2.2. Частотно-независимый делитель напряжения

Частотно-независимый делитель напряжения (ДН) предназначен для уменьшения напряжения источника сигнала до требуемой величины. ДН применяется для согласования входного каскада с источником сигнала по напряжению, для задания рабочей точки транзистора в усилителе, для формирования эталонного (чаще говорят «опорного») напряжения. Схема простейшего делителя напряжения приведена на рис.2.1.

Рисунок 2.1 – Схема простейшего делителя напряжения

В идеальном случае Rг = 0; Rн = . Поэтому Uвх = Ег; Rвх = R1+ R2;

, (2.1)

, (2.2)

где К_ДН − коэффициент передачи ДН.

Из выражения (2.1) видно, что выходное напряжение ДН может принимать любые значения от нуля до Ег. Величина U_ВЫХ не зависит от абсолютных значений R1 и R2, а зависит только от отношения (2.2). Амплитудно-частотная характеристика ДН представляет собой прямую, параллельную оси частот.

При анализе реальных электронных схем, для исключения грубых ошибок, всегда необходимо учитывать электрические характеристики источника сигнала и нагрузки. Важнейшими из них являются:

• величина и полярность э.д.с. источника сигнала;

• внутреннее сопротивление источника сигнала (на рис. 2.1 – Rг);

• АЧХ и ФЧХ источника сигнала;

• сопротивление нагрузки (на рис. 2.1 – Rн);

• значения паразитных емкости и индуктивности нагрузки и др.

Из рисунка видно, что с учетом внутреннего сопротивления источника сигнала входное напряжение ДН равно:

. (2.3)

Из чего следует, что только часть напряжения сигнала падает на ДН, а другая часть падает на внутреннем сопротивлении источника. И чем больше Rг относительно суммы R1+R2, тем большая часть сигнала падает на Rг, что снижает к.п.д. источника. Cчитаются приемлемыми потери на Rг, не превышающие 10%. Следовательно, зная Rг, можно определить граничное значение входного сопротивления делителя из неравенства

R1+R210Rг. (2.4)

Очевидно, сумма сопротивлений R1+R2+Rг задает максимальное значение тока источника сигнала: Iг_max = Uг/R1+R2+Rг (без учета сопротивления нагрузки).

Величина выходного напряжения ДН определяется из допустимого значения напряжения для нагрузки. Из рисунка видно, что Rн включается параллельно R2. Если Rн  , выходное напряжение равно:

. (2.5)

Однако в реальных устройствах Rн имеет конечное значение (для большинства электронных устройств Rн находится в интервале от 100 Ом до 1 МОм).

У многих электронных устройств (ЭУ) его входное сопротивление - переменная величина, которая, как правило, включает в себя переменное сопротивление перехода база-эмиттер транзистора. Значение сопротивления этого перехода зависит от величины и полярности входного напряжения и от его температуры. Поэтому даже для одного и того же устройства входное сопротивление может лежать в широких пределах. Rн для ДН может быть входным сопротивлением ЭУ.

Это, в свою очередь, накладывает ограничения на значение R2. Чтобы величина параллельного соединения Rн и R2 не отличалась существенно от R2 достаточно выполнить условие неравенства

Rн_мин 10R2. (2.6)

Зная выходное сопротивление источника сигнала Rг и входное сопротивление Rн и задаваясь коэффициентом передачи делителя можно из (2.6) рассчитать сначала R2, затем из (2.5) найти R1. При расчете ДН также необходимо рассчитывать рассеиваемую мощность на резисторах и чувствительность схемы к разбросу параметров сопротивлений.

На рис. 2.2 представлены разновидности делителей напряжения.

Рисунок 2.2 – Разновидности делителей напряжения

Важное место в электронике занимают делители напряжения, у которых верхнее или нижнее плечо образовано переменным сопротивлением. Если делитель запитать постоянным стабильным напряжением, и, скажем, в нижнем плече поставить сопротивление, величина которого завит от температуры, давления, влажности и пр. физических параметров (рис.2.3, а), то с выхода ДН можно снимать напряжение, пропорциональное температуре, давлению, влажности и т.д. Особое место занимают делители, у которых одно из сопротивлений зависит от частоты питающего напряжения. Они образуют большую группу разнообразных фильтров электрических сигналов.

Рисунок 2.3 – Делитель напряжение с переменным сопротивлением

Дальнейшее усовершенствование делителя напряжения привело к появлению измерительного моста, который состоит из двух делителей (рис. 2.3, б). В такой схеме можно снимать сигнал и между средней точкой и общим проводом, и между двумя средними точками. Во втором случае размах выходного сигнала при одинаковом изменении переменных сопротивлений удваивается. Усилители электрических сигналов также представляют собой делитель напряжения, роль переменного сопротивления в котором играет управляемый входным напряжением транзистор.