АНАЛ.ЭЛЕКТРОНИКА / theory
.pdfКОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «АНАЛОГОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»
1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
1.1. Электрические сигналы
Сигнал − физический носитель информации.
Если носителем являются электрическое колебания (напряжение, ток), сигнал называется электрическим, если электромагнитная волна, - имеет место радиосигнал или оптический сигнал.
По роли в передаче информации сигналы делятся на полезный сигнал и помехи. Помехи искажают информацию, переносимую полезным сигналом.
Сигнал называется детерминированным, если задано его описание в виде функции времени u = u(t). Для периодических сигналов выполняется условие u(t) = u (t + nT).
Сигнал называется случайным, если невозможно заранее предсказать значение сигнала в любой момент времени. Случайный сигнал описывается вероятностными характеристиками.
Воздействие – сигнал специальной формы. Воздействия используются для экспериментального определения параметров и характеристик электронных устройств.
Непрерывные сигналы существуют в любой момент времени и принимают любые значения в заданном интервале значений.
Дискретные сигналы существуют только в определенные интервалы времени и принимают ограниченное число значений. Пример− двоичный код: 0 и 1.
Широко применяется непрерывный гармонический сигнал
u(t) = Um∙ ( + )
Сложный сигнал представляется в виде суммы аналитически однотипных сигналов ui(t):
( ) = ∑ а ( )
где ai - постоянные коэффициенты, а отдельные слагаемые − гармоники. Такое представление позволяет рассматривать преобразование элек-
тронной цепью отдельно каждой составляющей сложного сигнала.
Для линейных цепей справедлив принцип суперпозиции: отклик цепи uвых(t) на воздействие u(t) равен сумме откликов на каждую гармонику воздействия.
Периодический сигнал может быть представлен в виде ряда
1
|
( ) = ( + ) = |
|
|
+ |
|
( + ) |
|||||||||
где U0 - постоянная составляющая сигнала, среднее значение за период, |
|||||||||||||||
|
( + ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– первая гармоника; |
|
|
|
|
|
|||||||||
ω=2 /T – угловая частота первой гармоники. |
|
|
|||||||||||||
|
Слагаемые с индексами n>1 называются высшими гармониками. |
||||||||||||||
Амплитуды и фазы гармоник |
= |
|
|
+ " |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
, |
|
, |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
= |
|
|
" |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
= |
|
|
∫ |
)⁄ |
( ) |
, |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
+⁄ |
|
|
|
|
||||
|
= |
|
|
|
∫ |
|
)⁄ |
( ) ( ) |
, |
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
+⁄ |
|
|
|||||||||
|
= |
|
|
|
∫ |
|
)⁄ |
|
( ) ( ) ( |
, |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
+⁄ |
|
|
Совокупность значений Un и n называется спектром сигнала u(t). Периодические несинусоидальные сигналы имеют дискретный (линейчатый) спектр.
Спектр непериодического сигнала не является дискретным, пробегают непрерывную совокупность значений.
1.2. Основные параметры усилителей. Обобщенные схемы.
Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности источника сигнала за счет энергии источника питания. Источник сигнала управляет передачей энергии источника питания в нагрузку. Энергия источника питания преобразуется в энергию нагрузки с помощью активных, управляемых элементов: электровакуумных приборов, полупроводниковых биполярных и полевых транзисторов. Усилитель является активной цепью, т. е. электронной цепью, содержащей активный элемент и имеющей коэффициент передачи мощности больше единицы.
Часто бывает удобно рассматривать не мощность сигналов на входе или выходе усилителя, а величины напряжений или токов. Поэтому усили-
2
тели условно делят на усилители тока, усилители напряжения или мощности. Принадлежность усилителя к тому или иному классу определяется его назначением и выбором соответствующих параметров схемы и усилительных элементов.
По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени различают усилители медленно меняющихся сигналов, которые часто называют усилителями постоянного тока, и усилители переменного тока. К ним относятся усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, широкополосные усилители, избирательные усилители.
Функциональная схема усилителя приведена на рис. 1.
Источник
питания
Источник |
|
РП |
Нагрузка |
сигнала |
|
ЕП |
|
RГ IВХ |
|
IВЫХ |
|
|
|
Усилитель |
|
ЕГ |
UВХ |
|
UВЫХ RН |
|
|
Рис.1. 1. Функциональная схема усилителя
Источник питания как правило является источником постоянного стабилизированного напряжения EП. Источник сигнала генератор подключается ко входу, а нагрузка к выходу усилителя.
В многокаскадных усилителях источником сигнала служит предыдущий каскад, а нагрузкой последующий.
Основные характеристики: амплитудная (АХ), амплитудночастотная (АЧХ), амплитудно-фазовая (АФХ) и переходная (ПХ).
Основные параметры усилителей:
коэффициент усиления по напряжению
КU |
|
UВЫХ |
(1.1) |
|
UВХ |
||||
|
|
|
коэффициент усиления по току
3
Кi |
|
IВЫХ |
|
|
|
(1.2) |
|||
|
IВХ |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||
коэффициент усиления по мощности |
|
||||||||
КР |
PВЫХ |
КU |
Кi |
(1.3) |
|||||
|
|
||||||||
входное сопротивление |
PВХ |
|
|
||||||
|
UВХ |
|
|
||||||
RВХ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
(1.4) |
|||||
IВХ |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
выходное сопротивление
RВЫХ UВЫХ ХХ
IВЫХ КЗ
Для мощных усилителей также важными параметрами являются требляемая от источника питания мощность PП и КПД
(1.5)
по-
|
PВЫХ |
(1.6) |
|
PП |
|||
|
|
Если входное и выходное значения сигнала являются неоднородными, вместо коэффициента усиления применяется коэффициент преобразования. Например, S =IВЫХ/UВХ – крутизна, коэффициент преобразования входного напряжения в выходной ток.
Коэффициенты усиления часто оценивают в логарифмических единицахдецибелах
КU дБ = 20 lg Uвых ,
Uвх
КI дБ = 20 lg Iвых ,
Iвх
КP дБ = 10 lg Pвых .
Pвх
В логарифмических единицах обычно задают коэффициент усиления многокаскадного усилителя, который равен сумме коэффициентов усиления его отдельных каскадов, выраженных в дБ.
Эквивалентные схемы усилителей определяются типом используемых активных элементов, схемами их включения и режимами работы. Для анализа основных параметров применяют обобщенные эквивалентные схемы, отражающие лишь основные свойства усилителей.
Обобщенные схемы усилителей содержат зависимый (управляемый) источник тока или напряжения:
ИНУН – источник напряжения, управляемый напряжением,
4
ИТУТ – источник тока, управляемый током, ИТУН – источник тока, управляемый напряжением,
ИНУТ – источник напряжения, управляемый током.
На рисунках 1.2–1.4 показаны управляемые источники и простейшие примеры их реализации.
Так как источник напряжения с известным ненулевым внутренним сопротивлением может быть преобразован в эквивалентный источник тока и наоборот, то формально обобщенные схемы эквивалентны и в качестве модели реального усилителя может служить любая из обобщенных схем. При анализе усилителей вид схемы выбирают исходя из функционального назначения усилителя, типа используемых активных элементов и их схем замещения.
|
|
|
3 |
R1 |
|
3 |
|
1 |
3 |
1 |
1 |
|
|||
U |
UВЫХ=f(UВХ) |
U1 |
U2=nU1 |
R2 |
U2= U1 |
||
U1 |
|||||||
ВХ |
2 |
|
|||||
2 |
4 |
4 |
2 |
|
4 |
||
|
ИНУН |
|
Примеры ИНУН |
|
|
||
|
|
Рис.1. 2. ИНУН |
|
|
|
1 |
3 |
IВХ |
IВЫХ=f(IВХ) |
2 |
4 |
ИТУТ
1 |
IЭ |
3 |
IБ |
3 |
|
|
IК= IЭ |
1 |
IК= IБ |
|
|
|
||
2 |
|
4 |
4 |
|
|
2 |
Примеры ИТУТ
Рис.1. 3. ИТУТ
1 |
3 |
|
3 |
1 |
3 |
|
1 |
IС=S UЗИ |
IК=g U БЭ |
||||
IВЫХ=f(UВХ) |
||||||
UВХ |
UЗИ |
|
UБЭ |
|
||
2 |
4 |
4 |
4 |
|||
|
|
|||||
|
|
2 |
|
2 |
||
|
ИТУН |
|
|
|||
|
Примеры ИТУН |
|
|
|||
|
|
|
|
Рис.1. 4. ИТУН
5
Для анализа усилителей напряжения удобна модель на основе ИНУН, а для усилителей тока - на основе ИТУТ. Усилители на биполярных транзисторах в схемах включения с общей базой и общим эмиттером удобно представлять моделью на основе ИТУТ, так как Т-образная физическая модель и схема замещения транзистора как линейного четырехполюсника в системе h-параметров содержит управляемый током источник тока. Усилители на электровакуумных приборах и полевых транзисторах, а также высокочастотные усилители моделируются с помощью ИТУН. Эмиттерные, истоковые и катодные повторители, операционные усилители (ОУ) моделируются на основе ИНУН.
