Классификация аналоговых электронных устройств.

Аналоговыми сигналами называют непрерывно изменяющиеся во времени электрические сигналы (ток, напряжение), значения которых в каждый момент времени однозначны. Аналоговый сигнал как функция времени может быть наглядно представлен графиком или осциллограммой. Устройства, формирующие и преобразующие аналоговые сигналы называют аналоговыми. Одной из основных функций аналоговых устройств является усиление электрических сигналов.

Усилителем электрических сигналов называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала, усиление осуществляется активными элементами (биполярными, полевыми транзисторами) за счет потребления энергии от источника питания под действием входного сигнала и такие усилители называют электронными. Входной сигнал прикладывается к управляющему входному электроду активного элемента и управляет передачей энергии от источника питания в нагрузку. За счёт изменения сопротивления активного элемента принцип действия усилителя на одном транзисторе удобно объяснить с помощью структурной схемы (рис. 7.1).

Электрическая цепь, по которой управляющий сигнал подаётся к активному элементу, называется входной цепью или входом усилителя.

Электрическая цепь, в которой образуется выходной сигнал, называют выходной цепью усилителя или просто выходом. В цепь выходного электрода активного элемента для выделения усиленного сигнала включается нагрузка. Внешняя нагрузка усилителя является потребителем усиленного сигнала. Активный элемент и резистор R являются основой любого усилителя, а совместно с источником питания образуют выходную цепь усилителя. Под действием входного сигнала изменяется сопротивление активного элемента и изменяется ток в последовательной цепи, состоящей из источника питания, резистора, активного элемента. В результате этого изменяется падение напряжения на резисторе, а также выходное напряжение

. (10.1)

Если сопротивление активного элемента равно нулю, тогда согласно приведённому выражению выходное напряжение усилителя равно нулю. Если сопротивление активного элемента станет равным бесконечности, то выходное напряжение усилителя станет равным U_ип.

В процессе изменения входного сигнала сопротивление активного элемента постоянному току изменяется и принимает некоторые значения в диапазоне от нуля до бесконечности. Выходное напряжение усилителя, повторяя форму входного, будет иметь значения в диапазоне от нуля до напряжения источника питания U_ип. При соответствующем выборе напряжения источника питания и сопротивления нагрузки активного элемента, мощность выходного сигнала будет больше мощности, затрачиваемой на управление сопротивлением активного элемента.

Таким образом, процесс усиления основан на преобразовании активным элементом энергии источника питания U_ип в энергию переменного напряжения в выходной цепи при изменении сопротивления активного элемента под действием входного сигнала.

К аналоговым электронным устройствам относятся усилители и устройства на их основе. Усилители классифицируются по следующим признакам.

По характеру усиливаемых сигналов усилители бывают – гармонических колебаний и импульсных сигналов.

По диапазону частот – усилители постоянного и усилители переменного тока. Усилители постоянного тока усиливают как постоянную, так и переменную составляющие входного сигнала, усилители переменного тока усиливают переменную составляющую от нижней граничной частоты f_н до верхней граничной частоты f_в. Диапазон усиливаемых частот называют полосой пропускания. За пределами полосы пропускания усиление падает. В зависимости от полосы пропускания усилители переменного тока бывают: усилители низкой частоты (УНЧ), усилители высокой частоты (УВЧ). Усилители низкой и высокой частоты предназначены для усиления переменных сигналов, их полоса пропускания лежит в пределах от десятков Гц до десятков кГц. Особенностью усилителей низкой частоты является большое отношение – десятки, десятки тысяч раз. Усилители высокой частоты усиливают сигналы в узкой полосе частот. Они характеризуются небольшой величиной отношения верхней частоты к нижней . Узкая полоса пропускания обеспечивается применением в качестве нагрузки активного элемента колебательного контура. В связи с этим УВЧ иногда называют резонансными или полосовыми.

Усилители переменного сигнала, предназначенные для усиления сигналов в устройствах связи, телевизионной технике, радиолокационной аппаратуре, имеющие очень широкую полосу пропускания, называют широкополосными. Если усиливаемый сигнал регистрируется визуально, т.е. воспроизводится на экране электронно-лучевой трубки, то широкополосные усилители называют видеоусилителями. У широкополосных усилителей полоса пропускания лежит в полосе от нескольких кГц и ниже до нескольких МГц и выше.

По типу используемых активных элементов усилители бывают на биполярных и полевых транзисторах, на интегральных микросхемах и др.

По конструктивным признакам усилители бывают: на дискретных элементах, на интегральных микросхемах, комбинированные.

По способу соединения (связи) отдельных каскадов усиления усилители бывают: усилители с гальванической связью, усилители с резистивно-емкостной связью; усилители с трансформаторной и оптронной связью.

Непосредственная или гальваническая связь используется в усилителях постоянного тока, где вход последующего каскада соединяют с выходу предыдущего каскада непосредственно или с помощью резисторов. В усилителях переменного сигнала для связи каскадов используют конденсаторы, резисторы и трансформаторы. В усилителях мощности для связи каскадов между собой и с нагрузкой иногда используют трансформаторы. Конденсаторы и трансформаторы в усилителях переменного сигнала, служат для разделения переменной составляющей напряжения и постоянной составляющей.

По способу включения активного усилительного элемента различают три основных типа усилительных каскадов:

– с общим эмиттером (общим истоком);

– с общим коллектором (общим стоком);

– с общей базой (общим затвором).

Характерной особенностью каждого из них является то, что один электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, и он определяет тип усилительного каскада.

Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для усиления сигнала, поданного на его вход. Усиление возможно по току, напряжению и мощности. Процесс усиления основан на преобразовании активным элементом (биполярным, полевым транзистором) энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения на нагрузке при изменении сопротивления активного элемента под действием входного сигнала.

