ЛекцииСАиЦУ_ФКП

Содержание

Глава 1. Общие сведения об аналоговых устройствах..………………………..3 1.1. Основные определения….…….……………………………………...3 1.2. Классификация аналоговых электронных устройств…….….……..5 1.3. Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств……….………………..…………………….8 1.4. Принцип электронного усиления…………………..……………….23

1.5. Режимы работы усилительных элементов…………..……………..25 Глава 2. Анализ работы каскада с помощью вольт-амперных характеристик его элементов……………...…………………………………………..31 2.1. Выходные характеристики транзистора, рабочая точка и область безопасной работы…………………………...…………………...…31 2.2. Нагрузочная характеристика и траектория движения рабочей точ-

ки…………………………………………………………………..…36 2.3. Критерии выбора положения исходной рабочей точки…………...41 2.4. Условия получения наибольшей мощности сигнала в выходной цепи усилительного прибора………………..……………………...45

Глава 3. Работа усилительных каскадов в режиме малого сигнала..………...49 3.1. Критерии и особенности малосигнального режима работы транзи-

стора………………..………………………………………………....49 3.2. Способы включения транзистора в схему усилительного каска-

да……………………………………………………………………..53 3.3. Каскады усиления переменного сигнала…..………………………56 Глава 4. Обратная связь в усилительных трактах…………..…………………58 4.1. Структурная схема усилительного тракта с однопетлевой обратной связью……………………...…………………………………….…...58 4.2. Правила определения значений исходных параметров и петлевой передачи в схемах с обратной связью……………………………..62 4.3. Влияние обратной связи на параметры и характеристики усили-

тельного тракта……………………………………………...………66

3

4.4. Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиле-

ния….………………………………………………………………...67 4.5. Влияние обратной связи на ход амплитудно-частотной характери-

стики…..……………………………………………………………...68

Глава 5. Многокаскдные усилители………..…………………………………..71 5.1. Особенности построения многокаскадных усилительных трактов тов…………………………………………………………………...71 5.2. Способы межкаскадных связей……...……………………….……..72

5.2.1. Усилители с непосредственными межкаскадными связями..…..72 5.2.2. Усилители с гальваническими межкаскадными связями.....……74 5.2.3. Каскады и цепи с емкостной связью………..……………………75 5.2.4. Трансформаторная межкаскадная связь………..…………..……76 5.3. Типовые многотранзисторные схемные конфигурации усилитель-

ных каскадов……………………..……………………………….…77 5.3.1. Каскодное соединение ОЭ-ОБ….………………………………...77 5.3.2. Схемные построения на эмитерно-связанных транзисторах…...80 Глава 6. Базовые схемные конфигурации аналоговых микросхем и усилите-

лей постоянного тока……..…………………………………………..84 6.1. Дифференциальный усилительный каскад………...………………84 6.2. Генератор стабильного тока и его применение в схеме дифференциального усилительного каскада…………………………….……89

Глава 7. Функциональные устройства на операционных усилителях…..…...91 7.1. Операционные усилители и их свойства….…...…………………...91 7.2. Принципы и особенности организации обработки сигналов в схе-

мах на ОУ………………..………………………………………...…97 7.3. Типовые способы включения ОУ в схему обработки сигна-

лов…………………………………………………………………....99 7.4. Дифференциальные усилители на ОУ………...…………………..102 Глава 8. Устройства регулировки усиления сигналов……..………………...104 8.1. Регуляторы усиления…….….………………………………...…...104

4

8.1.1. Назначение и место включения……………..…………………..104 8.1.2. Потенциометрические и режимные регуляторы…….…………105 8.1.3. Регуляторы в схемах на ОУ………………..…………………….109 8.1.4. Регуляторы на основе электрически управляемых сопротивле-

ний.………………………………………………………………..111 Литература………………………………………………………..113

5

Глава 1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах

1.1. Основные определения

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) — это устройства усиле-

ния и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. К аналоговым относятся электрические сигналы (ток, напряжение), непрерывно изменяющиеся во времени, значения которых в каждый момент времени однозначны (известны или могут быть измерены). Аналоговый сигнал как функция времени может быть наглядно представлен графиком или осциллограммой. График может содержать точки разрыва, например, иметь форму импульсов.

В отличие от аналогового у дискретного сигнала значения известны не во все моменты времени, а только в некоторые, например один раз в каждую миллисекунду. Но по форме (а не по содержанию) любой дискретный сигнал является аналоговым. Частным видом дискретного сигнала является цифровой. Он получается, если числовые значения дискретного сигнала выразить группами импульсов, обозначающими соответствующие числа (обычно в двоичной системе счисления, как самой простой для отражения импульсами).

Соответственно все электронные устройства можно разделить на две группы: аналоговые и цифровые. Преимущества аналоговых устройств — сравнительная простота, надежность и быстродействие — обеспечили им самое широкое применение, несмотря на менее высокую точность обработки сигналов.

Построение аналоговых устройств на основе активных электронных приборов позволяет усиливать сигналы.

Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, ко-

торое за счет энергии источника питания формирует новое колебание, являющееся по форме, более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходит его по напряжению, току или мощности.

6

Усиление колебания не обязательно увеличивает его мощность, но создается выходное колебание за счет энергии источника питания. Напряжение последнего в усилителе преобразуется в напряжение заданной формы, поэтому можно считать, что усилитель является преобразователем формы напряжения.

Совокупность усилителя и источника питания составляют усилительное устройство (рис. 1.1,а).

б)

а)

Рис. 1.1.

Главной его частью является усилитель, вследствие чего эти два понятия обычно отождествляют.

Ко входным зажимам усилителя 1-1’ подключают источник усиливае-

мого колебания (сигнала), который можно представить в виде эквивалентного активного двухполюсника с генератором ЭДС ЕГ (рис. 1.1,а) или генератором тока IГ (рис. 1.1,б), имеющим внутреннее сопротивление ZГ. Оба эти представления равноценны и могут быть преобразованы одно в другое. Однако высокоомный источник сигнала (имеющий ZГ большее по сравнению с входным сопротивлением усилителя) целесообразно представлять схемой с генератором тока, а низкоомный — схемой с генератором ЭДС. Тогда в первом приближении сопротивление ZГ можно не учитывать и эквивалентный активный двухполюсник упрощается до идеальных генераторов тока или ЭДС.

7

Источниками входных сигналов могут быть микрофон, детектор, датчик, диодный фотоприемник, выход предыдущего усилителя и т.д.

К выходным зажимам 2-2’ подключается нагрузка усилителя, имеющая сопротивление ZН. В качестве нагрузок могут быть громкоговоритель, элек- тронно-лучевая трубка, вход последующего усилителя и т.п.

В усилителе энергия источника питания преобразуется в энергию усиленного колебания, с помощью активных усилительных элементов. Если в качестве их применяют электронные приборы, то усилители называются электронными. Для усиления электрических сигналов они имеют почти исключительное применение.

Электронные усилители в современной технике находят самое широкое применение и как самостоятельные устройства, и как составные части более сложных устройств. Их используют в бытовой электронике, звуковом кино, радиолокации, медицине, технике измерений, автоматике и т.д. На их основе строятся почти все другие аналоговые электронные устройства обычно посредством добавления тех или иных цепей обратной связи (ОС).

1.2. Классификация аналоговых электронных устройств

Аналоговые электронные устройства можно условно разделить на две большие группы: усилители и устройства, выполненные на их основе.

Усилители являются самыми распространенными электронными устройствами. Их принято классифицировать по нескольким признакам.

По форме усиливаемых сигналов — усилители непрерывных и усилите-

ли импульсных сигналов.

К первым относятся усилители квазигармонических сигналов, например речевых, музыкальных, которые изменяются во времени сравнительно медленно, так, что переходные процессы в усилителе почти не проявляются. Свойства таких усилителей оценивают по качеству передачи гармонического колебания.

8

Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсов, например радиолокационных, телевизионных, телеграфных и т.д. здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства таких усилителей оценивают по форме переходной характеристики.

По диапазону частот — усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

Усилители постоянного тока усиливают как постоянную, так и переменную составляющие входного сигнала, начиная с нуля герц.

Усилители, способные усиливать только переменную составляющую, называются усилителями переменного тока. Они усиливают колебания с частотами от нижней граничной частоты f Н до верхней граничной частоты

пускания. За пределами этого диапазона частот усиление падает ниже допустимого уровня.

Среди усилителей переменного тока выделяют:

• усилители звуковой частоты, рабочий диапазон которых нахо-

единице, а диапазон частот намного выше звуковых. Эти усилители широко применяют в радиоприемных устройствах. В выходные цепи каскадов здесь включаются колебательные контуры, резонансная частота которых

Поэтому они называются также резонансными усилителями. Их полоса пропускания f << f Р.

9

Остальные усилители в отличие от резонансных иногда называют апериодическими;

•широкополосные усилители (ШУ), у которых f В>100 кГц, а f Н

— десятки герц. Сюда относятся усилители видеотракта в телевизионной технике, видеоусилители радиолокационных прием-

ников и т.д.

По типу усилительных элементов — транзисторные, ламповые, ди-

электрические, магнитные и на интегральных микросхемах.

По области применения — микрофонные, трансляционные, измерительные, телевизионные, магнитофонные, радиолокационные и т.д.

По функциональному назначению усилители делятся на усилители напряжения, тока, мощности. Так, если главным назначением усилителя является усиление напряжения, то он называется усилителем напряжения. Аналогично определяются усилители тока и усилители мощности.

Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие, например: по типу питания (батарейное, сетевое и т.д.), числу каскадов, конструктивному или технологическому исполнению и

др.

Устройства на основе усилителей — это в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений. Первые из них называются также активными устройствами аналоговой обработки сигналов. Их выполняют на базе усилителей либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями ОС, либо путем некоторого видоизменения. Сюда относятся устройства суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др.

Преобразователи сопротивлений также выполняют на основе приме-

нения принципа ОС в усилителях. Они могут преобразовывать величину, знак и характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах об-

10

работки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства.

1.3. Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

Технические показатели аналоговых электронных устройств представляют количественную оценку его свойств. Они характеризуют коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, коэффициент полезного действия, чувствительность (номинальное входное напряжение), диапазон усиливаемых частот, линейные и нелинейные искажения, динамический диапазон, частотную, фазочастотную, переходную характеристики и т.д. и позволяют оценить степень пригодности устройства для того или иного применения.

Для устройств широкого применения показатели и методы их измерения определяются нормативно-техническими документами (ГОСТ, СТБ, ОСТ).

Рассмотрим технические показатели усилителей как основного типа АЭУ. Большинство их параметров могут быть отнесены к другим аналоговым устройствам, выполняемым на основе усилителей.

Коэффициентом усиления или коэффициентом передачи называют отношение выходного сигнала к входному. Он определяется обычно в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале.

В зависимости от характера входной и выходной величин различают:

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициента усиления отдельных каскадов и представляет собой безразмерную величину:

11

KU =KU1 KU2 ... KUn

В связи с тем, что громкость слухового восприятия звукового сигнала пропорциональна логарифму его интенсивности, для сравнения мощностей двух колебаний вводится логарифмическая единица — Бел или его десятая часть — децибел.

Тогда коэффициент усиления, выраженный в логарифмических единицах, равен:

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах, представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя, выраженных в тех же единицах:

KU (дБ) = KU1(дБ) +KU 2(дБ) +...+KUn (дБ) .

Логарифмические единицы удобны тем, что позволяют перемножение коэффициентов усиления заменить сложением.

Коэффициенты усиления по напряжению и току в общем случае являются комплексными величинами, характеризуемыми модулем и фазой. Это связано с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются поразному из-за наличия реактивных элементов схемы и частотных свойств активных элементов — транзисторов. Коэффициент усиления по мощности всегда есть число действительное, ибо он имеет смысл лишь при активном характере нагрузки.

Входное сопротивление ZВХ (проводимость YВХ) усилителя или другого устройства — это внутреннее сопротивление (проводимость) между его входными зажимами.

12