Наличие конечных значений входного и выходного сопротивлений усилителя приводит к тому, что при работе с реальными источниками сигнала с внутренним сопротивлением RГ и на конечную нагрузку RН коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности зависят от соотношений сопротивлений RГ и RВХ, RВЫХ и RН.
1.3. Обобщенная схема усилителя с источником напряжения, управляемым напряжением –ИНУН
IВХ |
ИНУН |
RВЫХ |
IВЫХ |
|
RГ |
|
|||
UВХ |
RВХ |
КUХХ∙UВХ |
UВЫХ |
RН |
EГ
Рис.1. 5. ИНУН
Зависимый источник напряжения управляется входным напряжением усилителя UВХ. Непосредственное измерение внутренней ЭДС управляемого источника возможно лишь в режиме холостого хода на выходе. Поэтому безразмерный коэффициент пропорциональности снабжен соответствующими индексами
K |
UВЫХХХ |
(1.7) |
U XX
UВХ
KU XX – коэффициент передачи усилителя по напряжению в режиме холостого хода.
При подключении нагрузки выходное напряжение меньше чем напряжение зависимого источника за счет падения части напряжения на
6
внутреннем сопротивлении.
|
|
|
|
|
UВЫХ |
UВЫХХХ |
|
|
RН |
|
|
KUXX UВХ γU ВЫХ |
(1.8) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
RВЫХ RН |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Коэффициент усиления по напряжению |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
K |
U |
|
UВЫХ |
|
UВЫХХХ γU ВЫХ |
К |
UХХ |
|
|
RН |
К |
UХХ |
γ |
(1.9) |
||||||||||
|
|
|
R |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
U |
ВХ |
U |
ВХ |
|
|
|
ВЫХ |
R |
|
U ВЫХ |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|||||||
|
|
где |
|
|
|
UВЫХ |
|
|
|
RН |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.10) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
U ВЫХ |
UВЫХХХ |
|
|
RВЫХ RН |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
− коэффициент согласования (распределения, ослабления) |
по на- |
|||||||||||||||||||||
пряжению на выходе усилителя. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С помощью коэффициента UВЫХ учитывается влияние сопротивления RВЫХ на свойства усилителя.
Коэффициент согласования принимает значения 0 U ВЫХ 1: −при RН<<RВЫХ в режиме к.з. UВЫХ 0, U ВЫХ 0;
−при RН>>RВЫХ в режиме х.х. UВЫХ UВЫХ ХХ, UВЫХ 1 и КU КUХХ;
−при RН=RВЫХ в согласованном режиме, UВЫХ =½.
Аналогично свойства усилителя зависят от условий согласования источника сигнала RГ и входного сопротивления RВХ.
UBX IBX RBX |
|
ЕГ |
|
RBX EГ UBX |
(1.11) |
|||
|
|
|||||||
|
|
RBX RГ |
|
|
|
|
||
Коэффициент согласования на входе |
|
|
|
|
||||
|
UBX |
|
RBX |
|
UBX |
. |
(1.12) |
|
|
RBX RГ |
|
||||||
|
|
|
|
ЕГ |
|
Предельные значения коэффициента на входе
−при RГ<<RВХ (х.х источника) UВХ ≈EГ, U ВХ 1, Ке КU; −при RГ>>RВХ (к.з источника) UВХ 0, UВХ 0;
−при RГ=RВХ в согласованном режиме, UВХ =½.
Сквозной коэффициент усиления по напряжению
7
Kе |
U ВЫХ |
|
|
UВЫХ |
|
γ |
K |
U |
γ |
K |
U XX |
γ |
(1.13) |
|||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
EГ |
U ВХ |
|
|
U ВХ |
|
U BX |
|
U ВЫХ |
|
|||||
|
|
γU ВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Функциональная схема усилителя |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
UВЫХХХ |
|
|
|
UВЫХ |
|
||||
ЕГ |
U ВХ |
|
UВХ |
KU XX |
U ВЫХ |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
KU
Ke
Рис.1. 6. Усилитель ИНУН
Для увеличения общего (сквозного) усиления Ке необходимо увели-
чивать U ВХ (RГ<<RВХ) и U ВЫХ (RН>>RВЫХ). Усилитель напряжения должен иметь большое входное и малое выходное сопротивления.
1.4. Обобщенная схема усилителя с источником тока, управляемым током –ИТУТ
В этой модели усилителя источник сигнала и зависимый источник являются источниками тока.
IВХ |
ИТУТ |
|
IВЫХ |
IГ |
|
Ki КЗ IВХ |
|
|
|
|
|
RГ UВХ |
RВХ |
RВЫХ |
UВЫХ RН |
Рис.1. 7. Обобщенная схема усилителя с ИТУТ
Коэффициент усиления по току в режиме короткого замыкания на выходе
8
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
KiКЗ |
|
IВЫХКЗ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.14) |
|||||||
Выходной ток |
|
|
IВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
I |
|
|
|
UВЫХ |
|
K |
iКЗ |
I |
|
|
|
RВЫХ RН |
|
1 |
|
K |
iКЗ |
I |
|
|
RВЫХ |
|
(1.15) |
||||||||||
ВЫХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
ВХ R |
R |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
R |
|
|
ВХ R |
R |
|
|
|
|
|
Н |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|
ВЫХ |
|
Н |
|
Н |
|
|
|
|
|
|
ВЫХ |
||||||||
|
Коэффициент усиления по току |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
К |
i |
|
IВЫХ |
K |
iКЗ |
|
|
RВЫХ |
|
K |
iКЗ |
|
γ |
|
|
|
(1.16) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
I |
ВХ |
|
|
R |
R |
|
|
|
i |
ВЫХ |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВЫХ |
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
γi ВЫХ |
|
|
|
RВЫХ |
|
, |
|
|
|
|
0 i ВЫХ 1 |
|
(1.17) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RВЫХ RН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iВЫХ - коэффициент распределения (согласования, току на выходе усилителя.
В режиме короткого замыкания при RН<<RВЫХ i ВЫХ В режиме холостого хода при RН>>RВЫХ i ВЫХ 0.
Входной ток усилителя
ослабления) по
1 и Кi Кi КЗ.
IВХ IГ |
|
RГ |
|
IГ γiВХ |
(1.18) |
|||
R |
R |
|
||||||
|
|
|
Г |
ВХ |
|
|
||
γiВХ |
|
|
RГ |
, |
0 iВХ 1 |
(1.19) |
||
RГ RВХ |
||||||||
|
|
|
|
|
iВХ - коэффициент распределения по току на входе усилителя.
|
|
|
|
|
I |
Г |
|
IВХ |
|
|
|
|
|
|
|
(1.20) |
|
|
|
|
|
γ |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
iВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сквозной коэффициент |
усиления |
по |
току с учетом |
равенства |
||||||||||||
IГ=IВХ/ iВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К |
|
|
IВЫХ |
γ |
IВЫХ |
|
γ |
K |
|
γ |
K |
|
γ |
(1.21) |
||
|
IГ |
|
|
|
||||||||||||
|
I |
|
iВХ IВХ |
|
|
iВХ |
|
i |
|
iВХ |
|
iКЗ |
iВЫХ |
|
Функциональная схема усилителя тока
9