Работа усилительных устройств описывается рядом параметров и характеристик.

Коэффициент усиления или коэффициент передачи – отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. Возможно усиление по напряжению, току или мощности: К_u = U_вых/U_вх - коэффициент усиления по напряжению; К_i = I_вых/I_вх - коэффициент усиления по току; К_р = Р_вых/Р_{вх- -} коэффициент усиления по мощности.

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления можно определить как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов, К_u = К_u1 К_u2 ¼ К_un (раз) или сумму коэффициентов усиления, выраженных в децибелах: К_u = К_u1 + К_u2 + ¼ +К_un (дБ).

Входное сопротивление усилителя - определяется как отношение амплитуды входного напряжения к амплитуде входного тока . Характер входного сопротивления (комплексное или активное) зависит от диапазона усиливаемых частот.

Выходное сопротивление определяется между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки как отношение амплитуды выходного напряжения к амплитуде выходного тока .

Выходная мощность – мощность гармонического сигнала на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений .

Коэффициент полезного действия(КПД) – отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания h = (Р_вых/Р₀)100 %.

Чувствительность (номинальное входное напряжение) – амплитуда напряжения сигнала, который нужно подать на вход усилителя, чтобы получить на выходе сигнал с заданной мощностью.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению D = U_{вх макс}/U_{вх мин}.

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) – разность между верхней и нижней граничными частотами Df = f_в – f_н, в которой коэффициент усиления изменяется по определенному закону с заданной точностью.

Коэффициент гармоник позволяет оценить нелинейные искажения усилителя в процентах

, (10.2)

где P₁, P₂, ¼, P_n – мощности гармонических составляющих выходного сигнала (nf₁) при синусоидальном входном сигнале с частотой f₁. Гармоники входного сигнала возникают в выходном спектре из-за нелиинейности вольт-амперных характеристик (ВАХ) активных элементов усилителя, а также при ограниченном значении напряжения питания.

Линейные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Линейные искажения бывают трех видов: частотные, фазовые и переходные.

Амплитудная характеристика (АХ) – это зависимость амплитуды (или действующего значения) напряжения первой гармоники выходного сигнала от амплитуды (или действующего значения) напряжения гармонического входного сигнала. Для идеального усилителя , поэтому АХ линейна и проходит через начало координат (штриховая линия), наклон характеристики к оси абсцисс определяется коэффициентом усиления

Рис. 10.1. Амплитудная характеристика усилителя

При малых входных сигналах нелинейность АХ определяется влиянием помех (шумы усилителя, наводки, фон и т.д.), которые приводят к наличию выходного сигнала при отсутствии входного. При превышении входного напряжения значения U_{вх макс} влияние оказывает нелинейность ВАХ активного элемента и ограниченное напряжение питания .

По АХ легко определить динамический диапазон усилителя.

Минимальной амплитудой напряжения входного сигнала следует считать такое ее значение, при котором амплитуда напряжения выходного сигнала в два раза превышает амплитуду напряжения шумов на выходе усилителя. Максимальная амплитуда напряжения входного сигнала ограничивается допустимым уровнем коэффициента гармоник.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет зависимость модуля коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала на входе усилителя. На рис. 10.2. представлена типичная АЧХ резистивного усилителя.

Рис.10.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

В полосе пропускания усилителя или области средних частот (СЧ) коэффициент усиления можно считать постоянной величиной. Частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается в раз относительно своего значения в области СЧ, определяют нижнюю f_н и верхнюю f_в границы полосы пропускания усилителя и называются граничными частотами. Для определенности величину находят на частоте . Уменьшение модуля коэффициента усиления в области низких частот (НЧ) обусловлено наличием разделительных и блокировочных конденсаторов в схемах усилителей. Поведение АЧХ в области высоких частот (ВЧ) определяется частотными свойствами транзисторов, влиянием емкости монтажа и комплексного характера сопротивления нагрузки.

Измерение АЧХ проводят при фиксированном уровне входного сигнала, соответствующем линейному участку АХ, обычно U_вх = (0,1...0,3)U_{вх макс}. Поскольку полоса пропускания резистивных усилителей лежит в пределах нескольких декад, то при построении ее графика, используется логарифмический масштаб по оси частот.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) - это зависимость угла сдвига фазы φ между выходным и входным напряжениями от частоты. Ухо человека не реагирует на изменения фазы гармонических сигналов, поэтому ФЧХ редко используется для описания электроакустических устройств. Однако искажения фазы могут привести к искажению формы колебаний, более сложных, нежели гармонический сигнал. В особенности фазовая характеристика важна в широуополосных усилителях ( например, телевизионных или усилителях современных радиочастотных трактов цифровых систем передачи. Ниже на рис.10.3. показана типичная ФЧХ Идеальный вид ФЧХ представляется прямой линией.

.

Рис10.3. ФЧХ усилителя

Переходная характеристика (ПХ) устанавливает зависимость мгновенного значения напряжения на выходе усилителя от времени при бесконечно быстром скачкообразном изменении входного сигнала. ПХ оценивает искажения формы усиливаемых импульсных сигналов, которые обусловлены реактивными элементами схемы усилителя. На рис. 10.4 представлена нормированная ПХ усилителя.

Рис. 10.4 Нормированная ПХ усилителя

Изменение выходного напряжения оказывается растянутым во времени и характеризуется временем установления t_уст. Время установления определяется временным интервалом, в течение которого выходное напряжение изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения U_уст. Время установления связано с верхней граничной частотой следующей зависимостью: . ПХ усилителя связана с его АЧХ, причем поведение АХЧ в области ВЧ определяет поведение ПХ в области малого времени и наоборот.