Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПОПОВ ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ ТЕХНИКИ.pdf
Скачиваний:
942
Добавлен:
11.05.2015
Размер:
2.27 Mб
Скачать

лителя;

U2,f – напряжение первой гармоники на выходе усилителя.

1.4.10. Потребляемая мощность и коэффициент полезного действия

Обычно для питания усилителя могут использоваться несколько источников. Так, например, в мощных усилителях (от нескольких ват и выше) каскады предварительного усиления и каскады усиления мощности, как правило, питаются от разных источников. При определении потребляемой усилителем мощности учитывают мощность, потребляемую от всех источников питания. Величина полезной мощности в нагрузке существенно влияет на величину потребляемой мощности, поэтому последняя измеряется в режиме, когда усилитель отдает в нагрузку выходную мощность, равную расчетной.

Коэффициент полезного действия показывает, какая часть потребляе-

мой от источника питания мощности превращается в полезную мощность на выходе усилителя. Он определяется как отношение полезной мощности в нагрузке к мощности, потребляемой от источника питания:

 

η= Р2 ,

(1.46)

 

Р0

 

где

P2 – полезная мощность в нагрузке;

 

 

P0 – мощность, потребляемая от источника питания.

 

2.УСИЛИТЕЛЬ (АЭУ) КАК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК

2.1.Основные определения

2.1.1.Четырехполюсники, их параметры и эквивалентные схемы

АЭУ, используемые в технике передачи и обработки информации, всегда выступают в роли функционального звена, связывающего источник сигнала (генератор) и нагрузку. Подобные устройства получили названия четырехполюсников в связи с тем, что они характеризуются наличием двух пар зажимов (рис. 2.1), одна из которых предназначена для связи с источником сигнала, вторая - для связи с нагрузкой.

37

Рис. 2.1

Различают линейные и нелинейные четырехполюсники, четырехполюсники пассивные и активные. Согласно определению, данному в первом разделе, усилители могут представляться как активные четырехполюсники с управляемыми источниками. При этом, смотря по тому, в каком режиме работает усилительный элемент, усилитель может рассматриваться как линейный или как не-

линейный четырехполюсник.

&I1

&I2

Свойства четырехполюсника как

устройства для передачи сигнала полно-

 

 

стью определяются соотношениями ме-

&

&

U1

U2

жду напряжениями на его внешних за-

 

 

жимах и токами, которые проходят через эти зажимы. Соотношения, связывающие

комплексные амплитуды напряжений и токов на двух парах зажимов четырех-

полюсника, называются уравнениями передачи четырехполюсника.

&

&

&

&

&

 

&

I1

= Y11U1

+ Y12U2

U1

= H11I1

+ H12U2

&

&

&

&

&

 

&

I2

= Y21U1

+ Y22U2

I2

= H21I1

+ H22U2

 

 

 

 

 

 

(2.1)

&

&

&

&

&

 

&

U1 = Z11I1

+ Z12I2

I1

= K11U1

+ K12I2

&

&

&

&

&

 

&

U2 = Z21I1

+ Z22I2

U2

= K21U1

+ K22I2

В усилительной технике наибольшее распространение получили системы уравнений (2.1), называемые соответственно Y-, Z-, H- и К-системами параметров четырехполюсника. Коэффициенты уравнений (2.1) называются параметрами четырехполюсника и определяются исключительно его схемой и значениями элементов и не зависят от внешних цепей, включенных на входе и выходе четырехполюсника.

Каждый из параметров можно определить, создавая на входе или на выходе четырехполюсника такой режим, при котором один из членов в правой части уравнений (2.1) превращается в ноль. Так, если в четырехполюснике, описываемом системой Y-параметров, обеспечить режим короткого замыкания на его выходе, при котором U2 равно нулю, то

Y11 = &I&1 - входная проводимость четырехполюсника, измеренная в ре- U1

38

жиме короткого замыкания на его выходе (U2 = 0);

 

 

&

 

Y

=

I2

- проводимость прямой передачи, измеренная в режиме корот-

&

21

 

 

 

 

U1

 

кого замыкания на его выходе (U2 = 0).

Для определения параметров Y12 и Y22 необходимо обеспечить режим короткого замыкания на входе четырехполюсника:

 

 

&

 

 

Y

=

I1

 

- проводимость обратной передачи, измеренная в режиме ко-

&

12

 

 

 

 

 

U2

 

 

роткого замыкания на его входе (U1 = 0);

 

 

&

 

 

Y

=

I2

 

- выходная проводимость четырехполюсника, измеренная в

&

 

22

 

 

 

 

 

U2

 

 

режиме короткого замыкания на его входе (U1 = 0).

Для системы H-параметров таким же образом получим

H11 = U&&1 - входное сопротивление, измеренное в режиме короткого за- I1

мыкания на выходе (U2 = 0);

H12 = U&& 1 - коэффициент обратной передачи, измеренный в режиме хо-

U2

лостого хода на входе (I1 = 0);

H21 = &I2 - коэффициент прямой передачи по току, измеренный в режиме

&I1

короткого замыкания на выходе (U2 = 0);

 

&

 

H22 =

I2

- выходная проводимость четырехполюсника, измеренная в

&

 

U2

 

режиме холостого хода на его входе (I1 = 0).

При желании таким же образом могут быть определены параметры для Z- и K-систем.

