билеты_41_81

Билет 41. Усилители электрических сигналов. Классификация. Основные характеристики усилителей.

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения энергии (мощности) поступающих на вход электрических сигналов при сохранении их формы. Это увеличение энергии происходит за счет энергии дополнительного источника, поступающей в усилитель. Усилители электрических сигналов делятся на электронные, электромеханические, электромашинные и магнитные. Наиболее распространенными являются электронные усилители, обладающие большой универсальностью и рядом хороших характеристик. В электронных усилителях источником дополнительной энергии являются источники постоянного напряжения или тока. В данном разделе будем рассматривать только электронные усилители.

Электронные усилители делятся:

∙По частотному диапазону на:

- усилители постоянного тока – УПТ (усиливает постоянные и медленно меняющиеся напряжения с частотой от нуля до десятков килогерц);

- усилители низкой частоты – УНЧ (усиливает напряжения от некоторой низшей частоты f H до

мегагерц); - усилители высокой частоты – УВЧ (частотный диапазон от десятков до сотен мегагерц);

- усилители сверхвысокой частоты – СВЧ-усилители (частотный диапазон свыше одного гигагерца).

∙ По элементной базе на:

- ламповые (в настоящее время используются в основном в мощных передающих системах); - полупроводниковые; - на интегральных схемах;

- твердотельные усилители.

∙ По виду усиливаемых сигналов на:

-усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов;

-импульсные усилители, предназначенные для усиления сигналов, резко меняющихся во времени.

T ( jω) . В зависимости от того, что является выходным показателем усилителя (напряжение, ток или

частотная характеристика усилителя напряжений (токов),

входе и выходе усилителя.

Второй основной характеристикой является амплитудная характеристика усилителя, которая характеризует зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала на заданной частоте.

Идеальная амплитудная характеристика усилителя представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат с углом наклона, определяемым коэффициентом усиления на данной частоте. Реальная амплитудная характеристика отличается от идеальной, как в области малых, так и в области больших сигналов. Причем в области малых сигналов отклонения связаны с шумами усилителя, а в области больших сигналов – с перегрузкой активных элементов.

Третьей характеристикой усилителя является зависимость групповой задержки от частоты

которая для идеального усилителя не должна зависеть от частоты.

Четвертой характеристикой усилителей является степень искажений сигналов, вносимых усилителем. Эти искажения делятся на частотные, фазовые и нелинейные.

Частотными искажениями называют изменение формы выходного сигнала, вызванное изменением относительных значений амплитуд отдельных гармонических составляющих спектра входного сигнала. Они характеризуются коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на данной частоте:

M = K0 K .

Фазовыми искажениями называют изменение формы выходного сигнала, вызванное неодинаковым сдвигом во времени отдельных гармонических составляющих спектра входного сигнала.

Нелинейными искажениями называют изменение формы выходного сигнала, вызванное появлением новых гармонических составляющих. Они характеризуются коэффициентом нелинейных

искажений K f , при оценке которого считается, что входным сигналом является гармоническое колебание, и

частотами n ×W0 при условии, что на входе действует гармоническое колебание напряжения (тока) с частотой W0 .

Хотя в общем случае электронные усилители представляют собой нелинейные устройства, однако при малых величинах входных сигналов нелинейные искажения невелики, ими можно пренебречь, а усилители можно рассматривать, как линейные устройства. Поэтому к ним применимы методы анализа линейных цепей, рассмотренные в разделе 2.

Т(ω)

I II III

ω

Рис.4.1.5. Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада на полевом транзисторе.

Работа усилителя в области средних частот.

В области средних частот можно пренебречь проводимостью Cп по сравнению с проводимостью Ry и сопротивлением конденсатора C p по сравнению с сопротивлением резистора Ry . Тогда эквивалентная схема усилителя примет вид, приведены на рис.4.1.6.

Рис.4.1.4. Эквивалентная схема усилительного каскада на полевом транзисторе в области средних частот.

Билет 44. Усилители с обратной связью.

Обратная связь широко применяется в различных радиоэлектронных устройствах. Обратной связью называется такая связь между цепями электронного устройства, при которой часть энергии выходного колебания поступает на его вход.

Рис.4.3.1. Структурная схема усилителя с обратной связью.

Напряжение на входе усилителя, охваченного обратной связью,

Напряжение на выходе усилителя

Следовательно, для усилителя, охваченного обратной связью, комплексная передаточная характеристика

где величина K ( p) - передаточная характеристика усилителя;

Kос ( p) - передаточная характеристика цепи обратной связи;

K( p) × Kос ( p) - передаточная характеристика по петле обратной связи;

1 - K ( p) × Kос ( p) - глубина обратной связи, представляющая собой отношение передаточной

характеристики усилителя без цепи обратной связи к передаточной характеристике усилителя с обратной связью.

Изменением глубины обратной связи можно получить устройства с различными, иногда уникальными передаточными функциями, т.е. глубина обратной связи позволяет обменивать большой коэффициент усиления усилителя на свойства схемы.

Различают положительную и отрицательную обратную связь. Положительная обратная связь используется в автогенераторах для поддержания незатухающих колебаний. В усилителях в основном используется отрицательная обратная связь для уменьшения нелинейных искажений и повышения стабильности усиления, а также для изменения входного и выходного сопротивления.

Если величина K ( jω) × Kос ( jω) является вещественной и отрицательной, то обратная

связь называется отрицательной.

Если величина K ( jω) × Kос ( jω) является вещественной и положительной K ( jω) , то

обратная связь называется положительной.

Основные свойства обратной связи.

· Обратная связь позволяет обменивать усиление активного элемента на стабильность

функциональных характеристик разрабатываемых устройств. Мерой обмена является обратная связь. Отрицательная обратная связь повышает устойчивость, но уменьшает усиление

усилителя. Положительная обратная связь снижает устойчивость системы и увеличивает усиление.

∙Обратная связь позволяет производить обмен усиления усилителя на уровни входных и выходных сопротивлений.

∙Положение полюсов передаточной функции устройства с обратной связью определяется ее

можно добиться любого расположения полюсов вплоть до их смещения в правую полуплоскость комплексного переменного р, что соответствует о потере устойчивости, т.е. Самовозбуждению.

Функции чувствительности позволяют оценить относительное изменение исследуемой характеристики цепи δΨ(α) по заданным относительным изменениям

элементов δαn :

N

δY(α1,α2 ,α3 ,...,αN ) = åSαn [Yn (αn )] ×δαn . (4.3.12)

n=1

Алгоритм анализа 1). Преобразование исследуемой характеристики цепи к билинейной форме (4.3.9).

2). Определение функции чувствительности по заданному параметру.

3). Анализ функции чувствительности в соответствии с поставленной задачей.