Лекция 2 система показателей аналоговых электронных устройств

2.1. Основные технические показатели и характеристики аэу

Любое АЭУ осуществляет усиление и преобразование аналоговых сигналов. Количественную оценку свойств АЭУ (рис. 2.1), обеспечивающего получение на его выходе аналогового сигнала с необходимыми параметрами, производят с помощью системы технических показателей и характеристик.

Рис. 2.1. Упрощенная структурная схема АЭУ.

Для оценки свойств АЭУ используют систему показателей, которую условно можно разбить на четыре группы:

1. Энергетические показатели:

- входные и выходные параметры;

- коэффициенты усиления;

2. Спектральные показатели:

- диапазон рабочих частот;

- АЧХ и ФЧХ;

- коэффициенты частотных и фазовых искажений;

- амплитудно-фазовая характеристика.

3. Временные показатели:

- переходная характеристика;

- время установления;

- выброс, спад и подъем вершины.

4. Динамические показатели:

- амплитудная и динамическая характеристика;

- динамический диапазон;

- коэффициенты нелинейности и нелинейных искажений;

- уровень шума, помех, фона.

2.2. Энергетические показатели

Для оценки энергетических показателей используются:

 входное сопротивление Z_вх. Чаще всего Z_вх носит емкостной характер;

 выходное сопротивление Z_вых. Чаще всего Z_вых носит так же емкостной характер;

 коэффициенты передачи:

 по напряжению или просто:

,

где  – фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Значение |K| на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как K₀, называют коэффициентом усиления.

В логарифмических единицах:

.

Для n-каскадных усилителей (каскады включены последовательно):

,

;

 по току :

.

Для n-каскадных усилителей в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично.

 по мощности :

.

Для n-каскадных усилителей в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично, только

.

 сквозные коэффициенты, например, сквозной коэффициент передачи по напряжению:

,

где – ЭДС источника сигнала.

коэффициент полезного действия:

,

где – максимальная выходная мощность усилителя; – мощность, потребляемая от источника питания.

Для оценки эффективности усилителей мощности используют высокий к.п.д. выходной цепи. При этом основной характеристикой считается выходная мощность P_вых = U²_вых/R_н. Обычно для однотактных усилителей к.п.д. ≤ 50%, а для двухтактных ≈ 75%.

Для малосигнальных усилителей к.п.д. не важен, поэтому для оценки таких усилителей используют при R_вх << R_г и R_вых >> R_н коэффициент передачи по напряжению K_U = U_вых/U_вх (это усилитель напряжения) и при R_вх >> R_г и R_вых << R_н коэффициент передачи по току K_I = I_вых/I_вх (это усилитель тока).

2.3. Спектральные показатели

Для получения необходимых спектральных показателей используют:

- УПТ и ОУ (усиление с f_н = 0);

- усилители переменного тока (усиление с f_н > 0). К ним относятся усилители:

синусоидальных колебаний одной частоты с f_ср;

синусоидальных колебаний в полосе частот с ∆f = f_в−f_н. Это широкополосные усилители (без корректирующих цепей), видеоусилители (с корректирующими цепями), импульсные усилители);

малошумящие усилители (для усиления слабых сигналов используются специальные меры уменьшения шума);

дифференциальные усилители (применяются там, где нет заземляющего полюса).

Характеристики усилителя служат для оценки искажения сигнала. Искажения – это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. В зависимости от происхождения они подразделяются на:

 искажения частотные, вызываемые неодинаковым усилением усилителя на разных частотах. Частотные искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазочастотной характеристике (ФЧХ).

АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Часто используют нормированную АЧХ, представленную на рис. 2.2.

Рис. 2.2. АЧХ УУ.

Здесь Y – относительный (нормированный) коэффициент усиления:

,

.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах в точности совпадает с выражениями для и получается из последних путем заменына.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений :

,

.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах также в точности совпадает с выражениями для и получается из последних путем заменына.

По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют нижнюю и верхнююграничные частоты, полосу рабочих частот, равную:

.

искажения фазовые, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих спектра сигнала. Фазовые искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

Зависимость угла сдвига по фазе между входным и выходным сигналами от частоты оценивается по ФЧХ, для резистивного каскада имеющей вид, представленный на рис. 2.3.

Рис. 2.3. ФЧХ УУ.

Иногда бывает удобно пользоваться амплитудно-фазовой характеристикой, связывающей в одну зависимость изменения коэффициента усиления K=ψ(f) и фазового сдвига φ=F(f), происходящие при изменении от 0 до ∞. Амплитудно-фазовая характеристика K=Ф(φ) строится в полярной системе координат (рис. 2.4) посредством векторов, абсолютные значения которых равны K, а углы наклона по отношению к оси начала отсчетов (положительное направление оси абсцисс) равны φ. При этом частотная характеристика коэффициента передачи K= Ke^jφ представляет собой геометрическое место точек концов вектора K, имеющего начало в точке 0 и определенного для различных частот f₁, f₂, f₀, f₃,…). На рис. … f₀ – средняя частота, коэффициент усиления на которой равен K₀.

Рис. 2.4. Амплитудно-фазовая характеристика

Как видно из рис. 2.4 K/K₀=cosφ, с другой стороны, из 1.4 относительное усиление Y = K/K₀, т.е. Y = cosφ.

Выражение ( ) устанавливает связь между амплитудно- и фазочастотной характеристиками для рассматриваемого случая и показывает, что при изменении относительного усиления Y от 1 до 0 (для апериодических каскадов усиления Y не может быть больше единицы) угол изменяется в пределах от 0 до ±π/2.