Osnovy_skhemotekhniki_posobie

Министерство образования и науки Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА - КАИ

В.В.АФАНАСЬЕВ, М.П.ДАНИЛАЕВ, И.И.НУРЕЕВ, А.И.УСАНОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ

УСТРОЙСТВ»

2010

1

Введение Учебное пособие предназначено для использования студентами при

изучении таких дисциплин, как «Основы схемотехники» и «Схемотехника аналоговых электронных устройств». Может применяться для самостоятельной работы студентов заочной и вечерней форм обучения, а также при дипломном проектировании.

Учебное пособие охватывает все разделы курса «Схемотехника аналоговых электронных устройств» и основные разделы курса «Основы схемотехники». В результате освоения курса «Схемотехника аналоговых электронных устройств» предполагается освоение студентами следующих основных вопросов: принципы построения и функционирования усилительных устройств, использование обратных связей в усилительных устройствах,

построение усилительных устройств на операционных усилителях, каскады с частотной коррекцией, усилители мощности, усилители постоянного тока. В

соответствии с этим в пособии изложены приведенные разделы курса.

Учебное пособие содержит также разделы курса «Схемотехника аналоговых электронных устройств», предназначенные для самостоятельной проработки студентами.

Учебное пособие является частью учебно-методического материала,

подготовленного для студентов направлений «Радиотехника» и «Телекоммуникации»:

Учебное пособие по курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств»;

Лабораторный практикум по курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств»;

Методическое пособие по курсовому проектированию по курсу

«Схемотехника аналоговых электронных устройств».

3

1. Основные параметры и характеристики усилителей

1.1. Понятие усилительного устройства

Усилительным устройством (УУ) называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Входной сигнал УУ управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Функциональная схема УУ представлена на рис. 1.1.

Источник питания (ИП)

Рис.1.1 Функциональная схема УУ

Источники сигнала имеют разные свойства и параметры (например,

импульсный сигнал, сигнал постоянного тока) поэтому при анализе усилителей они представляются источниками ЭДС или тока. Различают: источник тока,

управляемый током; источник напряжения, управляемый напряжением;

источник напряжения, управляемый током и источник тока, управляемый напряжением.

Источником питания является внешний источник энергии, мощность которого используется для усиления полезного сигнала.

Основным свойством электронного усилителя является его способность увеличивать мощность входного сигнала при допустимых искажениях сигнала.

Следует отметить, что в пассивных и активных элементах усилителя происходят потери энергии, которые определяют снижение КПД УУ.

Вследствие указных потерь электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Отсюда следует, что при меньших потерях энергии в усилителе (большем КПД)

упрощается отвод тепла, что весьма существенно в интегральных усилителях.

Проблема отведения тепла в усилителях усложняется с повышением степени

4

интеграции (уменьшения размеров) каскадов и с увеличением мощности выходного сигнала.

1.2. Основные характеристики УУ

Коэффициенты усиления. Основной характеристикой любого усилителя является его коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:

­коэффициент усиления по мощности – это отношение мощности сигнала на выходе усилителя к мощности входного сигнала:

­коэффициент усиления по напряжению – это отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе:

­коэффициент усиления по току – это отношение тока сигнала на выходе усилителя к току сигнала на его входе:

где Kpi – коэффициент усиления i-го каскада усилителя, Kpрез – коэффициент усиления всех каскадов.

Коэффициент усиления является безразмерной величиной. В радиотехнике коэффициент усиления часто выражают в децибеллах:

5

Если коэффициент усиления выражен в децибеллах, то результирующий коэффициент усиления нескольких последовательно соединенных каскадов вычисляется как сумма:

Коэффициент полезного действия (КПД). Основной энергетической характеристикой любого устройства является КПД. Для электронного усилителя КПД представляет собой отношение мощности, выделяемой в нагрузке Pн , к мощности PИП , потребляемой от источника питания:

КПД характеризует эффективность использования энергии источника питания. Разность PИП Pн PИП 1 Pпотерь определяет мощность потерь,

которая превращается в тепло.

Эффективность использования энергии источника питания часто оценивают по току I0, потребляемому от источника питания в режиме покоя,

т.е. при отсутствии сигнала.

АЧХ. Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Пример такой характеристики для широкополосных усилителей представлен на рис. 1.2.

Рис.1.2. АЧХ широкополосного усилителя

6

Как видно из рис. 1.2, идеальная АЧХ сильно отличается от реальной. Это связано с тем, что в реальных усилителях за счет наличия паразитных емкостей и индуктивностей происходит завал усиления на высоких частотах. Условие физической реализуемости усилителя записывается следующим образом:

K f 0, при f .

На АЧХ выделяют область средних частот (СЧ), в которой коэффициент усиления не зависит от частоты. Коэффициент усиления в области СЧ называется номинальным коэффициентом усиления K0 . Полосой пропускания называется диапазон частот между граничными частотами fв и fн. Типовым уровнем определения полосы пропускания является уровень

сигнала. Спад АЧХ на граничных частотах может задаваться не хуже заданного: для УЗЧ допускается спад АЧХ не более 3 дБ (в 1,41 раза), для усилителей измерительных приборов не более 0,1 дБ.

ФЧХ. Фазово-частотной характеристикой усилителя (ФЧХ) называется зависимость сдвига фаз между входным и выходным сигналами усилителя от частоты. На рис. 1.3 представлены идеальная и пример реальной ФЧХ усилителя.

Рис.1.3. ФЧХ

Тангенс угла наклона касательной к ФЧХ определяет время задержки

выходного сигнала относительно сигнала на входе – d tзад. Различные d

7

спектральные составляющие сигнала задерживаются усилителем с реальной ФЧХ на разное время, что приведет к отличию формы выходного сигнала от формы сигнала на входе.

ПХ. Переходная характеристика (ПХ) усилителя это зависимость значения напряжения (тока) на выходе от времени Uвых f (t), при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).

ПХ усилителя однозначно связана с его АЧХ и ФЧХ. ПХ позволяет оценить искажения формы прямоугольных импульсов при их усилении. При подаче на вход прямоугольного импульса форма выходного сигнала может быть получена вычитанием переходных характеристик, сдвинутых на время длительности импульса, в результате получается импульсная характеристика

(рис.1.4) усилителя.

Фронты

t

Рис.1.4. Импульсная характеристика

Линейные искажения полезного сигнала. Усиление сигнала – это повышение его уровня (мощности) при сохранении формы. Однако усилить сигнал и в точности сохранить его форму невозможно, поэтому усиленный сигнал принято характеризовать уровнем искажений.

Искажения – это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. Эти отклонения, вызваны несовпадением реальных характеристик усилителя с идеальными. Искажения делят на линейные и нелинейные.

Различают три вида линейных искажений: частотные, фазовые и переходные.

8

­Частотные искажения. В усилителе частотные искажения возникают в том случае, когда коэффициент усиления на разных частотах в полосе пропускания отличается от идеального.

Если представить усилитель в виде четырехполюсника, то комплексный коэффициент усиления по напряжению в этом случае можно записать в виде:

Частотные искажения оцениваются по отклонению АЧХ от номинального усиления с помощью коэффициента частотных искажений. Коэффициент частотных искажений как правило записывают на нижней и верхней граничных частотах:

Для многокаскадного усилителя результирующий коэффициент частотных искажений определяется произведением:

где Мн(в)i – частотные искажения i-го каскада.

­Фазовые искажения. В усилителе фазовые искажения возникают в том случае, когда реальная ФЧХ не совпадает с идеальной (рис. 1.3).

Для идеальной ФЧХ – a , следовательно, возникает задержка

выходного сигнала, по отношению ко входному на время задержки:

tзад 2a . Для реальной ФЧХ время задержки будет зависеть от частоты

сигнала.

9

Численная оценка фазовых искажений имеет вид:

­Переходные искажения. При усилении импульсных сигналов на выходе усилителя наблюдается переходный процесс, так как частоты в спектре импульсного сигнала выходят за пределы участков, где АЧХ и ФЧХ можно считать идеальными. Изменение формы импульса при усилении обусловлено действием реактивных элементов и на практике оценивается с помощью переходной характеристики (или нормированной импульсной характеристики). На рис. 1.5 представлен импульсный сигнал на выходе усилителя с переходными искажениями.

0,1UВых

t

tф

Рис.1.5. Импульсная характеристика с переходными искажениями

Переходные искажения характеризуются тремя параметрами:

­ временем нарастания (или время фронта) – ty tф, в течение которого

нормированная импульсная характеристика изменяется от 0,1 до 0,9;

­ относительным значением выброса U , возникающим при колебательном характере переходного процесса;

­неравномерностью вершины прямоугольного импульса (спад вершины импульса) за время импульса.

10