Входное и выходное сопротивление усилителя

Входное сопротивление последующего каскада обычно подключается параллельно сопротивлению нагрузки предыдущего и, шунтируя последнее, уменьшает усиление предыдущего каскада. Это характерно для усилительных каскадов на БТ, входное сопротивление которых соизмеримо, а иногда и меньше сопротивления нагрузки. При использовании полевых транзисторов, имеющих входное сопротивление, значительно большее, чем сопротивление нагрузки, влияние входного сопротивления можно не учитывать.

В отсутствие ОС входное сопротивление АЭ определяется свойствами его межэлектродного промежутка, на который поступает сигнал от источника сигнала или предыдущего каскада. Чаще всего входное сопротивление АЭ в области верхних частот можно представить в виде параллельного соединения резистора и конденсатора, имитирующего межэлектродную и монтажную емкости на входных зажимах АЭ. Поэтому с повышением частоты входное сопротивление каскада без ОС уменьшается и его шунтирующее действие на сопротивление нагрузки предыдущего каскада проявляется сильнее. Это вызывает падение усиления с повышением частоты входного сигнала.

Действие ОС на входное сопротивление зависит только от способа подачи напряжения ОС на вход усилителя (последовательная или параллельная ОС). Определим входное сопротивление для схемы с последовательной ОС по напряжению (рис.4а). Обозначим входное сопротивление каскада с учетом действия ОС R_вх.ос=U_вх.ос/I_вх и в отсутствие ее R_вх=U_вх/I_вх. Полагая, что под действием ОС напряжение сигнала не изменяется, имеем:

(15)

где U_ос—напряжение на выходе цепи ОС. Знак (+) соответствует ПОС, а знак (—) — ООС.

Разделим все члены предыдущего уравнения на I_вх, тогда получим:

(16)

Обозначим U_ос/I_вх=R_ос, тогда:

(17)

Таким образом, под действием ОС произошло изменение входного сопротивления каскада на значение R_ос=R_вхβ/К. С физической точки зрения такое изменение входного сопротивления объясняется изменением тока во входной цепи каскада вследствие того, что напряжение сигнала, прикладываемое непосредственно ко входу АЭ, изменилось под действием напряжения ОС.

Для ПОС соотношение (9) принимает вид:

(18)

а для ООС

(19)

Выражение (18) показывает, что последовательная ПОС уменьшает входное сопротивление, при определенных значениях оно может стать равным нулю или даже отрицательным. Последний эффект связывают с понятием «отрицательного» сопротивления, которое связано с отдачей энергии и, следовательно, в общем случае, с генерированием колебаний. Последовательная ООС, как это видно из (19), увеличивает входное сопротивление, что полезно используется на практике.

При параллельной ОС по напряжению, как это следует из рассмотрения рис. 7а, результирующий входной ток определяется из уравнения

(20)

где I_ос —ток в цепи ОС, а I_вх=I_с.

При неизменном значении U_вх увеличение тока (при ПОС) означает уменьшение входного сопротивления каскада, а уменьшение тока (при ООС) — его увеличение.

Представим (20) в следующем виде:

(21)

Обозначив входную проводимость каскада без ОС Y_вх=1/R_вх и проводимость цепи ОС Y_oc=1/R_oc, выразим входную проводимость каскада с учетом действия ОС:

(22)

или для ПОС

(23)

и для ООС

(24)

Таким образом, действие параллельной ОС на входное сопротивление вызывает эффект, противоположный действию последовательной ОС. Так, параллельная ПОС, как это видно из (22)(14), увеличивает входное сопротивление каскада до бесконечно большого значения [при Y_вх=Y_ос(K_скв—1)] и можно получить отрицательное сопротивление, подобно последовательной ПОС. В то же время параллельная ООС уменьшает входное сопротивление каскада.

Выходное сопротивление усилительного каскада или усилительного каскада или усилителя в целом - сопротивление переменному току между его выходными зажимами, с которых снимается усиленное напряжение сигнала. Влияние ОС на выходное сопротивление зависит только от способа присоединения цепи ОС к выходной цепи (ОС по напряжению или ОС по току).

Выходное сопротивление для схем ОС по напряжению (см. рис 7а) и ОС по току (см. рис. 4а) можно найти способом, аналогичным тому, которым было найдено входное сопротивление для последовательной и параллельной схем ОС. Однако нахождение окончательного выражения представляет некоторые математические трудности. Поэтому, опуская промежуточные выкладки, запишем окончательные выражения для определения выходного сопротивления R_вых.oc усилительного каскада:

для ПОС по напряжению

(25)

для ООС по напряжении

(26)

для ПОС по току (без учета R_н, подключаемой параллельно R_вых.ос)

(27)

для ООС по току (без учета R_н, подключаемой параллельно R_вых.ос)

(28)

Сравнивая действия ОС на выходное сопротивление усилительного каскада без ОС согласно (24)—(27), приходим к следующим выводам: для ПОС по напряжению с возрастанием К (при постоянных остальных параметрах) выходное сопротивление вначале увеличивается, далее становится бесконечно большим (при βK=1), а затем приобретает отрицательное значение, уменьшающееся по абсолютному знамению; при ООС по напряжению выходное сопротивление с возрастанием К падает; положительная ОС по току с увеличением K (при постоянных остальных параметрах) вначале уменьшает выходное сопротивление, затем оно становится равным нулю и далее приобретает отрицательное значение, которое с ростом К увеличивается по абсолютному значению; при ООС пo току выходное сопротивление с увеличением К возрастает.

Задание к работе:

1. Собрать двухкаскадный усилитель по расчетам, выполненным в работе №1 и №2. (рис.8.) и определить экспериментально коэффициент усиления двухкаскадного усилителя.

2. При подключении разъема Х₁ к точке Х₂ (параллельная обратная связь по напряжению) экспериментально определить изменение коэффициента усиления усилителя.

3. Включить последовательную ОС по току (тумблер S₁ включен) и определить коэффициент усиления.

4. С помощью добавочного резистора подключаемого ко входу усилителя определить входное сопротивление усилителя без ОС (тумблер S₁ выключен) и с ОС (тумблер S₁ включен).

5. Подключить разъем Х₁ к точке Х₃ определить коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя при положительной обратной связи.

Рис. 8. Схема макета для изучения различных видов обратной связи.

Контрольные вопросы:

1. Как влияет ОС на коэффициент усиления?

2. Объясните повышение устойчивости усилителя и расширение его полосы пропускания при введении отрицательной обратной связи.

3. Какие виды отрицательной обратной связи вы знаете? Приведите структурные и принципиальные схемы для каждого вида связи.

4. Как влияет отрицательная обратная связь на входное и выходное сопротивления усилителя? Ответ обосновать по результатам эксперимента.

5. Как влияет положительная обратная связь на параметры усилителя?

Литература:

1. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств М.: Горячая линия- Телеком, 2001

2. Расчет электронных схем (учебное пособие для вузов) / Под. ред.. Г.И. Изьюров, Г.В.. Королев, В.А.. Терехов идр.- М.: Высш. шк.. 1987.

3. Г.С. Остапенко Усилительные устройства (Учебное пособие для высших учебных заведений).-М.: Радио и связь. 1989.

4. В.И. Манаев Основы радиоэлектроники (Учеб. пособие для вузов)..-М.: Радио и связь, 1985.

5. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Туров А.И. Аналоговая и цифровая электроника, М.: Горячая линия-Телеком, 2002

6. Л.Н.. Бочаров, С.К.. Жебряков,.И.Ф. Колесников Расчет электронных устройств на транзисторах.-М.: Энергия. 1978.

7. Пиз Р.А. Практическая электроника аналоговых устройств М.: ДМК-пресс, 2001.

8 В. С. Гутников Интегральная электроника в измерительных устройствах.- Л.: Энергоатомиздат.-1988.

9. М.Кауфман, А.Сидман Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник. В 2-х томах. Т.1: Пер. с англ. / Под ред. Ф.Н. Покровского.- М.: Энергоатомиздат, 1991.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рис 1. Графическое определение параметра h₂₁ по выходным параметрам транзистора.

Рис 2. Графическое определение параметра h₁₁ по входной характеристике транзистора.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: