопротивление каскада N. Как показано ниже, при определении выходного импеданса вы должны учитывать не только любые импедансы в самом каскаде N, но и все каскады, которые ему предшествуют:

Как нам это найти? Что ж, мы могли бы найти выходное сопротивление каскада N-1 и рассматривать его как «источник» каскада N. Например:

Мы упоминали эту идею ранее, что выходное сопротивление одного каскада может стать сопротивлением источника другого.

Как определить выходное сопротивление ступени N-1? Итак, мы находим выходное сопротивление каскада N-2 и рассматриваем его как источник для каскада N-1. Вставьте это в трубку и закурите!

Выходное сопротивление первой ступени

Мы можем продолжать этот индуктивный процесс, пока не достигнем первой стадии. Затем мы достигаем граничного условия. Каков импеданс источника первой ступени? В SCE первые ступени всегда являются сенсорными. Ниже мы представили датчик в общем виде как идеальный источник напряжения вместе с последовательным импедансом Zs.Этот импеданс и есть выходное сопротивление каскада.

ПРИМЕЧАНИЕ №1: Конечно, существуют более сложные сценарии работы с датчиками, о которых мы не будем вдаваться. И отметим, что в случае датчиков источника тока мы можем просто преобразовать их в эквивалент Тевенина.

ПРИМЕЧАНИЕ № 2: В соответствии с тем, как определяются импедансы, мы устанавливаем напряжение датчика на ноль при определении выходного сопротивления.

Предположим, что у датчика нет последовательного импеданса. Тогда какое сопротивление мы используем для сцены? Итак, у нас есть идеальный источник напряжения, который по определению имеет нулевое выходное сопротивление.

ПРИМЕЧАНИЕ. Если вы используете источник тока для своего датчика, вам может быть интересно узнать, что выходное сопротивление идеального источника тока бесконечно.

Выходное сопротивление отдельных ступеней

Если мы хотим найти выходное сопротивление сигнальной цепи, имеющей только один каскад, и этот каскад не был датчиком , то что нам делать? Просто представьте, что к сцене подключен идеальный источник напряжения, как показано ниже. Таким образом, полное сопротивление источника, поступающего на нашу ступень, равно нулю.

Как всегда, мы должны установить напряжение источника равным нулю, чтобы найти полное сопротивление каскада.

Обратите внимание на симметрию между входным и выходным сопротивлением: для входных сопротивлений последняя ступень имеет подразумеваемую нагрузку с бесконечным сопротивлением. Что касается выходных сопротивлений, перед первым каскадом находится предполагаемый источник напряжения (который мы установили на ноль) с нулевым импедансом. Это суммировано на следующей диаграмме, которую мы показываем для сигнальной цепи, имеющей только один этап:

Далее мы рассмотрим три конкретных, но простых случая, чтобы помочь вам понять, как это работает.Мы рассматриваем три случая: (1) последовательный каскад, (2) шунтирующий каскад и (3) каскад делителя напряжения.

Выходное сопротивление последовательного каскада

Начнем с сигнальной цепи, состоящей исключительно из последовательного импеданса Zs:

Наша одиночная ступень, являющаяся по определению первой ступенью, имеет подразумеваемый источник напряжения с нулевым сопротивлением. Так каково полное выходное сопротивление? Для кого-то, кто смотрит справа, это выглядит как последовательно включенный импеданс Zs с нулевым сопротивлением источника.Конечным результатом является то, что выходное сопротивление — это полное сопротивление самого каскада.

Выходное сопротивление шунтирующего каскада

Далее мы рассматриваем шунтирующую стадию Zs в силу ее одиночества. Это опять же первая ступень по определению, она параллельна источнику напряжения с нулевым сопротивлением:

Для тех, кто смотрит справа, весь ток течет через ветвь источника напряжения, так как она короткая! Таким образом, выходной импеданс равен нулю.

Выходное сопротивление делителя напряжения

Далее мы рассмотрим делитель напряжения как нашу единственную ступень.Как и раньше наклеиваем на фронт идеальный источник напряжения:

Каков выходной импеданс этого каскада? Любой ток, протекающий в эту ступень справа, имеет два пути к земле: через Za и Zb. То есть у нас параллельная конфигурация. Таким образом, выходное сопротивление — это параллельное сопротивление двух ветвей.

Более сложные этапы

Используя наши простые одноступенчатые примеры, вы теперь должны начать понимать, как определяется выходное сопротивление. Очевидно, можно рассмотреть более сложные примеры каскадов, такие как каскад усилителя с замкнутым контуром, который мы увидим позже.В общем, это слишком много деталей для этой короткой и сладкой статьи, но идея рассмотрения последовательных и параллельных ветвей с нулевым сопротивлением источника, прикрепленным спереди, является основным трюком, который следует запомнить.

Однако есть еще одна концепция, которая напрямую связана с нашей одноступенчатой ​​конфигурацией: локальное выходное сопротивление .

Полное сопротивление местного выхода

Локальный выходной импеданс каскада определяется как выходной импеданс, который каскад имел бы, если бы был единственным каскадом в сигнальной цепи.Другими словами, это импеданс, который имел бы каскад, если бы это был первый каскад . Повторять:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Локальное выходное сопротивление = выходное сопротивление, как если бы ступень была первой ступенью

Вот диаграмма, иллюстрирующая это:

Чтобы повторить то, что мы узнали ранее о наших простых одиночных каскадах и как это теперь связано с локальным выходным сопротивлением, мы можем сказать:

\ (\ displaystyle \ text {Локальный OutZ этапа серии} = Zs \)

\ (\ displaystyle \ text {Local OutZ шунтирующего каскада} = 0 \)

\ (\ displaystyle \ text {Local OutZ делителя напряжения} = \ frac {{Za \, Zb}} {{Za + Zb}} \)

Выходное сопротивление с анализатором сигнальной цепи

Далее мы рассмотрим, как найти выходное сопротивление любого каскада в сигнальной цепи SCE.Ниже представлена ​​произвольная сигнальная цепочка, имеющая различные каскады, первый из которых представляет собой каскад с последовательным сопротивлением 10 Ом. На левой диаграмме показано, как выбирается этап последовательной передачи и где нажимать кнопку Local OutZ . График справа представляет собой зависимость импеданса от частоты, которая в данном случае представляет собой прямую линию при Zs = 10.

Вот то же самое для шунтирующего каскада на 10 Ом. На графике изображена прямая линия при 0 Ом.

А затем у нас есть каскад делителя напряжения с последовательным ответвлением на 3 Ом и параллельным ответвлением на 7 Ом.График снова показывает прямую линию — на этот раз при (3 x 4) / (3 + 4) = 1,714 Ом.

Чтобы напомнить вам, что импедансы могут быть сложными и изменяться в зависимости от частоты, вот пассивный полосовой фильтр и соответствующий график выходного импеданса:

У нас есть выемка прямо на 60 Гц, как по дизайну сцены. (F-резонанс был установлен на 60 Гц.)

Повторное рассмотрение местного выходного сопротивления каскада ОУ

В последней статье Short and Sweet мы обнаружили, что местные выходные импедансы повторителя усиления (также известного как неинверторный) и инверторного каскада идентичны при одном и том же усилителе и одинаковых значениях внешнего сопротивления.Чтобы освежить вашу память, вот два графика:

Чтобы понять, почему это так, пересмотрите определение, которое мы дали для местного выходного импеданса: это выходное сопротивление, которое каскад имел бы, если бы он был первым каскадом. Поскольку это первая ступень, подразумевается, что впереди находится источник напряжения с нулевым напряжением и нулевым сопротивлением. Для каскада повторителя усиления этот источник напряжения управляет положительным выводом операционного усилителя. Для инвертора он управляет отрицательным выводом.В обоих случаях несигнальный вывод идет на землю. Можно нарисовать оба этих каскада, используя одну и ту же топологию схемы, но с разной ориентацией сигнала, и при этом мы также добавим эти источники напряжения, которые установлены на ноль:

Если A — сигнальная линия, то у нас есть инвертор. Если B — сигнальная линия, у нас есть неинвертор (повторитель усиления). В любом случае, когда мы определяем локальный выходной импеданс, мы устанавливаем соответствующие источники напряжения («сигналы») на ноль, и при осмотре вы можете увидеть, что у нас такая же схема.Это означает, что местные выходные сопротивления будут такими же.

На всякий случай, если вы хотите знать, что такое локальный выходной импеданс, вот формула во всей красе, где G (jω) — коэффициент усиления ОУ без обратной связи, который зависит от частоты:

\ (\ displaystyle LocalOutZ = \ frac {{(Rf \, Rg + Rf \, Rin + Rg \, Rin) Roa}} {{Rf \, Rg + Rf \, Rin + Rg \, Rin + G (j \ omega) Rg \, Rin + Rg \, Roa + Rin \, Roa}} \)

Это изменяющееся усиление разомкнутого контура обеспечивает индуктивное поведение каскадов усилителя на выходе на промежуточных частотах.

Сводка

Вы узнали, как думать о входном и выходном импедансах, особенно в том, что касается линейных сигнальных цепей. И вы познакомились с концепцией локального входного и выходного импеданса каскада, которая получается, если притворяться, что каскад является единственным в сигнальной цепи. Подводя итог, можно сказать, что локальные входные импедансы находятся путем установки бесконечного импеданса нагрузки каскада. Локальные выходные импедансы находятся путем установки нулевого импеданса источника каскада.Мы повторяем схему, которую мы приводили ранее, чтобы помочь вам запомнить:

Вооружившись этими знаниями, теперь вы готовы исследовать сигнальные цепочки в Signal Chain Explorer и посмотреть, какие загадки вы можете раскрыть, исследуя взаимодействия между стадиями как с помощью локального, так и общего импеданса. С помощью Signal Chain Explorer визуализировать эти импедансы можно всего одним щелчком мыши.

bjt — Входное сопротивление одноступенчатого усилителя напряжения?

Из-за того, что биполярный транзистор является сильно нелинейным устройством, чтобы упростить анализ схемы, мы используем модель слабого сигнала BJT с высокой степенью линеаризации.Верно только для «малого» сигнала переменного тока (пик 10 мВ).

http://www.ittc.ku.edu/~jstiles/412/handouts/5.6%20Small%20Signal%20Operation%20and%20Models/section%205_6%20%20Small%20Signal%20Operation%20and%20Models%20lecture. pdf

Если мы заменим транзистор в вашей схеме на модель с гибридным π, ваша схема будет выглядеть так:

^{смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

Где:

\ $ r _ {\ pi} = \ frac {\ beta} {g_m} \

$

\ $ g_m = \ frac {I_C} {V_T} \ приблизительно \ frac {I_C} {26mV} \ $

\ $ I_C \ $ — ток покоя коллектора (постоянный ток коллектора).

В гибридной π-модели мы рассматриваем BJT как источник тока, управляемый напряжением (vbe) (Ic). Это означает, что ток коллектора Ic определяется и управляется напряжением Vbe, а не базой входного тока Ib.

И если вы построите график \ $ I_C \ $ vs \ $ V_ {BE} \ $

\ $ g_m \ $ — наклон этой кривой

В общем, крутизна \ $ g_m \ $, попросту говоря, — это «усиление» для любого усилителя крутизны. А поскольку усилитель крутизны — это не что иное, как источник тока, управляемый напряжением (VCCS), выражение для усиления имеет вид \ $ g_m = \ frac {I_ {out}} {V_ {in}} = \ frac {dI_C} {dV_ {BE}}

долларов США

И, например, чтобы найти выходное напряжение в вашей схеме усилителя, мы можем использовать узловой анализ и записать для выходного узла:

$$ \ frac {V_ {OUT}} {R_1} + g_m \ cdot V_ {IN} + \ frac {V_ {OUT} — V_ {IN}} {R_2} = 0 $$

И найдите коэффициент усиления по напряжению:

$$ A_V = \ frac {V_ {OUT}} {V_ {IN}} = — \ frac {g_m R_1 R_2 — R_1} {R_1 + R_2} = — \ frac {g_m R_1 — \ frac {R_1} {R_2 }} {1 + \ frac {R_1} {R_2}} \ приблизительно — г_м R_1 || R_2 $$

И чтобы найти входное сопротивление, мы можем использовать тот же подход и решить для

\ $ R_ {IN} = \ frac {V_ {IN}} {I_ {IN}} \

$

Но мы также можем использовать теорему Миллера

Теорема Миллера — входная емкость

И при осмотре найти \ $ R_ {IN} \ $

$$ R_ {IN} = \ left (\ frac {R_2} {1 + | A_V |} \ right) || \: r _ {\ pi} = \ frac {R_2 r _ {\ pi}} {R_2 + ( 1 + | A_V |) r _ {\ pi}} $$

Согласование импеданса

— Как работает передача напряжения и мощности в каскадных усилителях?

Вы писали:

На пути к сопротивлению нагрузки мы максимизируем передаваемое напряжение, но когда перед сопротивлением нагрузки мы максимизируем мощность, передаваемую за счет согласование импедансов

, и это, кажется, означает, что вы полагаете, что максимальная мощность на нагрузке будет передаваться, когда импедансы совпадают.2 / R = 100Вт. Вы идете в торговый центр и находите три батареи на 10 В, каждая с разным внутренним сопротивлением (это странный магазин, не только продают батареи с нестандартным напряжением, но также указывают свое внутреннее сопротивление …). Первая батарея имеет внутреннее сопротивление 0,1 Ом, вторая 1 Ом, третья 10 Ом (по какой-то причине они в скидке).

Какая батарея обеспечивает максимальную передачу мощности на вашу 1-ю нагрузку? Уж точно не тот, с огромным внутренним сопротивлением.Но даже не тот, у которого «согласованное» сопротивление 1 Ом. На самом деле, неудивительно, что именно батарея на 0,1 Ом обеспечивает самую высокую мощность для RL.

• В = 10 В, Rs = 0,1 Ом, RL = 1 Ом

• PRL = 82,6 Вт

• В = 10 В, Rs = 1 Ом, RL = 1 Ом

• PRL = 25 Вт

• В = 10 В, Rs = 10 Ом, RL = 1 Ом

• PRL = 0,82 Вт

Итак, о чем же тогда эта теорема о максимальной передаче мощности? Что ж, рассмотрим только батарею, какова максимальная мощность, которую он может развивать (не поставлять , развивать)? Замкните его, и вы увидите, что вся его мощность переходит в тепло, рассеиваемое его внутренним сопротивлением (представляющим сложные внутренние процессы, которые нас не интересуют).Для трех указанных выше батарей мощность короткого замыкания составляет

.

• Rs = 0,1 Ом, PCC = 1000 Вт
• Rs = 1 Ом, PCC = 100 Вт
• Rs = 10 Ом, PCC = 10 Вт

проблема в том, что в лучшем случае (да, когда есть согласование) только четверть этой мощности может быть доставлена ​​на нагрузку. Таким образом, в первом случае вы можете получить максимум 250 Вт на нагрузке 0,1 Ом, во втором — 25 Вт на нагрузке 1 Ом, а в третьем — 2,5 Вт на нагрузке 10 Ом.

Если вы решите купить аккумулятор, соответствующий вашей нагрузке, т.е.е. тот, с внутренним сопротивлением 1 Ом, поздравляю, вы удовлетворяете теореме о максимальной передаче мощности, но вместо идеально максимальных 100 Вт на вашей нагрузке вы получаете только 25 Вт. Да, 25 Вт — это максимум, который вы можете получить для такого типа батареи, но это скудное удовлетворение, поскольку ваша нагрузка недостаточна.

Чтобы увидеть, что происходит графически, давайте рассмотрим выражения для мощности, рассеиваемой на нагрузке, и для внутреннего сопротивления в цепи, состоящей из генератора напряжения с внутренним сопротивлением Rs, который создает делитель напряжения с нагрузкой RL.Выбирая среднеквадратичные значения, мы можем притвориться, что все еще находимся в состоянии постоянного тока, и формулы следующие:

Если мы сосредоточимся на мощности, рассеиваемой нагрузкой, мы увидим, что она имеет две различные функциональные формы, в зависимости от того, от какого параметра мы считаем ее функцией. Если мы рассматриваем его как функцию от RL, он имеет форму колокола с пиком для RL = Rs (да, это действительно колокол, если вы изобразите его в логарифмической шкале),

, но если мы видим, что это функция Rs, это монотонно убывающая функция (при Rs> = 0), имеющая конечный максимум в Rs = 0.

Итак, выбор RL = Rs максимизирует мощность на RL, когда задано Rs, и вы видите мощность как функцию от RL, но если вам дан RL и вы можете выбрать Rs, то значение, которое максимизирует мощность на RL, равно Rs. = 0, и НЕ Rs = RL.

Между прочим, мощность, рассеиваемая Rs, имеет двойную функциональную форму, и когда вы увидите PRS как функцию RL, вы увидите, что выбор Rs = RL — это то, что максимизирует мощность, потерянную Rs.

Вот графики (извините, здесь Rs называется Rout) для мощностей, рассеиваемых RL (синим цветом) и Rs (красным), в зависимости от RL

и вот те же полномочия, рассматриваемые как функции Rs (называемые Rout)

Наконец, вот мощность, рассеиваемая RL как функция как RL, так и Rs (она по-прежнему называется Rout, и числовые значения, используемые для этого графика, отличаются от двумерных — просто для эстетики)

Согласование импеданса проходит вдоль линии RL = Rs в горизонтальной плоскости, но это не обязательно тот выбор, который обеспечит максимальную мощность на RL.

Что ж, с точки зрения мощности , вы хотите согласовать импедансы, когда вы хотите извлечь весь сок, который вы можете из источника. Вернемся к примеру с батареей: лучший из трех вариантов, который дает более высокую мощность для нагрузки, — это не согласованный импеданс, а вариант с Rs = 0,1 Ом, который обеспечивает 82,6 Вт на RL. Даже если это самое близкое к номинальным 100 Вт, которое вы ожидаете от приложения 10 В на нагрузке 1 Ом, это всего лишь малая часть максимальной мощности 250 Вт для батареи такого типа.Но даже если я извлекаю лишь малую часть того, что мог бы, если моя цель — обеспечить номинальную мощность моей нагрузки (независимо от того, насколько эффективно я выжимаю из нее сок), это лучший выбор. Если бы я хотел высосать из этой батареи все, что смог, мне пришлось бы выбрать другую нагрузку, соответствующую ее внутреннему сопротивлению, то есть нагрузку 0,1 Ом; в этом случае я смог бы высосать все поставляемых 250 Вт.

• Итак, если бы источником был солнечный элемент, я бы сделал все возможное, чтобы получить все сок из него по дизайну первая ступень моего солнечного зарядного устройства таким образом, чтобы он соответствовал его сопротивлению — не позволять ему просто сидеть там на солнце.
• В приведенном выше примере с батареей я бы выбрал импеданс совпадение, если бы я сделал видео на YouTube о плавлении металлов с помощью автомобиля батарея: слишком низкая нагрузка и я просто закиплю батарею, слишком высокая нагрузки и ничего особенного не происходит (даже если нагрузка рисует почти вся его номинальная мощность), соответствие RL = Rs и максимальная опасность и начинается фейерверк.

Если вы работаете с в AC и вам нужно манипулировать импедансами, согласование имеет дополнительный бонус в виде компенсации реактивных сопротивлений Zs и ZL.

Если вы используете в RF , у согласования есть совершенно новая причина, поскольку оно устраняет отражения, возникающие при несоответствии импеданса, тем самым уменьшая или устраняя проблемы целостности сигнала и неэффективную передачу энергии.

А иногда требуется соответствие чистому соответствию стандартам . Представьте себе мир, в котором генераторы функций и электронные приборы имеют случайные импедансы. Даже если вы не достигнете достаточно высоких частот, где отражения могут быть проблемой, у вас все равно будет проблема с делителем: ваш осциллограф имеет входное сопротивление 13 Ом, а ваш генератор имеет выходное сопротивление 74 Ом… какое напряжение вы увидите? А когда вы используете другой функциональный генератор с выходным сопротивлением 123 Ом? Безумие. Возьмем разумное стандартное значение — или ограниченный набор таких значений — и все станет проще.

В усилителях , ну обычно нужно знать, что вы хотите усилить. Если это напряжение, вам нужен максимально возможный входной импеданс, а если вы хотите усилить ток, вы будете искать самое низкое входное сопротивление. Да, потребляемая мощность будет незначительной, но вы можете рассчитывать на последнюю ступень, чтобы передать нужное количество мощности вашей нагрузке.Для этого и предназначен последний буфер: вы усиливаете напряжение по цепи, а затем «добавляете» ток. Иногда вы добавляете каскад, единственная цель которого — преобразовать низкий импеданс в высокий импеданс (или наоборот). Мощность, подаваемая на сцену, будет обеспечивать дополнительный ток или напряжение, необходимое для предотвращения потери децибел. Конечно, в усилителях RF вы можете захотеть согласовать импеданс каждого каскада, но пороговая частота, выше которой это имеет смысл, зависит от масштаба интеграции (как описано в другом ответе).

7.6: Многокаскадные усилители — Engineering LibreTexts

Для достижения более высокого усиления, чем мы можем получить от одного каскада, можно каскадировать два или более каскада. Могут использоваться различные типы смещения вместе со смесью конфигураций переменного тока, таких как общий коллекторный повторитель для первого каскада, который управляет усилителем напряжения с общим эмиттером. Также может присутствовать сочетание устройств NPN и PNP.

В общем, каждый этап служит нагрузкой для предыдущего этапа.То есть \ (Z_ {in} \) одной стадии — это \ (R_L \) предыдущей стадии. Затем коэффициенты усиления отдельных каскадов умножаются, чтобы получить коэффициент усиления системы. Входное сопротивление системы — это входное сопротивление только первой ступени. Источник управляет только первой ступенью. Первая ступень, в свою очередь, управляет второй ступенью и так далее. Следовательно, источник «видит» только первую ступень, потому что это единственная ступень, на которую он подает ток. Аналогичным образом, выходной импеданс системы равен \ (Z_ {out} \) последней ступени.Пример показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Двухкаскадный усилитель.

В этой схеме первый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером без затухания, использующий смещение эмиттера с двумя источниками питания. Второй этап — это усиленный усилитель с общим эмиттером, использующий смещение делителя напряжения. Что касается анализа постоянного тока, это две отдельные схемы. Конденсатор межкаскадной связи \ (C_ {inter} \) предотвращает влияние потенциала постоянного тока на коллекторе первого транзистора со смещением, установленным \ (R_1 \) и \ (R_2 \) для транзистора номер два.Для расчета переменного тока первая ступень анализируется обычным образом, за исключением того, что ее нагрузочное сопротивление состоит из \ (R_1 || R_2 || Z_ {in-base2} \) (то есть \ (Z_ {in} \) ступени 2). Второй этап анализируется без изменений, и его коэффициент усиления умножается на коэффициент усиления первого этапа, чтобы получить окончательный коэффициент усиления для пары. Входное сопротивление системы равно \ (R_B || Z_ {in-base1} \) (т.е. \ (Z_ {in} \) ступени 1).

Должно быть очевидно, что каскадированием нескольких каскадов можно достичь очень высоких коэффициентов усиления системы, даже если каждый каскад сильно заглушен, чтобы уменьшить искажения.Например, три забитых каскада с общим эмиттером с коэффициентом усиления по напряжению всего 10 каждый дадут коэффициент усиления по напряжению системы в 1000 раз.

7.6.1: Прямое соединение

Проявив немного творчества, можно создать многоступенчатые конструкции, в которых используется меньше компонентов, но достигается более высокая производительность. Один из способов — использовать прямое соединение стадий. Прямое соединение позволяет постоянному току течь от ступени к ступени. Таким образом, можно разработать усилитель без нижнего предела частоты.Пример показан на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Усилитель с прямой связью.

В этом двухкаскадном усилителе не используются конденсаторы связи и резисторы делителя напряжения для второго каскада ¹ . Вот как это работает: Первый каскад представляет собой довольно обычный затопленный усилитель с общим эмиттером, использующий смещение эмиттера с двумя источниками питания. Он также использует пару Дарлингтона, чтобы максимизировать входное сопротивление. Поскольку базовый ток настолько мал, падение постоянного тока на \ (R_B \) может быть достаточно небольшим, чтобы его можно было игнорировать, поэтому мы можем отказаться от входного конденсатора связи.Потенциал постоянного тока на коллекторе Дарлингтона прикладывается непосредственно к базе второй ступени. Он используется для установки смещения второй ступени через эмиттерные резисторы второй ступени. Именно это мы сделали со схемой на рис. 7.3.5. Единственное отличие состоит в том, что здесь базовое напряжение получается из предыдущего каскада, а не из делителя напряжения. Вычисления для \ (I_C \), \ (r’_e \) и т.п. продолжатся без изменений. В любом случае это устраняет два резистора смещения и еще один конденсатор связи.

Обратите внимание на использование устройства PNP для второй ступени. При использовании PNP напряжение на его коллекторе должно быть меньше напряжения на эмиттере. Поскольку мы также используем биполярный источник питания, мы можем исключить необходимость в конечном выходном конденсаторе связи. Все, что нам нужно сделать, это установить такие значения резистора, чтобы падение на \ (R_ {C2} \) было таким же, как \ (V_ {EE} \). Это установит напряжение коллектора постоянного тока второй ступени на 0 вольт. Если нет постоянного напряжения, то блокировать нечего и, следовательно, нет необходимости в конденсаторе связи.

Список литературы

¹ В этой схеме используются шунтирующие конденсаторы эмиттера, поэтому усиление по постоянному току будет меньше, чем по переменному току. В этом смысле можно сказать, что этот усилитель не полностью связан по постоянному току.

Как входной и выходной импеданс влияют на производительность рабочего усилителя

Обсуждая операционные усилители, мы часто ссылаемся на входное сопротивление и выходное сопротивление операционного усилителя , оба из которых являются важными характеристиками, поскольку они напрямую определяют производительность усилителя и типы нагрузок, которые они могут управлять.В этой статье давайте подробно обсудим, как эти два параметра влияют на работу операционного усилителя и насколько важно их учитывать при проектировании схемы.

Входное сопротивление операционного усилителя

Предполагается, что входное сопротивление идеального операционного усилителя бесконечно, но в реальной жизни это не так. Каждый электрический ввод, источник или потребляет небольшое количество тока. Это можно смоделировать как резистор, подключенный параллельно входу, как показано на рисунке ниже.

На приведенной выше диаграмме входной импеданс представлен в виде резистора, поскольку в большинстве случаев это верно. Однако входы тоже имеют небольшую емкость. Это не проблема на более низких частотах, поскольку это приводит только к уменьшению времени нарастания и спада. Однако на достаточно высоких частотах эта емкость может создавать значительную нагрузку для сигналов переменного тока и препятствовать временам нарастания и спада, что также может привести к искажению сигнала.

Выходное сопротивление операционного усилителя

Идеальный усилитель должен обеспечивать подачу тока любой величины на любую нагрузку.Это возможно с помощью мощного выходного каскада драйвера, однако сам по себе пустой усилитель имеет некоторые ограничения с точки зрения того, какой ток он может обеспечить. Например, обычный операционный усилитель LM358 может потреблять / потреблять только 40 мА / 20 мА. Это ограничение в выходном преобразователе можно рассматривать как резистор, включенный последовательно с идеальным выходом, как показано на рисунке ниже.

Так как выходной сигнал виден только на другой стороне резистора, если выход будет перегружен слишком сильно, на резисторе произойдет значительное падение напряжения, и выходной сигнал не будет фактическим выходным сигналом, обеспечиваемым усилителем.Этому можно противодействовать, добавив выходной каскад, который дополнительно усиливает сигнал и делает его пригодным для управления большими нагрузками.

Влияние входного и выходного сопротивления на усилители

Сами по себе эти две проблемы можно преодолеть, но при каскадном каскаде усилительных каскадов это начинает превращаться в проблему.

Выходное сопротивление первого усилителя и входное сопротивление второго усилителя вместе образуют делитель напряжения , который ослабляет сигнал, воспринимаемый вторым усилителем.Входная емкость второго усилителя и выходное сопротивление первого также действуют как фильтр нижних частот и могут отфильтровывать более высокие частоты, которые могут быть нежелательными.

Используя концепцию делителя напряжения, формулы для входного и выходного напряжений усилителя могут быть рассчитаны с учетом усиления, полного сопротивления источника и выходного сопротивления.

  V  в  = источник V   • (Z  в  / (R  s  + Z  в ))  

Где V _в — входное напряжение, которое видит усилитель, V _{источник} — входное напряжение, Z _в — входное сопротивление, а R _s — полное сопротивление источника.

Напряжение выходной нагрузки можно рассчитать аналогично:

  В  нагрузка  = В  на выходе  • (R  нагрузка  / (R  нагрузка  + Z  на выходе ))  

Где V _load — напряжение на нагрузке, V _out — выход усилителя, R _load — сопротивление нагрузки, а Z _out — выходное сопротивление усилителя.

В _из также можно заменить на входное напряжение, умноженное на усиление.

Выходное сопротивление также можно рассчитать по эквивалентной схеме Тевенина :

  Z  из  = V  o  / I  s   

Где V _o — выходное напряжение при разомкнутой цепи выхода, а I _s — выходной ток при коротком замыкании выхода. Эта формула предполагает линейную зависимость между выходным напряжением и током.

Входное и выходное сопротивление усилителей являются следствием паразитного сопротивления и емкости на входе и выходе.Также представлены формулы для этого. Знание этих ограничений и способов их преодоления позволяет создать успешный усилитель.

Усилители и Импеданс

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Разберитесь в преимуществах управления входным и выходным сопротивлением усилителей.
• Общие сведения о типовых схемах, используемых для увеличения входного сопротивления усилителя.
• • Входы JFET.
• • Пара Дарлингтона.
• • Начальная загрузка
• Общие сведения о типовых схемах, используемых для уменьшения выходного сопротивления усилителя.
• • Ступени повторителя эмиттера

Imedance входа и выхода

Входное и выходное сопротивление усилителя являются очень важными параметрами, влияющими на общий коэффициент усиления в многокаскадных усилителях.Модуль 7.2 теории переменного тока описывает, как правильное согласование снижает потери сигнала между выходом одного усилителя и входом следующего в многокаскадных усилителях. В этом разделе рассматриваются практические методы получения подходящих входных и выходных сопротивлений, когда усилители взаимодействуют с типичными устройствами ввода и вывода, такими как микрофоны и громкоговорители.

Источники аудиовхода, такие как микрофоны, звукосниматели, радиотюнеры и т. Д., Могут иметь импеданс от нескольких сотен до нескольких тысяч Ом.Если входы аудиоусилителя могут обслуживать несколько различных источников входного сигнала, переключите выбираемые входы для компенсации определенных входных устройств, как описано в Модуле усилителя 4.1.

Конечный (выходной) каскад многокаскадного усилителя должен приводить в действие «преобразователь», который преобразует энергию электрического сигнала, производимого усилителем, в другую полезную форму. Например, электрические волны, создаваемые усилителем звука, будут преобразованы громкоговорителем в звуковые волны (давление воздуха).Радиочастотный (РЧ) усилитель в передатчике может использоваться для управления антенной, или усилитель постоянного тока может приводить в действие электродвигатель или реле. Любой или все из этих преобразователей могут иметь довольно низкие импедансы и требовать значительных величин сигнального тока или мощности, а не больших сигнальных напряжений для их работы. Следовательно, выходному каскаду усилителя может потребоваться низкий выходной импеданс, намного меньший, чем это было бы возможно при использовании усилителей напряжения с общим эмиттером, описанных в Модуле 4 усилителей.С 1 по 4.3.

В этом разделе описаны некоторые типы схем усилителя тока и напряжения, которые обычно используются для изменения входного и выходного сопротивления. Выходные каскады мощности описаны в Модуле 5 усилителя.

Входной каскад на полевых транзисторах

Рис. 4.3.2 Входной каскад на полевом транзисторе с высоким сопротивлением

Там, где на входе усилителя требуются очень высокий импеданс и низкий уровень шума, во входном каскаде усилителя обычно используют полевой транзистор (FET). Очень высокий входной импеданс достигается с JFET, поскольку его затвор управляется напряжением, а не током.Таким образом, JFET практически не потребляет ток от устройства, подключенного ко входу усилителя. Еще более высокие входные сопротивления доступны при использовании полевых МОП-транзисторов с изолированной конструкцией затвора (IGFET). Хотя полевые транзисторы обычно имеют меньшее усиление по напряжению и меньшую полосу пропускания, чем транзисторы BJT, они также создают гораздо меньше внутреннего шума, что делает их идеально подходящими для использования на ранних стадиях усилителя, где важно хорошее соотношение сигнал / шум.

Операция

Поскольку входное сопротивление JFET чрезвычайно велико, входное сопротивление схемы приблизительно равно значению R1, и, поскольку на вход практически не течет ток, на R1 нет потенциала, поэтому затвор Tr1 эффективно работает. при нулевом напряжении.Для правильной работы затвор N-канального JFET должен быть более отрицательным, чем источник, это достигается за счет того, что источник Tr1 становится положительным. Сигнал, подаваемый на затвор, будет затем изменять напряжение затвора и, таким образом, изменять ток стока через полевой транзистор. Смещение JFET устанавливается посредством R2 и R3. Поскольку усиление JFET не особенно велико, дополнительное усиление обеспечивается PNP-транзистором Tr2. Общий коэффициент усиления двухкаскадного усилителя устанавливается примерно на 11 из-за отрицательной обратной связи, обеспечиваемой R4 и R5.

Развязка

Рис. 4.3.3 Разъединение питания

(Из Рис. 4.3.2)

На рис. 4.3.2, R3 развязан с помощью C2, так что нижний конец R4 фактически находится под потенциалом земли, если речь идет о переменном токе, значение C2 не особенно велико в этой схеме, так как чем больше значение электролитического конденсатора, тем больше шума он будет производить, а цель схемы — свести к минимуму внутренний шум. Конденсаторы связи C1 и C4 (также относительно небольшие) обеспечивают изоляцию от любых напряжений постоянного тока, присутствующих в любых подключенных цепях.Использование очень высокого значения для R1 дает высокий входной импеданс, но чем выше значение, тем более склонна цепь к нестабильности и колебаниям. Чтобы предотвратить эту возможность, необходима эффективная развязка от других цепей и источника питания, развязка здесь обеспечивается R6 и C3, как показано на рис. 4.3.3.

Последователь Эмиттера

Рис. 4.3.4 Эмиттерный повторитель

Усилители с общим эмиттером обычно имеют выходное сопротивление от среднего до высокого, значение которого в основном зависит от номинала нагрузочного резистора в конечном каскаде усиления.Многие типичные преобразователи, такие как громкоговорители, реле, двигатели и т. Д., Являются индуктивными устройствами с низким импедансом всего в несколько Ом.

Подключение таких устройств к выходу усилителя напряжения с сопротивлением нагрузки в несколько тысяч Ом приведет к плохому согласованию импеданса, причем практически весь выход будет развиваться на нагрузочном резисторе, а не на нагрузке. Один из ответов на эту проблему — уменьшить выходное сопротивление с помощью эмиттерного повторителя, который представляет собой отдельный транзистор, подключенный в режиме общего коллектора.

