Osnovy_skhemotekhniki_posobie

В соответствии с ФЧХ реального усилителя спектральные составляющие импульсного сигнала будут поступать на выход усилителя с различным временем задержки. Максимальная скорость нарастания ПХ пропорциональна площади усиления:

времени нарастания фронта и неравномерность вершины импульса можно оценить по формулам (1.14) и (1.15):

Как уже было сказано ранее, ПХ имеет однозначную связь с АЧХ и ФЧХ.

На рис.1.6 проиллюстрирована связь частотных и временных искажений.

tф

Рис.1.6. Связь частотных и временных искажений

Длительность фронтов зависит только от поведения АЧХ на ВЧ(малые времена – высокие частоты). Спад плоской части импульса определяется НЧ составляющей АЧХ (большие времена – низкие частоты). Область СЧ определяет номинальный коэффициент усиления, т.е. амплитуду импульса.

11

Связь ВЧ искажений на АЧХ и искажений фронтов ПХ иллюстрирована на рис.1.7.

Рис.1.7. Связь ВЧ искажений на АЧХ и искажений фронтов ПХ

Форма третьего варианта АЧХ на рис.1.7 в области ВЧ напоминает АЧХ колебательного контура.

Связь НЧ искажений на АЧХ и искажений плоской части импульса показана на рис.1.8.

Рис.1.8. Связь НЧ искажений на АЧХ и искажений плоской части импульса

Линейные искажения являются обратимыми, их можно скомпенсировать при дальнейшей обработке сигналов.

Нелинейные искажения полезного сигнала. Нелинейные искажения – это изменения формы сигнала, обусловленные нелинейностью характеристик элементов схемы (как активных, так и пассивных). Нелинейные искажения полезного сигнала принято оценивать по амплитудной характеристике (АХ)

усилителя – UВых f UВх .

12

Динамический диапазон (ДД) усилителя. Динамическим диапазоном усилителя по входу называется отношение максимального уровня сигнала на его входе к минимальному на его входе:

Следует различать динамический диапазон усилителя и динамический диапазон сигнала. Динамическим диапазоном сигнала называется превышение его максимального уровня над минимальным:

Шумы и помехи.

Шумами называют помехи, которые появляются в результате хаотического теплового движения свободных электронов, дробового шума и пр. В

усилителях источником шума являются как пассивные, так и активные элементы. Уровень этих шумов сказывается на способности усилителя усиливать слабые по уровню сигналы.

Тепловой шум связан с хаотическим движением носителей зарядов,

вызванных температурой абсолютного нуля Кельвина. Если имеется некоторое сопротивление R в усилителе, внешняя температура равна T, а полоса усиления

f , то напряжение теплового шума на этом сопротивлении определяется формулой (1.20).

охлаждения, является уменьшение сопротивления R, уменьшение полосы усиления (здесь мы ограничены полосой полезного сигнала). Спектральная плотность теплового шума равномерна.

14

Специфические шумы – это шумы активных элементов, избыточные шумы,

фликкер шумы, шумы мерцания, сверхнизкочастотные шумы, шумы типа 1 f .

Спектральная плотность шума типа 1 f представлена на рис.1.10 – чем меньше частота, тем выше интенсивность шума.

Рис.1.10. Спектральная плотность шума типа 1 f

К помехам усилителя относят электромагнитные наводки. Их причина заключается в наличии паразитных индуктивных и емкостных связей между цепями усилителя и цепями помех. Особенно сильно такие наводки сказываются в ВