Как найти выходное напряжение

Что такое входное сопротивление и как его измерить

При работе со сложными схемами нужно уметь определять характеристики их отдельных блоков и элементов. В частности, входное и выходное сопротивление. Важно знать, что они из себя представляют, как определяются и какую роль играют в работе устройства.

Понятие входного сопротивления для постоянного тока

Радиоэлектронные устройства могут быть не только относительно, но и очень сложными, состоящими из многих блоков. Однако независимо от сложности устройства, количества используемых в нем деталей, схему можно рассматривать в качестве совокупности простых частей с определенной разностью потенциалов на входе. На выходе блока имеется ещё два контакта, на которых также присутствует напряжение. В первом случае его называют входным, в другом — выходным. Сказанное можно пояснить следующим рисунком.

Входное сопротивление цепи можно легко измерить с помощью вольтметра. Также нетрудно определить силу тока, протекающего между контактами. Для этого достаточно к схеме последовательно подключить амперметр. Получив эти два параметра, по закону Ома можно определить сопротивление схемы. Его называют входным. Иногда при этом рассматривают входное сопротивление длинной линии. Его определяющим свойством является то, что при подключении нагрузки к клеммам источника питания электрические характеристики не меняются.

Устройство блока может быть достаточно сложным, но в рассматриваемом случае не принимаются во внимание особенности его конструкции. Фактически можно представить, что внутри как бы находится резистор с определенным активным сопротивлением, соответствующим измеренному.

Входное электрическое сопротивление рассматривается как общая характеристика конкретного блока. Напряжение на вход может поступать с выхода другого блока или, например, с клемм аккумулятора или батареи.

Что такое внутреннее сопротивление при переменном токе

В предыдущем разделе было рассмотрено чисто активное сопротивление. При наличии в цепи только активного сопротивления фазы напряжения и тока совпадают. В реальных схемах обязательно присутствует реактивное сопротивление, которое делится еще на ёмкостное и индуктивное. Для постоянного тока его значение принято считать пренебрежимо малым и не принимать во внимание при расчёте параметров.

Если используется переменное напряжение на входе, тогда рассматривается полное сопротивление, состоящее из активного и реактивного. Их суммируют, используя правило прямоугольного треугольника. В этом случае один катет соответствует активному сопротивлению, второй — реактивному, а гипотенуза — полному или импедансу.

Важно учитывать, что в цепи с переменным током фаза напряжения сдвигается относительно фазы тока. Сдвиг фаз зависит от соотношения активного и реактивного сопротивлений конкретной цепи.

При отсутствии конденсаторов и катушек индуктивности в цепи емкостным и индуктивным сопротивлениями можно пренебречь и учитывать только активное. В этом случае ток будет следовать за напряжением, одновременно принимая нулевые и максимальные значения.

Если же в цепь включить катушку или конденсатор, создающих индуктивное или емкостное сопротивление настолько большого значения, что активное становится пренебрежимо малым, то сдвиг фаз будет равен π/2.

Так как реактивное сопротивление зависит от частоты поступающего сигнала, то чтобы более точно определить импеданс, необходимо узнать нужные параметры при двух различных частотах.

Следует принимать во внимание, что входное полное сопротивление линии может быть различным в отличающихся температурных условиях. Характер и величина отличий зависит от конкретного устройства рассматриваемого блока. Также требуется учитывать обратное влияние самой процедуры измерения на электрические параметры схемы.

Входное сопротивление зависит еще и от того, каким способом вводится в цепь сигнал обратной связи (ОС). Если этот сигнал отсутствует, то входное сопротивление определяется напряжением и током, присутствующими на входе. В том случае, когда обратную связь вводят по последовательной схеме, сопротивление на входе увеличивается при отрицательной ОС и уменьшается при положительной ОС.

При использовании параллельной схемы введения ОС входное сопротивление уменьшается и при отрицательной, и при положительной ОС. При небольшом сопротивлении в цепи ОС оно может составлять десятые, и даже тысячные доли Ома.

Как измерить

При определении входных параметров блока его устройство не рассматривается, но при этом может возникнуть необходимость провести измерение входного сопротивления. Блок выглядит как чёрный ящик, имеющий две входных и две выходных клеммы. Наиболее простым решением является определение входного напряжения и силы тока. Для простоты можно предположить, что рассматривается постоянный ток. Определить входное электрическое сопротивление в этом случае можно способом, который описан далее.

Найти входное сопротивление можно, разделив напряжение на силу тока. Однако в рассматриваемом случае нужно понимать, что если напряжение подаётся с батареи, то на показания будет влиять внутреннее сопротивление источника тока.

Если в блоке используется конденсатор, то нужно учитывать, что через него ток проходить не будет. С другой стороны, для переменного тока он помехой не является. Для переменного тока в качестве входного сопротивления цепи рассматривается полное сопротивление (импеданс). Оно представляет собой векторную сумму активного (омического) и реактивного (индуктивного и ёмкостного) сопротивлений. Однако его значение будет отличаться при различных частотах. Поэтому процедура измерения является более сложной по сравнению с постоянным током. В этом случае может быть использована следующая схема.

В данной схеме применён генератор переменного тока, который расположен слева. Его соединяют с исследуемым блоком, подавая на него переменный ток. На одном из соединительных проводов ставится резистор с известным сопротивлением R.

Напряжение измеряют дважды — перед резистором и после него. Пусть его значение будет равно U1 и U2 соответственно. Как известно, при переменном входном токе I(вх) падение напряжения на этой детали составит U2 – U1. С другой стороны оно будет равно I(вх) × R. В результате может быть получена следующая формула:

Из этой формулы можно определить величину входного тока:

I(вх) = ( U2 − U1 ) / R.

На вход исследуемого блока поступает напряжение U2:

Входное сопротивление R(вх) найдем, используя формулу:

( U2 − U1 ) / R = U2 / R(вх).

Определяем значение сопротивления:

R(вх) = R × U2 / ( U2 − U1 ).

Все величины в правой части равенства являются известными или были измерены. Подставив их формулу, можно определить величину входного сопротивления схемы.

Применение описанного здесь способа позволяет точно вычислять входное сопротивление даже в тех случаях, когда оно очень велико.

Выходное напряжение

При рассмотрении упрощённой схемы блока видно, что у него имеется выходное напряжение. Оно появляется на контактах, указанных на изображении справа.

На рисунке показан идеальный источник тока, который, как предполагается, не имеет внутреннего сопротивления. Это означает, что может быть создан сколько угодно большой ток. Имеющийся на схеме резистор нарушает определенную идеальность, ограничивая величину тока при коротком замыкании.

Измерение выходного тока может быть выполнено следующим образом. Напряжение U является известной величиной. При коротком замыкании может быть измерен проходящий по контактам ток. Выходное сопротивление R(вых) определяется по закону Ома. Для его вычисления необходимо напряжение разделить на ток.

Однако этот способ неудобен, так как большой ток нарушает условия функционирования схемы и может привести к поломкам. Поэтому на практике между клеммами ставят дополнительный резистор с известной величиной сопротивления R и только после этого измеряют значение силы тока I и напряжения U2. Предварительно следует определить разность потенциалов U1 с помощью вольтметра. Исходя из закона Ома, получают следующую формулу:

R(вых) = ( U2 – U1 ) / ( U2 / R ).

Практическое применение

Понятие входного сопротивления играет важную роль при согласовании характеристик соединённых между собой блоков. Сказанное можно пояснить на следующем примере.

Предположим, что первым блоком является источник питания. Если к его клеммам присоединён следующий блок, то при практическом определении его входного сопротивления станет понятно, что оно немного меньше расчётной величины.

Это связано с наличием внутреннего сопротивления аккумулятора. Чем оно больше, тем искажение заметнее. Аналогичная ситуация наблюдается при соединении двух любых других блоков. Чтобы передача сопротивления проходила с минимальными потерями, необходимо, чтобы выходное сопротивление предыдущего блока было намного меньше входного у последующего.

С учетом этого обстоятельства необходимо уметь определять рассматриваемые величины, а при создании схемы обеспечивать их правильное соотношение. Если оно будет нарушено, то произойдёт значительное падение напряжения при передаче.

На практике обычно сталкиваются с очень большими значениями входных сопротивлений. В некоторых случаях они могут достигать 1 МОм. Это часто происходит при относительно небольшом входном напряжении. В результате сила рассматриваемого тока получается также небольшой.

В электронике входное и выходное сопротивление играют важную роль. Все качественные измерительные приборы стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно минимально сказывалось на измеряемом сигнале и не гасило его амплитуду.

Что касается качественных источников питания, то их выпускают с очень небольшим выходным сопротивлением, чтобы при подключении низкоомной нагрузки напряжение на выходе «не проседало». Но даже если это случится, его можно подкорректировать вручную, используя регулировку выходного напряжения, присутствующую в каждом нормальном источнике питания.

Видео по теме

Входное и выходное сопротивление

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!

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:

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.

Основные параметры усилителя

Каждый электронщик должен знать основные параметры усилителя, так как усилитель в электронике используется абсолютно везде. В этой статье мы рассмотрим самые важные параметры усилителей.

Входное и выходное сопротивление

Кто в первый раз сталкивается с этими понятиями, читайте эту статью. Кому лень читать, вкратце объясню здесь из прошлой статьи. Каждый усилительный каскад имеем свое входное и выходное сопротивление. На схеме R_вх и R_вых

Входное сопротивление усилителя находится по формуле R_вх =U_вх / I_вх . Думаю, здесь вопросов возникать не должно. Эта формула справедлива как для постоянного тока, так и для переменного. В случае с постоянным током — это у нас будет усилитель постоянного тока (УПТ).

Немного иначе обстоят дела с выходным сопротивлением. В теории, можно замкнуть выходные клеммы 3 и 4 накоротко. В этом случае во выходной цепи усилителя у нас появится ток короткого замыкания I_кз

Ну и по закону Ома нетрудно догадаться, что R_вых = E_вых / I_{кз .} Но как же найти Е_вых ? Достаточно разомкнуть цепь и просто и замерить напряжение мультиметром. Это и будет E_вых. Физический смысл очень простой. Так как вольтметр обладает очень высоким входным сопротивлением, то в цепи у нас почти не будет течь ток, так как по закону Ома I=U/R. А если сопротивление нагрузки бесконечно большое, то, следовательно, I_кз будет бесконечно малое.

В этом случае этим бесконечно маленьким током можно пренебречь и считать, что в цепи нет никакой силы тока. А раз сила тока равна нулю, то и падение напряжения на R_вых также будет равняться нулю или формулой: U_Rвых = IR_вых = 0 Вольт. Следовательно, на клеммах 3 и 4 мы будем замерять E_вых .

Выходное сопротивление усилителя можно найти двумя способами: теоретическим и практическим. Теоретический способ, часто сложен, поскольку неизвестны многие параметры «черного ящика», называемого усилителем. Проще определить выходное сопротивление практическим путем.

Как найти выходное сопротивление на практике

Что нужно для этого? Номинальная мощность усилителя и допустимое напряжение на выходе. Не важно — усилитель это постоянного или переменного тока (напряжения). Тестирование усилителя любого типа желательно выполнять на уровне 70% допустимой выходной мощности. Это общая практика.

Если вы не забыли, мультиметр в этом случае нам покажет ЭДС E_вых , т. е. в данном случае E_вых = U_вых . (Что такое ЭДС).

Номинал нагрузочного сопротивления должен выбираться исходя из допустимого тока и мощности усилителя.

Выходная мощность усилителя 10 Вт, допустимое выходное напряжение (эффективное) 100 В. В этом случае, резистор нагрузки должен иметь сопротивление не менее R=U 2 /P = 10000/10 = 1 кОм. Мощность резистора: P_R = U 2 /R = 10000/1000 = 10 Вт

Какой же физический смысл этого опыта? В результате этих шагов, у нас цепь станет замкнутой, а два сопротивления, R_вых и R_н , образуют делитель напряжения. Сюда же можно приписать закон Ома для полной цепи, который выражается формулой:

I — сила тока в цепи, А

R — сопротивление нагрузки, Ом

r — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Применительно к нашей ситуации, формула будет иметь такой вид:

Или словами, ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

Как вы могли заметить, падение напряжения на сопротивлении R_вых зависит от силы тока в цепи. Чем больше сила тока в цепи, тем больше падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых . Но от чего же зависит сила тока в цепи? От нагрузки R_н ! Чем она меньше, тем больше сила I_вых в цепи, тем больше будет падение напряжения на R_вых , а значит, падение напряжения на U_Rн будет меньше.

Теперь, зная этот принцип, можно косвенно вычислить выходное сопротивление R_вых .

Шаг номер 3: Замеряем напряжение на нагрузке U_Rн. Вспоминаем формулу выше:

Далее что нам требуется — это увеличивать входное напряжение и снимать выходное напряжение — так мы увидим всю нелинейность выходной характеристики от тока и сможем замерить выходное сопротивление в диапазоне нагрузок, так как большинство усилителей мощности имеют нелинейность выходного сопротивления от допустимого тока нагрузки.

Коэффициент усиления

Про коэффициенты усиления мы писали еще в прошлой статье.

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон — это диапазон частот, где коэффициент усиления изменяется в допустимых пределах, заданных в технических условиях на усилитель. Для этого надо построить АЧХ усилителя. Обычно этот предел устанавливается на уровне -3 децибел. Почему именно -3 дБ? В свое время так было удобнее учитывать передаваемую энергию. В полосе — 3 дБ передается 50% мощности сигнала.

Но иногда требуется незначительное изменение коэффициента усиления. Например, в -1 дБ. В этом случае рабочий диапазон частот усилителя будет меньше:

Собственные шумы усилителя.

Что же такое шум?

В электронике шумом называют беспорядочные колебания амплитуды сигнала, которые глушат полезный сигнал. Сюда же относятся разного рода помехи. Собственные шумы усилителя — это шумы, которые зарождаются как внутри самого усилителя, так и могут быть вызваны внешним источником помех, либо некачественным питанием усилителя. Давайте рассмотрим основные виды шумов усилителя.

Этот шум вызван некачественным питанием усилителя. Если источник питания собран на сетевом трансформаторе, то шум будет на частоте 100 Гц (2х50Гц, по схеме диодного моста). То есть на выходе такого усилителя мы услышим гудение, если подцепим к выходу динамик. Думаю, вы часто слышали такое выражение «что-то динамики фонят». Это все из этой серии.

Помехи и наводки

Это могут быть внешние источники, которые так или иначе действуют на усилитель. Это может быть наводка от сети 220 Вольт (очень часто ее можно увидеть, если просто прикоснуться к сигнальному щупу осциллографа), это также может быть какая-либо искра, которая образуется в свечах двигателей внутреннего сгорания.

Небольшое лирическое отступление. Помню, как смотрел диснеевские мультики по первому каналу, а через дорогу сосед пилил дрова с помощью бензопилы Дружба-2. Тогда на экране ТВ были такие помехи, что я про себя тихо материл соседа.

Ну а как же без грозовых разрядов? Благодаря электромагнитному импульсу у нас появилось такое изобретение, как радио.

К источникам помех можно также отнести радио- и ТВ-станции, рядом лежащее и стоящее электрооборудование, типа мощных коммутационных механических ключей, разрядников и тд.

Ну и конечно, это шум самих радиоэлементов. Сюда относится тепловой шум (джонсоновский), дробовой шум, а также фликкер-шум.

Наиболее существенными являются шумы, которые возникают на входе усилителя в самом первом каскаде. Этот шум в дальнейшем усиливается также, как и входной полезный сигнал. В результате на выходе усилителя у нас будет усилен как полезный сигнал, так и шумовой. Поэтому, при проектировании качественных усилителей стараются как можно сильнее минимизировать шум на входе первого каскада усилителя.

Отношение сигнал/шум

Пусть у вас дома стоит телевизор, который ловит аналоговое вещание. На экране телевизора мы видим четкую картинку:

Но вдруг антенна на крыше вашего дома из-за сильного ветра чуток отклонилась в сторону и изображение ухудшилось

Потом антенна вообще упала с крыши, и на телевизоре мы видим теперь что-то типа этого

В каком случае отношение сигнал/шум будет больше, а в каком меньше? На первой картинке, где четкое изображение, отношение сигнала к шуму будет очень большое, так как не первой картинке мы простым взглядом не можем уловить каких-либо помех на изображении, хотя по идее они есть).

На второй картинке мы видим, что в изображении появились помехи, которые делают некомфортным просмотр картинки. Здесь отношение сигнала к шуму уже будет намного меньше, чем на первой картинке.

Ну и на третьей картинке шумы почти полностью одолели изображение. В этом случае можно сказать , что отношение сигнала к шуму будет ну очень малым.

Отношение сигнал/шум является количественной безразмерной величиной.

В аналоговой электронике для нормальной работы усилителя полезный сигнал должен в несколько раз превышать шумы, иначе это сильно скажется на качестве усиления, так как полезный сигнал суммируется с шумовым.

Отношение сигнал/шум в англоязычной литературе обозначается как SNR или S/N.

Так как порой это отношение достигает очень больших значений в цифрах, поэтому чаще всего его выражают в децибелах:

U_cигнал — среднеквадратичное значение полезного сигнала, В

U_шум — среднеквадратичное значение шумового сигнала, В

P_сигнал — мощность сигнала

То есть в нашем случае с котиком на первой картинке амплитуда полезного видеосигнала в разы превосходила амплитуду шума, поэтому первая картинка была четкой. На третьей картинке амплитуда полезного видеосигнала почти была равна амплитуде шума, поэтому картинка получилась очень зашумленной.

Еще один пример. Вот синусоидальный сигнал с SNR=10:

А вот тот же самый синус с SNR=3

Как вы могли заметить, сигнал с SNR=10 намного «чище», чем с SNR=3.

SNR чаще всего можно увидеть при описании характеристик усилителя звука. Чем выше SNR, тем лучше по качеству звучания будет усилитель. Для HI-FI систем звучания этот показатель должен быть от 90 дБ и выше. Для телефонных разговоров вполне достаточно и 30 дБ.

На практике SNR измеряется на выходе усилителя с помощью милливольтметра с trueRMS, либо с помощью анализатора спектра.

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика усилителя — это зависимость амплитуды сигнала на выходе от входного сигнала при фиксированной частоте. Обычно она составляет 1 кГц.

Амплитудная характеристика идеального усилителя по идее должна выглядеть вот так:

Это луч, который начинается от нулевой точки отсчета координат и простирается в бесконечность.

Но на самом деле реальная амплитудная характеристика усилителя выглядит вот так:

Здесь мы видим, что если даже входное напряжение U_вх =0, то на выходе усилителя мы все равно получим какой-то уровень сигнала. Это будет напряжение шума U_ш .

Динамический диапазон усилителя

Динамический диапазон — это отношение максимально допустимого уровня выходного сигнала к его минимальному уровню, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал/шум:

Чтобы понять концовку определения «обеспечивается заданное отношение сигнал/шум» динамического диапазона, давайте рассмотрим наш рисунок:

Допустим, наш усилитель должен иметь SNR=90 дБ. Будет ли правильно, если мы возьмем U_{вых мин} за U_шум?

Конечно же нет! В этом случае в этой точке на графике амплитуды сигнала и шума будут равны, а следовательно, по формуле

получим, что SNR=0 дБ.

Непорядок. Значит, надо взять такое значение U_вых , при котором бы соблюдалось равенство

Допустим, что U_шум =1 мкВ, подставляем в формулу

Из этого уравнения находим U_вых . Это будет как раз являться U_{вых. мин.} для формулы:

при SNR=90. В нашем случае это будет точка А.

U_{вых макс} берем в точке B, так как в этом случае это максимальное значение, при котором у нас в усилителе не возникают нелинейные искажения (о них чуть ниже).

Рабочая область усилителя будет обеспечиваться на отрезке АВ. В этом случае у нас будут минимальные искажения в сигнале, так как эта область линейная. Отношение максимально допустимого выходного сигнала к уровню шума — это предельный уровень динамического диапазона для аналогового усилителя.

Для усилителей звука выход за пределы этой рабочей области в большую сторону будет чреват нелинейными искажениями, а в меньшую — полезный сигнал задавят помехи. Да вы и сами, наверное замечали, что выкрутив на полную катушку ручку громкости дешевой китайской магнитолы, у нас качество звучания оставляло желать лучшего, так как в дело «вклинивались» нелинейные искажения.

Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД представляет из себя отношение мощности на нагрузке усилителя к мощности, которая потребляется усилителем от источника питания

P_вых — это мощность на нагрузке, Вт

P_и.п. — мощность, потребляемая источником питания, Вт

Искажения, вносимые усилителем

Искажения определяют сравнением формы сигнала на входе и на выходе. Идеальным является усилитель, который в точности повторяет форму сигнала, поданного на вход. Но так как наш мир не идеален, и радиоэлементы тоже не идеальны, то и на выходе у нас сигнал будет всегда немного искаженный. Главное, чтобы эти искажения не были столь критичны.

В основном искажения делятся на 4 группы:

• Частотные
• Фазовые
• Переходные
• Нелинейные

Частотные искажения

Частотные искажения возникают вследствие того, что коэффициент усиления во всем диапазоне частот не одинаковый. Или простыми словами, какие-то частоты усиливаются хорошо, а какие-то плохо). Чтобы в этом разобраться, достаточно посмотреть на АЧХ усилителя.

В данном случае мы можем увидеть, что низкие и высокие частоты будут усиливаться меньше, чем средние частоты. А так как сложный сигнал состоит из множества частотных составляющих, вследствие этого и возникнут частотные искажения.

Фазовые искажения

Фазовые искажения возникают из-за того, что разные частоты с разной задержкой по времени появляются на выходе усилителя. Какие-то частоты запаздывают больше, а какие-то меньше. Давайте все это рассмотрим на примере двух картинок.

Допустим, мы «загоняем» на вход синусоидальный сигнал с низкой частотой и на выходе получаем уже усиленный сигнал, но немного с небольшой задержкой.

Но также не забывайте, что катушки и конденсаторы являются частото-зависимыми радиоэлементами. Их реактивное сопротивление зависит от частоты сигнала, поэтому, прогоняя через усилитель сигнал с другой частотой, мы получим уже совсем другую задержку сигнала

То есть в нашем случае t₁ ≠ t₂ . Хорошо это или плохо? Если мы будем усиливать синусоиду, то в принципе нам по барабану. Какая разница раньше он появится на выходе или позже? Главное то, что сигнал будет усиленный.

Все бы ничего, но стоит помнить, что сложные сигналы состоят из суммы множества синусоид различных частот и амплитуд.

Чтобы понять, что такое сумма сигналов, достаточно рассмотреть вот такие примеры:

ну и еще один, мне не жалко)

Складываем амплитуды в одинаковые моменты времени и получаем сумму этих двух сигналов.

А вот так из разных синусоид разных частот складывается прямоугольный сигнал:

В данном случае мы пытаемся «собрать» прямоугольный сигнал из суммы синусоид разных амплитуд и частот.

