§ 1.3. Эквивалентная схема усилителя. Входное и выходное сопротивления

Как и всякий четырехполюсник, усилитель можно рассматривать в виде эквивалентных схем, представленных на рис. 1.7. В схеме рис. 1.7, а к входным зажимам усилителя подключается источник входного напряжения с внутренним сопротивлением , а к выходным зажимам — сопротивление нагрузки.

Со стороны входа усилитель можно представить как эквивалентное сопротивление

являющееся нагрузкой для источника входного сигнала, а со стороны выхода — в виде генератора напряжения Е с внутренним сопротивлением

Следует заметить, что в общем случае входное и выходное сопротивления могут быть комплексными величинами.

ЭДС генератора напряжения Е пропорциональна входному напряжению, т. е.

где А — коэффициент пропорциональности.

ЭДС Е численно равна выходному напряжению усилителя, работающего в режиме холостого хода (при отключенной нагрузке ).

Следовательно, в этом случае можно записать

Схема рис. 1.7, б отличается от схемы рис. 1.7, а тем, что генераторы напряжения и Е представлены в виде генераторов тока.

Рис. 1.7

Параметры характеризуют взаимодействие усилителя с внешними цепями.

От соотношения зависят значения коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности усилителя. Если основным требованием, предъявляемым к усилителю, является усиление напряжения (тока) до заданного уровня, то такой усилитель условно называется усилителем напряжения (тока), хотя в обоих случаях происходит усиление мощности. Усилителями же мощности обычно называются усилители, обеспечивающие в нагрузке заданное или максимальное значение мощности.

Входным сигналом усилителя, эквивалентная схема которого показана на рис. 1.7, а, является напряжение с внутренним сопротивлением . Поэтому коэффициент усиления по напряжению

Определим условия, при которых получим максимальное значение . Воспользовавшись эквивалентной схемой (рис. 1.7, а), можно записать.

Тогда

Из этой формулы следует, что для получения максимального напряжения на выходе усилителя при действии на его входе источника напряжения с ненулевым внутренним сопротивлением необходимо выполнить следующие условия:

Из формулы (1.12) видно, что в усилителях напряжения, когда коэффициент усиления примерно совпадает с коэффициентом усиления при отключенной нагрузке, т. е. .

Запишем коэффициент усиления по току усилителя, на входе которого действует источник тока с внутренним сопротивлением

и определим условия, при которых получим максимальное значение .

Воспользовавшись эквивалентной схемой (рис. 1.7, б), можно записать

Подставив значения в формулу (1.14), будем иметь

Из этой формулы следует, что для получения максимального тока в нагрузке усилителя при действии на входе источника тока с внутренним сопротивлением необходимо выполнить следующие условия:

Так как коэффициент усиления по мощности при действии на входе усилителя источника сигнала мощностью определяется произведением

то условия (1.13) и (1.16) являются противоречивыми для получения максимальной мощности, так как при большом неизбежно снижается и, наоборот, при большом имеет малое значение .

Максимальный коэффициент усиления по мощности получим, если выполним условия

Условия, при которых обеспечивается максимальный коэффициент усиления по мощности, называются условиями согласования входа и выхода усилителя с генератором входного напряжения и нагрузкой.

Подставляя (1.18) в (1.17), для усилителей мощности, работающих в условиях согласования входа и выхода, будем иметь

Учитывая, что , получим

Важным параметром усилителя мощности является коэффициент полезного действия , который определяется как отношение полезной мощности Рвых, выделяемой в нагрузке, к мощности , потребляемой усилителем от источника питания, т. е.