О согласовании по напряжению
Пусть у нас есть схема состоящая из источника сигнала и нагрузки.
На рис.1 источник сигнала представлен в виде источника напряжения (за него отвечают элементы
E и
r), а нагрузка представлена в виде элемента
R. Где
r – внутреннее сопротивление источника напряжения.
В примере с измерением ЭЭГ (см.
здесь) источником сигнала будет кожа головы с прикреплённой к ней электродами – с них мы снимаем биопотенциалы (сигналы) пациента, нагрузкой является вход усилителя на который и подаётся сигнал от источника.
Как известно по заданной ЭДС (
E) источника напряжения можно определить силу тока (
I) через сопротивление (
R) подключенное к данному источнику напряжения:
I = E/(r+R).
рис.1
Напряжение на нагрузке (для примера с измерением ЭЭГ – это вход усилителя) будет равно:
U = I*R = R*I = R*E/(r+R) = E/(r/R+1). Если у нас внутреннее сопротивление источника напряжения
r в сотни и тысячи раз больше чем
R, то напряжение
U на нагрузке (на входе усилителя) будет исчезающе мало т.к.
r/R>>1.
Таким образом получается, что сигнал на нагрузке при достаточно большом сопротивлении источника напряжения становится исчезающе малым, не различимым на фоне шумов ("тонет" в шумах).
Чтобы этого избежать применяют согласование. Для этого, например, между источником сигнала и нагрузкой (усилителем) включают так называемый повторитель напряжения (см. рис.2, а также
здесь на рис.5b). Повторитель – устройство похожее на усилитель (в отличие от усилителя он не усиливает сигнал а повторяет – "коэффициент усиления" повторителя равен 1). У повторителя есть вход и выход. Причём в идеале
входное сопротивление повторителя равно бесконечности, а выходное нулю. Современные повторители довольно сильно соотвествуют этому идеалу.
рис.2
У повторителя входное сопротивление огромно – часто соизмеримо, а то и намного больше сопротивления источника сигнала (источника напряжения), который мы подключаем на вход повторителя (см. рис.2). В итоге получается, что
для источника сигнала (источник сигнала у нас представлен
E и
r) теперь "роль" сопротивления нагрузки
R здесь "играет"
Rвх - огромное входное сопротивление повторителя и тогда
Uвх = E/(r/Rвх+1) - напряжение на
Rвх. Так как при хорошем повторителе
r/Rвх << 1 (ведь в идеале, как уже говорилось,
Rвх вообще должно стремиться к бесконечности), то на этом самом
Rвх
(на входе повторителя) напряжение
Uвх уже практически не отличается от
E.
Далее, так как мы имеем дело с повторителем, то на его выходе напряжение так же будет равно
Uвх (т.е.
Uвых=Uвх и отсюда на выходе повторителя будет напряжение равное
Uвх), которое практически равно
E. Выход повторителя мы подключаем к нагрузке (к
R) и теперь выход повторителя для нагрузки
R (для усилителя) "играет роль" источника сигнала-напряжения с величиной
Uвых=Uвх=E. То есть теперь
Rвых повторителя "играет роль"
r, а нагрузка
R – входное сопротивление усилителя.
Но т.к. у повторителя выходное сопротивление чрезвычайно мало (в идеале стремится к нулю), а входное сопротивление усилителя
R по сравнению с источником сигнала таким образом велико, то получаем, что
Rвых/R << 1, а значит на входе усилителя (на нагрузке) мы получаем напряжение
U = E/(Rвых/R+1) примерно равное
E. То есть теперь напряжение на входе усилителя "не тонет" в шумах.
Таким образом для согласования источника сигнала и усилителя мы между ними включили повторитель с огромным входным и малым выходным сопротивлениями.
Итак, здесь описана суть проблемы, для устранения которой был изобретён технический приём, названный в дальнейшем согласованием. Более подробно о согласовании можно также посмотреть, например,
здесь.
p.s. Для того, кто интересуется объяснениями понятий математики, физики, техники что называется "на пальцах" можно посоветовать вот эту
книгу и в частности главы из её разделов "Математика", "Физика", "Техника" (саму книгу или отдельные главы из неё вы можете приобрести
здесь).
Обсудить на форуме
Комментарии