1. Определение, классификация и области применения аналоговых электронных устройств. Аналоговые усилительные, фильтрующие и генераторные устройства, и их место в современной телекоммуникационной аппаратуре.
Аналоговое электронное устройство – устройство усиления и обработки аналоговых электронных сигналов, выполненное на основе электронных приборов.
Аналитические сигналы заданы во все моменты времени.
Все электронные устройства можно разделить на аналоговые и цифровые.
Преимуществом аналоговых устройств является сравнительная простота, надѐжность, быстродействие, которое обеспечивает им самое широкое применение, несмотря на менее высокую точность обработки сигнала. Построение аналоговых устройств на основе активных электронных приборов позволяет усиливать сигналы. Усилителем электрических колебаний называют такое устройство, которое за счет энергии источника питания
формирует новое колебание, являющееся по форме более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходящее его по напряжениям, току или мощности.
Совокупность усилителя и источника питания составляет усилительное устройство. Классификация аналоговых электронных устройств:
УсилителиУстройства на основе усилителей
По форме усиливаемых сигналов :Усилители непрерывных сигналовУсилители импульсных сигналов
К усилителям непрерывных сигналов относятся усилители квазигармонических сигналов, которые изменяются во времени сравнительно медленно, так что переходные процессы в усилителе почти не проявляются. Для усилителей импульсных сигналов переходные процессы проявляются.
По диапазону частот :Усилители постоянного токаУсилители переменного тока
Усилители постоянного тока усиливают колебания с частотами, начиная с 0 Гц (как переменную, так и постоянную составляющая входного сигнала).
Усилители переменного тока усиливают колебания с частотами от нижней граничной частоты до верхней граничной частоты (fн-fв). За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания, усиление падает ниже допустимого уровня.
Среди усилителей переменного тока выделяют:
Усилители звукового сигнала [20Гц 20кГц]
Усилители радиочастоты
Широкополосные усилители
По типу усилительных элементов :
Транзисторные усилителиЛамповые усилители
Интегральные микросхемы
По числу каскадов :
Однокаскадный усилительДвухкаскадный усилитель
и т.д.
2. Основные технические показатели и характеристики аналоговых электрических устройств. Основные технические показатели усилителя:
1.Входное сопротивление – внутреннее сопротивление между входными зажимами.
2.Выходное сопротивление – внутреннее сопротивление между выходными зажимами.
По отношению к нагрузке усилитель – источник колебаний, внутреннее сопротивление которого равно выходному сопротивлению.
3.Коэффициент усиления (передачи напряжения усилителя) – отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжений. К = выхвх определяется в установившемся режиме при гармоническом вх сигнале.
4.Коэффициент сквозной передачи - Кскв = Егвых [дБелл].
В с вязи с тем, что громкость слухового восприятия звукового сигнала пропорциональна логарифму его интенсивности, для сравнения мощностей двух колебаний введена логарифмическая единица [белл].
5.Комплексный коэффициент усиления по напряжению. Его модуль К – коэффициент усиления.
Зависимость коэффициента усиления от частоты:
Зависимость коэф усиления от частоты АЧХ.
Рис 1.
Для ачх типично наличие области средних частот в которой коэффициент усиления почти не зависит от частоты и обозначается K0.Его иногда называют номинальным коэфф. усиления.
Чаще всего на АЧХ по вертикальной оси используют относительный масштаб относительное нормированное усиление. М=К/К0
Частоты на которых относительное усиление М уменьшается до условного уровня отсчета α-граничные частоты усилителя.
Типовым уравнением отсчета считается α=1/√2 Диапазон частот от ώн до ώвполоса пропускания усилителя.
Изменение усиления на граничных частотах относительно его значения на средних частотах -неравномерность частотных характеристик.
Зависимость от частоты фазового сдвига-ФЧХ. Переходная характеристика(ПХ)
Рис.2
Это зависимость мгновенного значения вых.U усилителя от времени при подаче на вх. небольшого перепада U,не вызывающего перегрузку усилителя.
h(t)=Uвых(t)/Uвх
Амплитудная характеристика-зависимость амплитудного или действующего значения вых. напряжения от вх. синусоидального напряжения.
Рис.3 Динамический диапазонотношение наибольшего вых. Или вх. напряжения усилителя к наименьшему в пределах линейной области амплитудной характеристики
Ѵ=Uвыхmax/Uвыхmin=Uвхmax/Uвыхmin
Коэффициент полезного действия(КПД)- характеризует экономичность расходования энергия питания. КПД=Рн/Ре; Ре-суммарная мощность.
3. Функциональная и обобщѐнная структурная схемы электронного усилителя. Основные показатели и характеристики, определяющие эффективность работы усилителя.
Е ген – генератора
Генератор тока
Квходным зажимам усилителя 1-1’ подключают источник усиливаемого колебания, который можно представить в виде эквивалентного активного двухполюсника с генератором ЭДС или генератором тока.
Квыходным зажимам 2-2’ подключают нагрузку усилителя, имеющую сопротивление Zн.
В усилителе энергия источника питания преобразуется в энергию усиленного колебания с помощью активных усилительных элементов.
Усилением называется эффект увеличения мощности полезного сигнала при сравнительно точном сохранении его формы.
Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах,вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприѐмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.
УНЧ с обратной связью.
Структура усилителя
Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединѐнных между собой прямыми связями
В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики
Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприѐмных и радиопередающих устройств) оснащены системамиавтоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.
Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через
которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания. Структурная схема усилителя электрических колебаний
Структурная схема усилителя электрических колебаний: 1 — источник сигнала; 2 — усилитель; 3 — нагрузка; 4 — источник питания; е1 — источник усиливаемых колебаний; R1, R2 — эквивалентные сопротивления источника усиливаемых колебаний и нагрузки; I1, P1, U1 — соответственно ток, мощность и напряжение на входе усилителя; I2, P2, U2 — ток, мощность и напряжение на выходе усилителя; P0 — мощность источника питания.
Принципиальные схемы усилителей
Принципиальные схемы усилителей на биполярных и полевых транзисторах: с общим эмиттером (а), общим истоком (б), общей базой (в) и общим затвором (г); Э, К, Б — эмиттер, коллектор и база биполярного транзистора; И, З, С — исток, затвор и сток полевого транзистора; еr — источник усиливаемых колебаний; Rг, Rн — эквивалентные сопротивления входной цепи и нагрузки; Ебэ, Екэ, Ези, Еси — источники постоянного тока соответственно в цепях база — эмиттер, коллектор — эмиттер, затвор — исток, сток — исток. Название типа усилителя определяется тем, какая область (электрод) транзистора является общей для цепи источника усиливаемого сигнала и цепи нагрузки.
4. Линейный и нелинейный, стационарный и переходной режим работы усилителя. Режим класса А
Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и переходной. Амплитуда входного сигнала здесь такова,
что суммарное значение не имеет отрицательных значений, а поэтому базовый ток , а следовательно и коллекторный ток нигде не снижаются до нуля (рис. 3.31). Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол отсечки равен . Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока КПД такого усилителя низкий (теоретически не более 25 %, а реальные значения и того ниже), поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления.
Режим класса В Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале переходной характеристики (рис.
3.32). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше (до 70 %), чем режиме класса А, так как начальный коллекторный ток здесь значительно меньше. Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Однако у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки.
Для того чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода - второй транзистор в этом же режиме.
Режим класса В обычно используют преимущественно в мощных двухтактных усилителях, однако в чистом виде его применяют редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим класса AB.
Режим класса AB
Режиму усиления класса АВ соответствует режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала.
Этот режим используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков входных вольт-амперных характеристик транзисторов (рис. 3.34).
При отсутствии входного сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, составляющий от максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в этом случае составляет . При работе двухтактных усилительных каскадов в режиме класса АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации нелинейных искажений, возникающих за счет нелинейности начальных участков вольт-амперных характеристик транзистора. Схема двухтактного усилительного каскада, работающего в классе AB, приведена на рис.
Коллекторные токи покоя и задаются напряжением смещения, подаваемым на базы транзисторов с сопротивлений и , и составляют незначительную часть максимального тока в нагрузке. вследствие этого результирующая характеристика управления двухтактной схемы класса AB принимает линейный вид (штрихпунктирная линия на рис. 3.36).
КПД каскадов при таком классе усиления выше, чем для класса А, но меньше, чем в классе В, за счет наличия малого коллекторного тока .
Режим класса С В режиме класса С рабочая точка А располагается выше начальной точки характеристики передачи по току (рис. 3.37).
Здесь ток коллекторной цепи протекает в течение времени, которое меньше половины периода входного сигнала, поэтому угол отсечки . Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт (коллекторный ток равен нулю), мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскада приближается к 100 %.
Из-за больших нелинейных искажений режим класса С не используется в усилителях звуковой частоты, этот режим нашел применение в мощных резонансных усилителях (например, радиопередатчиках).
Выводы:
КПД усилительного каскада определяется режимом работы транзистора и связан с углом отсечки.
Различают режимы работы транзистора с отсечкой выходного тока (AB, B, C, D) и без отсечки (A), когда выходной ток протекает в течение всего периода входного сигнала.
Усилительный каскад, работающий с отсечкой выходного тока, имеет наибольший КПД.
5. Входные и выходные параметры усилителя. Принципы электронного усиления аналоговых сигналов и построения усилителей.