Режим общего коллектора

В этой конфигурации коллекторный вывод используется как общее соединение для входа и выхода. В схеме (рис. 4.3.4) вход транзистора подключен между базой и землей, а выход подключен через нагрузочный резистор между эмиттером и землей. Помните, что с коллектором, подключенным непосредственно к источнику питания, коллектор находится под потенциалом земли в отношении переменного тока из-за наличия больших разделительных конденсаторов, подключенных между источником питания и землей.

Усилитель с общим коллектором называется эмиттерным повторителем, потому что выходной сигнал, снимаемый с эмиттера, находится в фазе с входным напряжением на базе и «следует» за ним. Фактически, напряжения базы и эмиттера почти идентичны, поэтому эмиттерный повторитель имеет коэффициент усиления по напряжению 1 (на практике немного меньше) из-за 100% отрицательной обратной связи, создаваемой резистором нагрузки эмиттера, который не развязан, как это было бы в нормальном случае. в обычном эмиттерном усилителе. Это приводит к тому, что полная амплитуда выходного сигнала подается обратно на базу, давая коэффициент усиления β замкнутого контура, равный 1.

Следовательно, эмиттерный повторитель не может использоваться в качестве усилителя напряжения. Однако у него есть и другие очень полезные свойства. Его коэффициент усиления по току велик и приблизительно равен коэффициенту усиления по току (h _fe ) транзистора. Входной импеданс схемы высокий, обычно 100 кОм или более, хотя это в некоторой степени будет зависеть от номинала резистора смещения базы R1 на рис. 4.3.4, который параллелен входному сопротивлению транзистора, но этот эффект шунтирования можно уменьшить с помощью «начальной загрузки».Выходное сопротивление схемы очень низкое, обычно в районе 50 Ом. Из-за его использования для согласования усилителей напряжения с относительно высоким выходным импедансом и нагрузок с низким импедансом эмиттерный повторитель также может называться «буферным усилителем».

Эмиттерный повторитель как регулятор напряжения

Рис. 4.3.5 Регулятор напряжения эмиттерного повторителя

Еще одно применение эмиттерного повторителя — в качестве регулятора напряжения, он полезен в источниках питания, где небольшое напряжение может использоваться для регулирования большого тока., как показано на рис. 4.3.5. Эта схема гарантирует, что регулируемый источник питания 5 вольт остается при правильном напряжении, даже если напряжение питания 12 вольт изменяется. Точные пять вольт также поддерживаются для диапазона токов, потребляемых питающей цепью. Регулирования можно достичь, просто используя комбинацию резистора и стабилитрона, но при использовании эмиттерного повторителя можно справиться с гораздо более высокими токами.

Обратите внимание на рис. 4.3.5, что стабилитрон имеет номинальное напряжение 5 В6 (то есть 5,6 вольт), это будет поддерживать базу транзистора при этом напряжении, а эмиттер транзистора — на 0.Напряжение на 6 В ниже базового, будет поддерживаться на уровне 5 В. Таким образом, небольшой ток, поддерживающий базовое напряжение на уровне 5,6 В, может точно контролировать гораздо больший ток, протекающий через коллектор и эмиттер.

Схема эмиттерного повторителя также является основой многих двухтактных каскадов выходных усилителей мощности классов B и AB, описанных в Модуле 5 усилителей

Эмиттерный повторитель, преобразованный в пару Дарлингтона

Рис. 4.3.6 Пара Дарлингтона

Эффект высокого входного импеданса заключается в уменьшении входного тока усилителя.Если входной ток для данного входного напряжения уменьшается каким-либо способом, это приводит к увеличению входного импеданса. Эмиттерный повторитель имеет высокое входное сопротивление, но его можно снизить до неприемлемого уровня за счет наличия резистора смещения базы.

Однако другая схема, составная или пара Дарлингтона, показанная на рис. 4.3.6, может значительно увеличить входное сопротивление. При использовании одного эмиттерного повторителя (Tr1) для управления другим (Tr2) общий коэффициент усиления по току становится произведением отдельных коэффициентов усиления, h _fe 1 x h _fe 2 и обычно может составлять 1000 или более.Это значительно снижает ток сигнала, необходимый для базы Tr1, и тем самым резко увеличивает входной импеданс.

Пара Дарлингтона, использующая усилители с общим эмиттером

Рис. 4.3.7 Схема общего эмиттера

Пара Дарлингтона также может использоваться в режиме общего эмиттера, как показано на рис. 4.3.7. Транзисторы Дарлингтона также доступны в комбинированных корпусах типов PNP и NPN, в комплекте с защитными диодами от обратной ЭДС, которые обычно требуются, когда конфигурация Дарлингтона используется в качестве выходного устройства с высоким коэффициентом усиления для переключения сильноточных индуктивных нагрузок.

Рис. 4.3.8 Интегральная схема Дарлингтона ULN2803

Усилители Дарлингтона

также доступны в форме интегральных схем, таких как ULN2803, который содержит восемь сильноточных усилителей Дарлингтона с выходами с открытым коллектором для взаимодействия между логическими схемами TTL (5 В) и высоким током / высоким напряжением (до 500 мА и 50 В. ) устройства. Когда контакт 10 подключен к + V, каждый выход имеет диодную защиту для управления индуктивными нагрузками от спины.м.ф.

Начальная загрузка

Самозагрузка (использование положительной обратной связи для подачи части выходного сигнала обратно на вход, но без возникновения колебаний) — это метод очевидного увеличения значения постоянного резистора в том виде, в котором он отображается для сигналов переменного тока, и, таким образом, увеличения входного импеданса. Базовый усилитель начальной загрузки показан на рис. 4.3.8, где конденсатор C _B является «конденсатором начальной загрузки», который обеспечивает обратную связь переменного тока на резистор, включенный последовательно с базой. Значение C _B будет большим, примерно в 10 раз больше самой низкой обрабатываемой частоты, умноженного на номинал последовательного резистора (10ƒ _мин R3).

Рис. 4.3.8 Начальная загрузка, примененная к эмиттерному повторителю

Хотя используется положительная обратная связь, которая обычно вызывает колебания усилителя, коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя меньше 1, что предотвращает колебания.

На рис. 4.3.8 база эмиттерного повторителя смещена от делителя потенциала через R3. Путем подачи выходного сигнала обратно на левую сторону R3, напряжение на этом конце R3 повышается и понижается по фазе с входным сигналом на базовом конце R3.

Поскольку выходной сигнал эмиттерного повторителя имеет немного меньшую амплитуду, чем базовый сигнал (из-за коэффициента усиления транзистора менее 1), на R3 будет очень слабая форма сигнала тока. Такая небольшая форма волны тока предполагает, что протекает очень небольшой ток; поэтому сопротивление R3 должно быть очень высоким, намного выше, чем оно есть на самом деле. Поэтому входное сопротивление усилителя было увеличено.

Эффективное значение переменного тока R3 увеличивается на R3 ÷ (1 -A _o ), где A _o — коэффициент усиления без обратной связи усилителя.

Например, резистор 47 кОм с начальной загрузкой будет выглядеть так:

Итак, если A _O = 0,98, кажущееся значение R3 будет 47 x 10 ³ ÷ (1- 0,98) = 2,35 МОм

Главный недостаток этого метода увеличения входного импеданса по сравнению с другими методами заключается в том, что использование положительной обратной связи может увеличить шум и искажения.

Начало страницы

Согласование импеданса

• Изучив этот раздел, вы сможете описать:
• • Согласование импеданса
• • Влияние входного и выходного сопротивления на усиление усилителя

Рис 7.2.1 Определение частоты импеданса.

Компонент или цепь не будут иметь одинаковый импеданс на всех частотах. Обычно для входов и выходов на многих типах оборудования их импедансы указываются в Ом и предполагают общую частоту для этого конкретного типа оборудования. Например, в аудио обычно используется частота 1 кГц в качестве стандарта для измерения импеданса. Это связано с тем, что 1 кГц — это приблизительно центр полосы пропускания аудиоусилителя, измеренной в логарифмической шкале, как показано на рис. 7.2.1. В оборудовании, предназначенном для соединения с другими устройствами, следует обратить внимание на то, что большинство входов (к усилителям и т. Д.) Имеют высокие импедансы (в Ом), тогда как выходы имеют гораздо более низкие импедансы. Причина этого в эффектах импеданса.

Рис. 7.2.2 Входное и выходное сопротивление

Можно считать, что усилитель имеет два импеданса, которые влияют на способ его подключения к другим усилителям, один импеданс считается подключенным к входным клеммам (потому что, когда к этим клеммам подключен входной источник, ток течет через клеммы, следовательно, должен быть импеданс (показанный в виде резистора), чтобы ток мог протекать через них.На выходе есть еще один воображаемый резистор (импеданс), на этот раз подключенный последовательно с потоком тока. Эффект этого выходного импеданса заключается в уменьшении напряжения на выходных клеммах, и чем больше тока, потребляемого на выходе, тем больше уменьшается напряжение на клеммах, поэтому должно быть (невидимое) сопротивление, на котором падает напряжение. Входной и выходной импедансы усилителя показаны на рис. 7.2.2

.

Фиг.7.2.3 Согласование входного и выходного импедансов.

Согласование импеданса входов и выходов необходимо, потому что коэффициент усиления одиночного усилителя часто недостаточен для данной цели. По этой причине используются несколько каскадов усиления, которые включают подачу выхода одного усилителя на вход другого. Это называется подключением усилителей в «Каскаде». В этом случае важно, чтобы выходной импеданс первого усилителя и входной импеданс второго усилителя эффективно формировали делитель потенциала, как показано на рис.7.2.3 не уменьшают чрезмерно общий коэффициент усиления каскадных усилителей.

Согласующие усилители напряжения

Если усилители представляют собой усилители напряжения, то есть каскады усилителей, коэффициент усиления по напряжению которых больше, чем их коэффициент усиления по току или мощности, форма волны напряжения должна передаваться от одного каскада к другому с как можно меньшим уменьшением амплитуды напряжения. Обратите внимание, что выходное сопротивление первой ступени и входное сопротивление второй ступени образуют делитель потенциала, как показано в заштрихованной части рис.7.2.3. Напряжение, доступное на стыке двух импедансов, будет зависеть от относительных значений Z _в (B) и Z _{на выходе} (A). Чем выше значение импеданса, тем большее напряжение будет развиваться на нем для данного тока. При условии, что Z _из (A) намного меньше, чем Z _в (B), большая часть доступного напряжения в точке X (вход в каскад B) будет развиваться через его входное сопротивление Z _в (B). ), и поэтому через входные клеммы каскада B, а не через выходное сопротивление первого усилителя.

Согласованные усилители мощности

Однако в случае усилителей мощности, поскольку ток формы волны распределяется между входным и выходным импедансами в противоположных пропорциях, чем напряжение формы волны, максимальная мощность (V x I) передается с выхода на вход, если оба импеданса равны.

Значения входного и выходного импеданса, таким образом, существенно влияют на коэффициент усиления многокаскадных усилителей. Всегда есть некоторая потеря амплитуды сигнала, которая возникает из-за соединения последовательных каскадов усилителя, и при вычислении общего коэффициента усиления многокаскадного усилителя общее усиление будет меньше, чем равно произведению отдельных коэффициентов усиления каждого усилителя.То есть, если каждый каскад двухкаскадного усилителя имеет коэффициент усиления 10, то можно предположить, что общий коэффициент усиления составляет 10 x 10 = 100; однако на практике это недостижимо из-за потерь связи, возникающих при согласовании усилителей, и даже из-за лучшего согласования импеданса, в результате получается немного меньшее усиление. Значение входного и выходного импеданса может быть доведено до подходящего значения путем выбора конструкции усилителя. Более сложные методы управления импедансом в многокаскадных усилителях с использованием отрицательной обратной связи рассматриваются в модуле усилителя 3.2.

Хотя приведенное выше описание относится к объединению усилителей вместе, те же соображения применимы, когда усилитель приводит в действие силовое устройство, такое как громкоговоритель, устройство, работающее от тока, такое как двигатель, или при согласовании устройства ввода, такого как микрофон, с входом. усилителя напряжения.

.