1. Показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

По разделу 3.2.1 предусмотрен тест № 1 текущего контроля, состоящий из пяти вопросов.

В разделе 3.2.1 студент знакомится с назначением усилителя, принци-пами построения аналоговых электронных устройств, основными технически-ми показателями и искажениями, вносимыми усилителем.

3.2.1.1.Основные определения и классификация аналоговых электронных устройств

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) предназначены для усиления и обработки сигналов, к которым относятся сигналы, изменяющиеся по тому же закону, что и описываемые ими физические процессы.

Усилением называется процесс управления энергией, получаемой от местного источника питания при помощи значительно меньшей управляющей энергии, поступающей от источника сигналов.

Таким образом, усиление – это процесс преобразования энергии местно-го источника, вызываемый действием сигнала и сопровождающийся увеличе-нием его мощности.

Управляющая мощность называется мощностью возбуждения усилителя или входной мощностью Р₁; управляемая мощность представляет собой мощ-ность, потребляемую от источника питания Р₀. Часть потребляемой мощности, отдаваемая во внешнюю цепь, представляет собой выходную мощность Р₂.

Входная мощность Р₁, получаемая от источника возбуждения, например, микрофона, характеризует уровень сигнала так же, как и выходная мощность Р₂, отдаваемая нагрузке, например, громкоговорителю. Назначением усилителя, таким образом, является повышение мощности источника сигнала путём ис-пользования его энергии для управления более мощным источником, питаю-щим усилитель.

В отличие от пассивной цепи, например, транзистора, коэффициент усиления мощности усилителя всегда превышает единицу, то есть

.

Возможно и энергетическое рассмотрение усилителя. Усилитель рассмат-ривается как устройство, управляющее потоком энергии от источника энергии (аккумулятор, выпрямитель) к нагрузке. Управление энергией происходит по закону, определяемому входным сигналом S_вх, в результате чего в нагрузке вы-деляется мощность Р₂, соответствующая сигналу S_вых. Часть мощности источ-ника энергии Р_п составляют тепловые потери в самом усилителе. Энергетический баланс изображённой на рис.1.1 схемы, выражается равенст-вом Р₀ = Р₂ + Р_п. Величина представляет собой КПД усилителя, кото-рый, естественно, всегда меньше единицы.

На энергетической схеме усилитель представляется пассивным элемен-том цепи.

В электронном усилителе усиление по мощности обычно сопровождается усилением по напряжению и усилением по току. Однако в некоторых случаях усиление по напряжению или усиление по току может отсутствовать, в то время как усиление по мощности, являясь выражением существа работы уси-лителя, имеет место во всех случаях.

Различают электронные усилители низкой и высокой частоты. Под уси-лителями низкой частоты условно понимают усилители, предназначенные для усиления естественного (не преобразованного) спектра сигналов. Для таких усилителей отношение высшей и низшей частот рабочего диапазона имеет порядок от десятков до 10⁵…10⁶. Под усилителями высокой частоты понимают усилители, предназначенные для усиления спектров модулирован-ных радиосигналов. Для таких усилителей отношение обычно не превышает 1,1.

К усилителям низкой частоты относятся усилители звуковой частоты (обычно отождествляемые с усилителями низкой частоты), широкополосные усилители гармонических колебаний, импульсные усилители различного назна-чения, в том числе видеоусилители, усилители постоянного тока, для которых f_н = 0, низкочастотные избирательные усилители.

Частотный спектр усилителей звуковых частот соответствует диапазону слышимых звуковых колебаний и характеризуется пределами 30…12000Гц.

Широкополосные усилители гармонических колебаний, применяемые в основном в измерительной аппаратуре (широкополосные генераторы, вольт-метры, осциллографы и т.д.), рассчитываются на работу в полосе частот от де-сятков герц до нескольких единиц или десятков мегагерц.

Спектр частот, необходимый для неискажённого усиления различного ро-да импульсов, зависит от их формы и длительности. В частности, для видеоуси-лителей необходимый спектр частот имеет тот же порядок, что и для широко-полосных усилителей гармонических колебаний.

Высокочастотные усилители с резонансными контурами или полосовыми фильтрами представляют собой в основном усилители высокочастотных трак-тов радиопередающих и радиоприёмных устройств различного назначения (усилители высокой и промежуточной частот).

Обычно усиление, получаемое от одного активного усилительного эле-мента (транзистора, электронной лампы), оказывается недостаточным и тогда используют более развитой усилитель, состоящий из нескольких активных уси-лительных элементов и элементов связи. Элементами связи могут быть сопро-тивления, переходные устройства, цепи питания, цепи стабилизации исходного режима работы.

Активный усилительный элемент с относящимися к нему элементами связи называется каскадом. Усилитель может состоять из нескольких каскадов, каждый из которых выполняет строго определённые функции.

На рис.1.2 представлена типовая структурная схема усилителя, состоя-щего из четырёх каскадов. В этом усилителе два каскада предварительного усиления (КПУ1 и КПУ2), предоконечный каскад (ПОК) и оконечный каскад (ОК), работающий на нагрузку (Н).

Все каскады охвачены петлёй общей отрицательной обратной связи (ООС). Входной сигнал поступает от источника сигналов (ИС). Основное на-значение каскадов предварительного усиления – как можно большее усиление по напряжению. Эти каскады работают в режиме малого сигнала, то есть в ли-нейном режиме. К ним также предъявляются требования обеспечения равно-мерной амплитудно-частотной характеристики и требуемого по техническому заданию динамического диапазона. Предоконечный каскад (ПОК) обеспечивает на своём выходе сигнал как по напряжению, так и по мощности достаточный для возбуждения транзисторов оконечного каскада. Иными словами, он должен иметь значительное усиление по напряжению и по мощности. Этот каскад ра-ботает в режиме достаточно большого сигнала. Оконечный каскад (ОК) выделяет в нагрузку (Н) полезную мощность благодаря огромному усилению по мощности К_р = n (10…1000).

Усилительные элементы этого каскада работают в режиме большого сиг-нала, то есть в нелинейном режиме, в связи с чем к оконечному каскаду предъ-являются требования по обеспечению требуемых по техническому заданию не-линейных искажений. Вносимые оконечным и отчасти предоконечным каска-дами искажения могут быть уменьшены, если усилитель охватить петлёй общей отрицательной обратной связи (ООС).