Лекция № 3. Параметры аналоговых устройств
Основные параметры и схемы построения аналоговых устройств. Входное и выходное сопротивление. Коэффициент усиления. Динамические и нагрузочные характеристики. Проходная (передаточная) характеристика. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики и динамический диапазон. Частотные, фазовые искажения. Переходная характеристика. Нелинейные искажения. Коэффициент полезного действия. Собственные помехи и шумы, коэффициент шума. Стабильность показателей. Принципы использования в SIP
Одна из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, - усиление. Поэтому в курсе АЭУ особое внимание уделяется усилительным устройствам (УУ).
УУ - устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В УУ входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.
В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы, такие УУ принято называть полупроводниковыми, или транзисторными.
УУ принято классифицировать по ряду признаков:
- по характеру усиливаемых сигналов - непрерывных (гармонических) и импульсных сигналов;
- по диапазону рабочих частот - усилители постоянного тока (fH =0 Гц) и усилители переменного тока.
В свою очередь, УУ переменного тока в учебной литературе подразделяются на:
- усилители звуковых частот (от 20 до 20000 Гц) или низкочастотные усилители;
- усилители высоких частот (ВЧ) (fB до 300 МГц);
- усилители сверхвысоких частот (СВЧ) (fB › 300 МГц).
Кроме того, УУ ВЧ и СВЧ диапазонов подразделяются на:
- узкополосные (fB/fН < 2, (fB – fН)<< f0), где f0 - средняя частота рабочего диапазона УУ;
- широкополосные (fB/fН > 2).
Импульсные усилители классифицируются:
- по длительности усиливаемых импульсов на микро-, нано- и пикосекундные;
- по типу активных элементов УУ подразделяются на ламповые, транзисторные, квантовые и др.;
- по функциональному назначению УУ подразделяются на усилители напряжения, тока и мощности;
- по назначению УУ подразделяются на измерительные, телевизионные и т.д.
Кроме рассмотренных основных признаков УУ могут классифицироваться по ряду дополнительных признаков - числу каскадов, типу питания, конструктивному исполнению и т.д.
Технические показатели УУ представляют собой количественную оценку его свойств. К техническим показателям относятся (рис. 2.9):
Рис. 2.9. Структурная схема усилительного устройства
Входное
сопротивление
.
Чаще всего
носит емкостной характер.
Выходное
сопротивление
.
Чаще всего
носит также емкостной характер.
Коэффициенты передачи:
по
напряжению
или просто
:
,
(2.1)
где
- фазовый сдвиг между входным и выходным
сигналами.
Значение
|К| на средних частотах рабочего диапазона
УУ, обозначаемого как
,
называют коэффициентом усиления.
В логарифмических единицах:
. (2.2)
Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):
,
. (2.3)
по
току
:
.
(2.4)
Для
n-каскадных усилителей
в относительных и логарифмических
единицах определяются аналогично
.
по
мощности
:
. (2.5)
Для
n-каскадных усилителей
в относительных и логарифмических
единицах определяются аналогично
,
только
. (2.6)
Сквозные коэффициенты, например, сквозной коэффициент передачи:
по
напряжению
:
, (2.7)
где
- ЭДС источника сигнала;
коэффициент полезного действия:
, (2.8)
где
- максимальная выходная мощность
усилителя;
-
мощность, потребляемая от источника
питания.
Искажения - это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. В зависимости от происхождения они подразделяются на:
Частотные искажения, вызываемые неодинаковым усилением усилителя на разных частотах. Частотные искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.
Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазочастотной характеристике (ФЧХ).
АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Часто используют нормированную АЧХ, представленную на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Амплитудно-частотная характеристика усилительного устройства
Здесь Y - относительный (нормированный) коэффициент усиления:
, (2.9)
. (2.10)
Структура
выражений для n-каскадного усилителя в
относительных и логарифмических единицах
в точности совпадает с выражениями для
и получается из последних путем замены
на
.
Количественно
частотные искажения оцениваются
коэффициентом частотных искажений
:
, (2.11)
. (2.12)
Структура
выражений для n-каскадного усилителя в
относительных и логарифмических единицах
также в точности совпадает с выражениями
для
и получается из последних путем замены
на
.
По
АЧХ и допустимой величине частотных
искажений определяют нижнюю
и верхнюю
граничные частоты, полосу рабочих частот
,
равную:
. (2.13)
Фазовые искажения, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих спектра сигнала. Фазовые искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер. Зависимость угла сдвига по фазе между входным и выходным сигналами от частоты оценивается по ФЧХ, для резистивного каскада имеющей вид, представленный на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Фазо-частотная характеристика усилительного устройства
В импульсных усилителях форма выходного напряжения зависит от переходных процессов в цепях, содержащих LC элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в УУ переходными, пользуются переходной характеристикой (ПХ).
ПХ
усилителя – это зависимость мгновенного
значения напряжения (тока) на выходе от
времени
при подаче на вход единичного
скачкообразного изменения напряжения
(тока) (сигнала типа единичной функции).
Переходные искажения измеряют при
подаче на вход идеального прямоугольного
импульса. Они разделяются на искажения
фронта и искажения плоской вершины
импульса (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Переходная характеристика усилительного устройства
Искажения фронта характеризуются:
временем
установления
,
т.е. временем нарастания амплитуды
импульса от
до
;
выбросом
фронта импульса
,
определяемым отношением амплитуды
выброса
U
к амплитуде установившегося режима
;
временем
запаздывания
относительно входного сигнала по уровню
.
Искажения
плоской вершины импульса
характеризуются величиной спада
напряжения
за время длительности импульса:
. (2.14)
Для n-каскадных некорректированных УУ (каскады включены последовательно) результирующее время установления фронта и спад плоской вершины импульса можно оценить следующим образом:
,
(2.15)
. (2.16)
АЧХ и ПХ отражают одни и те же физические процессы в различной форме (частотной и временной). Связь частотных и временных искажений иллюстрируется рис. 2.13.
Рис. 2.13. Связь АЧХ и ПХ
Нелинейные
искажения (искажения формы выходного
сигнала) вызываются нелинейностью
характеристик усилительных элементов.
Количественно нелинейные искажения
гармонического сигнала оцениваются
коэффициентом гармоник
,
который представляет собой отношение
действующего значения напряжения (тока,
мощности) высших гармоник, появившихся
в результате нелинейных искажений, к
напряжению (току, мощности) основной
частоты (первой гармоники) при подаче
на вход гармонического колебания
основной частоты (при частотно-независимой
нагрузке):
(2.17)
Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):
.
(2.18)
Кроме КГ в усилителях многоканальной связи нелинейность оценивается затуханием соответствующей гармонической составляющей, (например, второй):
.
(2.19)
Амплитудная характеристика и динамический диапазон УУ. Амплитудная характеристика усилителя представлена на рис. 2.14.
Рис. 2.14. Амплитудная характеристика усилителя
Динамическим
диапазоном входного сигнала усилителя
называют отношение
(при заданном уровне нелинейных искажений)
к
(при заданном отношении сигнал/шум на
входе):
(2.20)
(2.21)
В зависимости от назначения УУ возможна оценка динамического диапазона по выходному сигналу, гармоническим и комбинационным составляющим и др.
Некоторые УУ (УПТ, ОУ и т.д.) могут характеризоваться другими специфическими показателями, которые будут рассмотрены по мере необходимости