39

&

 

&

 

&

&

I1

 

I2

 

I1

I2

&

Y22

 

 

H11

&

Y12U2

 

 

H21I1

&

 

&

&

&

&

U1

&

U2

U1

Н12U2

U2

Y11

 

 

 

H22

Y21U1

 

 

 

а

 

 

 

 

б

Рис. 2.2

Каждой системе уравнений (2.1) соответствует своя эквивалентная схема. Так, например, эквивалентные схемы для У- и Н-систем представлены на рис. 2.2, а, б.

Как видно из рисунков, входная часть каждой схемы определяется первым уравнением соответствующей системы, а выходная - вторым.

2.1.2. Определение показателей усилителя через параметры

 

четырехполюсника

 

 

 

 

 

 

Показатели

усилителей

 

&

 

&

 

 

(входные и выходные сопротив-

 

 

 

I1

 

 

 

I2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ления, коэффициенты усиления и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т.д.) зависят не только от пара-

 

 

 

Y1

Y11

 

 

Y22 Y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

метров четырехполюсника, но и

&

 

 

&

&

 

 

&

 

 

от сопротивления источника сиг-

J1

 

 

U1

Y21U1

 

 

U2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нала и сопротивления нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для определения

показателей

 

 

 

 

Рис. 2.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

усилительного каскада восполь-

зуемся схемой (см. рис. 2.3), описываемой системой уравнений в Y- параментрах [1]. В этой схеме на входе четырехполюсника включен генератор тока J&1 с его внутренней проводимостью Y1, а на выходе - нагрузка Y2.

Определим ток I2, протекающий через нагрузку Y2:

 

&

&

(2.2)

I2

= −Y2U2

Знак минус в выражении (2.2) объясняется тем, что направление тока на

40

рис. 2.3 не соответствует выбранному направлению напряжения U2. Подставим (2.2) во второе уравнение системы Y-параметров:

 

&

 

 

&

&

 

(2.3)

 

Y2U2

= Y21U1 +Y22U2 .

 

Уравнение (2.3) с помощью Y-параметров и проводимости нагрузки Y2

&

&

что дает возможность определить коэффици-

связывает напряжения U1

и U2 ,

ент усиления по напряжению:

 

 

 

 

 

 

 

&

&

 

 

 

 

 

 

U2

 

Y21

.

(2.4)

 

K =

= −

 

&

Y2 +Y22

 

 

 

U1

 

 

 

Найдем из выражения (2.4) напряжение U2 и подставим его в первое уравнение системы:

&

&

 

 

&

 

 

 

Y12Y21U1

.

(2.5)

I1

= Y11U1

Y2

+ Y22

 

 

 

 

 

Уравнение (2.5) связывает входной ток и входное напряжение, что дает возможность определить входную проводимость усилителя:

 

&I

 

Y Y

 

Y =

1

= Y

 

12 21

.

(2.6)

&

 

 

ВХ

11

Y2

+ Y22

 

 

U1

 

 

Учитывая, что система Y-параметров является симметричной относительно входа и выхода, можно записать выражение для выходной проводимости усилителя:

Y

= Y

Y12Y21

.

(2.7)

 

ВЫХ

22

Y1

+ Y11

 

 

 

 

Используя (2.2, 2.4, 2.6) найдем коэффициент усиления по току

 

 

 

&

 

&

 

Y21

 

 

 

Y2

 

 

 

K

i

=

I2

= Y2U2

=

 

 

 

 

 

=

&

 

 

 

 

Y21Y12

 

 

 

 

Y

&

 

Y

+Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

U

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

1

ВХ

1

 

2

22

 

 

Y2

+ Y22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41

=

 

 

Y21Y2

 

.

(2.8)

Y (Y +Y

) Y Y

 

11

2

22

21

12

 

 

Определим сквозной коэффициент усиления по току

 

 

 

&I

2

 

Y U

2

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

K

J

=

 

=

2

 

 

=

21

 

 

 

 

 

2

 

 

=

 

 

 

 

 

&

 

 

 

 

 

 

 

Y21Y12

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

(Y + Y )U Y + Y

 

(Y + Y )

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ВХ 1

 

2

22

 

 

(Y2

+ Y22 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

Y21Y2

 

 

 

.

 

 

(2.9)

 

 

 

 

 

 

(Y + Y )(Y +Y

) Y Y

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

11

2

22

21

12

 

 

 

 

 

Найдем сквозной коэффициент усиления по напряжению:

 

&

 

 

&I2

Y2

&

 

Y1

 

 

Y21Y1

 

 

 

&

U2

 

 

 

 

I2

 

 

 

 

 

 

KE =

&

 

= −

&

 

 

=

&

 

 

Y

= −

(Y

+ Y )(Y

+ Y

) Y Y

.

(2.10)

 

E

 

J

 

 

J

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1 Y

 

 

1

2

 

1

11 2

22

21 12

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Все полученные выше показатели усилителя могут быть определены путем использования любой другой системы параметров четырехполюсника. Так, используя свойство дуальности электрической цепи, можно записать выражения для входного и выходного сопротивления усилителя в системе Z-параметров:

Z

ВХ

= Z

Z12Z21

(2.11)

 

 

 

11

 

Z2 + Z22

 

 

 

 

 

 

 

ZВЫХ = Z22

 

Z12Z21

.

(2.12)

 

 

 

 

 

 

Z1 + Z11

 

Коэффициент сквозного усиления для четырехполюсника, описываемого системой Н-параметров, имеет вид

&

&

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U2

 

 

 

H21

 

 

 

 

 

KE =

= −

 

 

 

 

 

.

(2.13)

&

 

(H

+ Z )(H

 

+ Y ) H

 

H

 

 

E

 

22

21

12

 

 

 

 

1

 

11

1

2

 

 

 

Следует отметить, что все эти выражения можно было получить, ис-

42