Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Основные понятия, обратные связи, работа усилительного элемента в схеме. Учебное пособие
.pdf
1.2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Электрическая цепь представляет собой систему, состоящую из
элементов (компонентов). Законы электрических цепей подразделяются на структурные и компонентные. Первые определяются только структурой (топологией) цепи и не зависят от особенностей составляющих цепь элементов. Вторые, напротив, описывают специфические
особенности компонентов и безразличны к месту расположения их
в
цепи.
Структурных законов два: закон Кирхгофа для токов (первый
закон Кирхгофа) и закон Кирхгофа для напряжений (второй за-
кон Кирхгофа).
Первый закон Кирхгофа гласит, что для любого узла электрической цепи или замкнутого сечения алгебраическая
сумма токов равна нулю:
n
k
it
k
1
. (1.1)
() 0
Под алгебраической суммой понимают сумму мгновенных значений токов с учетом условного выбранного направления. Ток, втекающий в узел или сечение, принято считать положительным, а вытекающий – отрицательным.
Второй закон Кирхгофа относится к контуру: алгебраическая
сумма напряжений в контуре равна нулю:
n
k
ut
k
1
. (1.2)
() 0
При составлении уравнений по этому закону за положительные
принимают напряжения, совпадающие с направлением обхода контура.
Другая форма записи этого закона имеет вид
nm
kl
)()(
ut et
kl
11
. (1.3)
В каждом контуре алгебраическая сумма напряжений
равна алгебраической сумме ЭДС.
11
Компонентные законы
Поведение элемента электрической цепи описывается в виде функциональной связи между переменными (силой тока и напряжением,
производными и интегралами по времени от этих величин), измеренными на полюсах (выводах) элемента. Эта функциональная связь
представляет собой математическую модель элемента, или, что то же
самое, компонентный закон.
С некоторыми компонентными законами
вы давно знакомы.
Например, так называемый закон Ома для участка цепи – не что иное,
как простейшая математическая модель резистора:
))((
ut Rit
RR
.
Простейшие математические модели (компонентные законы) кон-
денсатора и индуктивной катушки имеют вид
du
), (()
it C ut L
C
c
dt dt
L
di
L
.
Функциональные связи между переменными, которыми описывают
поведение основных элементов аналоговых схем – транзисторов и диодов, – существенно нелинейные. Это значит, что при анализе их
работы пренебрегать нелинейностью нельзя – в противном случае вы можете получить результат, который не имеет ничего общего с
реальностью. И для транзистора, и для диода имеются математические
модели (компонентные законы), которые позволяют учесть эту нелинейность. Но в инженерной практике при анализе схем «вручную»,
т. е. без применения ЭВМ, они мало подходят. Поэтому компонентные
законы для транзисторов и диодов представляют в графической форме – в виде вольт- амперных характеристик (ВАХ). Умение работать с ними является непременным требованием
к инженеру, занима-
ющемуся анализом и проектированием аналоговых схем.
1.3. БОЛЬШОЙ И МАЛЫЙ СИГНАЛЫ
Транзистор может использоваться в аналоговых устройствах различного назначения. В одних устройствах (например, в мощных и логарифмических усилителях, в логических элементах) его нелинейность
играет принципиальную роль. Такой режим работы транзистора
12
называют режимом большого сигнала. В других же случаях
нелинейность транзистора надо учесть только один раз – в самом
начале работы, когда выбирается его режим работы по постоянному
току. В последующей, основной, стадии анализа можно пользоваться
линейной аппроксимацией его характеристик. Такой режим работы
электронного прибора называют режимом малого сигнала. Это
основной режим работы
Разновидность режима большого сигнала транзисторов отличается
тем, что он либо проводит ток (открыт), либо не проводит (заперт),
т. е. работает подобно выключателю. Этот режим называют режимом
переключения.
Общего метода решения нелинейных задач не существует. В инженерной практике для анализа режима большого сигнала применяют
графический метод.
В
активных аналоговых схемах в отсутствие входного сигнала (в
режиме «молчания») на электродах транзистора имеют место постоянные напряжения и токи (напряжения и токи покоя). Они определяют
его режим работы по постоянному току. При подаче входного сигнала
на эти постоянные напряжения U и токи I накладываются переменные
напряжения и токи усиливаемого сигнала
ющей
)(ut ,
())it
большинства аналоговых устройств.
(переменные составля-
(рис.1.2), т. е.
() ()ut U ut
.
U
0
a
t
0
б
Рис. 1.2. Временные зависимости мгновенного значения
а) и переменной составляющей (б) напряжений на элек-
(
тродах транзистора
13
t
I
0
Рис. 1.3. Временная зависимость коллекторного тока
Если амплитуда переменной составляющей
U
(рис. 1.2) много
m
меньше, чем U, то говорят, что транзистор работает в режиме малого
сигнала, и при анализе используются методы анализа линейных схем.
Не надо путать напряжения и токи покоя и их средние значения
при наличии сигнала, которые в литературе называют постоянными
составляющими, например, I и
(рис. 1.3).
ср
14
2. НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ
2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Усилитель – это устройство, у которого мощность сигнала в
нагрузке больше мощности сигнала, поступающего от источника сигнала.
Эффект усиления мощности принципиально невозможен без двух
элементов: источника питания и управляющего (усилительного элемента). Рассмотрим «энергетический портрет» усилительного каскада,
или однокаскадного усилителя (рис. 2.1).
Усилительный каскад (УК)
Источник
питания
Р
0
Управляющий элемент
> P
P
2
1
Выход УК
P
1
Вход УК
Потери
( )
Рис. 2.1. Энергетический портрет усилительного каскада
На рисунке
точника питания;
P
– мощность постоянного тока, потребляемая от ис-
0
P
и
– мощности сигнала соответственно на входе
P
1
2
и выходе УК. Управляющий (усилительный) элемент – электронная
лампа, биполярный или полевой транзистор, операционный усилитель
или любая усилительная аналоговая схема.
Управляющий (усилительный) элемент (УЭ) преобразует мощность постоянного тока ИП
P
в мощность сигнала на выходе
0
15
P
2
P
f
f
f
f
(в мощность переменного тока). Управляется УЭ мощностью
P , по-
1
ступающей от источника сигнала. Если правильно включить УЭ и подать на его выводы требуемые по величине и полярности постоянные
напряжения, то можно получить на выходе мощность
.
P
21
Усилительное устройство (усилитель)−это самый распространенный функциональный элемент в аналоговой схемотехнике. Усилители
широко применяются как самостоятельные устройства и как составные
части более сложных устройств. Поэтому в предлагаемом пособии им
отведено значительное внимание.
2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ
Подразделяя усилители на классы, обычно учитывают: полосу и абсолютное значение усиливаемых частот; характер
входного сигнала;
назначение усилителя; используемые УЭ.
Как правило, сигнал, который требуется усилить, изменяется во
времени по сложному закону. Такой сигнал имеет дискретный (при
периодическом характере сигнала) или сплошной (если сигнал непери-
одический) спектр, ограниченный частотами
/
тельной ширине спектра
кополосные сигналы. В первом случае
/1ff
max min
. К широкополосным сигналам относят, например, сиг-
f различают широкополосные и уз-
max mi n
max mi n
и
mi n
/1ff
. По относи-
max
, а во втором
налы звуковых частот, видеосигналы. К узкополосным – сигналы, образуемые в результате модуляции несущей частоты. Эти сигналы носят
название радиочастотных, их спектр сосредоточен около несущей
частоты. Классификация по первому признаку показана на рис. 2.2, где
,
fff
в max н min
– граничные частоты полосы пропускания усили-
теля. За пределами этого диапазона частот усиление падает ниже допустимого уровня. Усилители радиочастот называют также резонансными усилителями, поскольку их нагрузкой являются колебательные
контуры. Остальные усилители называют апериодическими.
По характеру входного сигнала различают усилители гармонических (квазигармонических) и импульсных сигналов. В усилителях первого
типа изменения усиливаемого сигнала происходят сравнительно
медленно, так что переходные процессы практически не проявляются.
К квазигармоническим сигналам принадлежат, например, звуковые
сигналы.
16
Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсов, например, телевизионных, телеграфных, радиолокационных и
др. На форму этих импульсов влияют протекающие в усилителях переходные процессы.
Электронные
усилители
Апериодические
усилители
Усилители постоянного
тока (УПТ)
Усилители звуковых частот
(УЗЧ)
20 Гц…20 кГц
Усилители переменного
тока
Усилители
радиочастот (УРЧ)
Широкополосные
усилители
Рис. 2.2. Классификация усилителей по полосе и абсолютному
значению усиливаемых частот
По назначению усилители условно подразделяются на усилители
напряжения, тока и мощности, в зависимости от того, какой параметр
сигнала (напряжение, ток или мощность) необходимо усилить. Во всех
случаях происходит усиление мощности. Однако обычно усилителем
мощности называют выходные каскады, способные отдать во внешнюю нагрузку заданную мощность.
По типу используемого УЭ усилители подразделяются
на полупроводниковые, ламповые, магнитные, диэлектрические и др. Полупроводниковые усилители реализуются на транзисторах (биполярных и
полевых), на аналоговых микросхемах (усилителях специального
назначения и ОУ), транзисторных оптопарах и т. д.
В данном курсе изучаются только апериодические полупроводниковые усилители, УРЧ рассматриваются на старших курсах в специаль-
ных дисциплинах.
17
E
Е
3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
3.1. КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕДАЧИ (УСИЛЕНИЯ)
Коэффициенты передачи или усиления характеризуют способность
усилителя изменять уровень входного сигнала. Различают следующие
коэффициенты передачи (усиления) (рис. 3.1):
напряжения
U
тока
KU
KI
I
2
; (3.1)
1
I
2
; (3.2)
1
сквозной или коэффициент передачи ЭДС
U
K
2
; (3.3)
e
1
мощности
P
Здесь
, , , , UU I I
12121
– действующие значения напряжений и токов
KP
2
р
. (3.4)
1
одной и той же частоты на входе и выходе усилителя и ЭДС источника
сигнала;
111 12 22 2
де и выходе усилителя;
, UI
соответственно.
22
cos , cosPUI PUI
,
– фазовые сдвиги между
12
– активные мощности на вхо-
18
, UI
и
11
Z
Z
Z
R
I
N
K
N
K
N
K
Источник
сигнала
Рис. 3.1. Структурная схема усилительного устройства
Усилитель
Нагрузка
Все коэффициенты передачи определяются в установившемся режиме для малого гармонического сигнала (линейный режим работы!)
в той области частот, где эти коэффициенты практически не зависят от
частоты. Для усилителей постоянного тока – это район нулевой частоты, а для усилителей звуковых частот – область вблизи средней часто-
ты
1f
кГц (рис. 3.2).
0
При активном характере внутреннего сопротивления источника
сигнала
RjX
1с 1c 1с
, сопротивления нагрузки
входного сопротивления усилителя
RjX
вх вх вх
RjX
2н 2н 2н
и
эти коэффициен-
ты передачи связаны простыми соотношениями:
RR
KKKKK KK
PI I e
, ,
2нвх
вх 1свх
RR
. (3.5)
Значения коэффициентов передачи часто выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ):
20 log , 20log , 20 log , 10lg
GKG KG KGK
Ie ep p
. (3.6)
В многокаскадном усилителе, состоящем из n каскадов, его коэффициенты передачи
, () ()
где
GKG
Nmm
, ,
– коэффициенты передачи напряжения, тока
G
или
NmNm
рассчитываются по формулам:
nn
KG G
11
mm
(3.7)
или мощности.
19
M
N
3.2. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ
Если при усилении сигнала учитывать не только его уровень, но и
фазу, то все коэффициенты передачи (кроме
будут комплексными
)pK
величинами, называемыми передаточными функциями (ПФ).
ПФ является исчерпывающей характеристикой линейного активного четырехполюсника (усилителя) в частотной области. Она определяется в установившемся режиме при гармоническом воздействии.
Если аргумент ПФ обозначить p = jω, то для линейных цепей с
сосредоточенными параметрами, к которым можно отнести и усилители, ПФ будет иметь
вид
2
2
()
Kp
где коэффициенты
aapap ap
()
Mp
()
Np
a
b
и
i
01 2
bbpbp ap
01 2
вещественны, a m и n – целые положи-
i
тельные числа. У физически реализуемой системы
m
m
, (3.8)
n
n
, так как при
mn
f → ∞ ее коэффициент передачи стремится к конечному пределу
() 0K
. При f → 0
телей переменного тока
При разложении полиномов
(0) /Kab
00
0a
.
0
. Для УПТ
() и ()
pNp
consta
0
, а для усили-
на линейные множите-
ли получим
Kp
, , , , , , ,
zz z pp p
где
12 1 2
mn
p bpppp pp
()
()
Mp
()
()( ) )
apzpz pz
mm
()( ) )(
nn
12
12
– нули и полюса ПФ, определяемые из
(
,
уравнений
() 0, () 0Mp Np
.
Нули и полюса ПФ могут принимать как вещественные, так и попарно сопряженные комплексные значения, причем у устойчивой цепи
действительные части всех корней характеристического уравнения
N(р) = 0 отрицательны.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]