Но так как у нас усилитель задерживает разные сигналы по частоте по-разному, то у нас между сигналами происходит разнобой. Лучше всего это объяснит рисунок ниже. Имеем два синусоидальных сигнала с разной частотой и амплитудой:

Если их сложить, получим сложный сигнал:

Но что будет, если второй сигнал сдвинется по фазе относительно первого?

Смотрим теперь сумму этих сигналов:

Абсолютно другой сигнал! Чувствуете разницу? Чуток сдвинули фазу, а форма сигнала уже поменялась.

То есть на выходе усилителя мы хотели получить вот такой усиленный сигнал:

а получили такой:

В результате фазовых искажений наш сложный сигнал, состоящий из двух синусоид, поменял форму. На выходе усилителя мы получили совсем другой сигнал. А как вы помните, роль усилителя заключается в том, чтобы усиливать сигнал, сохраняя при этом его форму.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя — это график зависимости угла сдвига фаз, вносимого усилителем, от частоты. Выглядеть она может примерно вот так:

φ — это сдвиг фазы относительно входного и выходного сигнала

f — частота сигнала

Человеческое ухо не замечает фазовых искажений, несмотря на то, что даже изменяется форма сигнала. Поэтому при проектировании звуковых усилителей фазовые искажения не принимают во внимание.

Частотные искажения и фазовые искажения относят к линейным искажениям, так как оба вида искажений обусловлены линейными элементами схемы. Если сказать по научному, у нас в спектре сигнала не появляется дополнительных гармоник.

Переходные искажения

Переходным искажением называют искажение прямоугольного импульса, которое подается на вход усилителя. На выходе такой импульс будет иметь уже другую форму, вызванную искажением сигнала внутри самого усилителя.

Для оценки переходных искажений используют переходную характеристику. Она представляет из себя зависимость напряжения или тока на выходе усилителя от времени от подачи на его вход прямоугольного импульса.

На рисунке ниже имеем прямоугольный сигнал, который подаем на вход усилителя, а на выходе усилителя уже будет искаженный усиленный сигнал. Это искажения вызваны, как обычно, с наличием в схеме усилителя реактивных радиоэлементов, то есть тех же самых катушек индуктивности и конденсаторов.

Для оценки переходных искажений используют такие параметры:

U_m — это амплитуда импульса, отсчитывается от плоской вершины импульса, В

ΔU_в — это выброс фронта импульса, В

Следующие два параметра измеряются в диапазоне от 0,1U_m и до 0,9U_m :

t_ф — длительность фронта импульса

t_c — длительность спада импульса

А длительность самого импульса t_и измеряется на уровне 0,5U_m .

Нелинейные искажения

Ну и напоследок мы с вами разберем нелинейные искажения. Нелинейными она называются из-за того, что такие искажения уже меняют форму сигнала, в отличие от линейных искажений. Все дело в том, что электронные лампы и полупроводники имеют нелинейную характеристику. Давайте рассмотрим все это дело более подробно.

Как вы могли заметить, на выходе у нас форма сигнала изменилась. Нашу верхнюю часть синусоиды усиленного сигнала немного «придавило». То есть мы подавали сигнал одной формы, а вышел сигнал совсем другой формы. Это не есть хорошо и с этим надо бороться.

Если сказать более научным радиотехническим языком, в нашем сигнале появились дополнительные гармоники, которых не было в исходном сигнале. В данном случае мы на вход загоняли простой синусоидальный сигнал, состоящий из одной гармоники, а получили на выходе сложный сигнал, состоящий уже из нескольких гармоник.

Для количественной оценки нелинейных искажений используется коэффициент гармонических искажений (КГИ). Он выражается формулой:

Эта величина находится как отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала.

или на английский манер

Также есть и подобный параметр коэффициент нелинейных искажений (КНИ). Он выражается формулой:

на английский манер

Эти два параметра выражаются в процентах. Для малых значений коэффициенты КГИ и КНИ почти совпадают. Так что коэффициент искажений можно считать как по первой, так и по второй формуле.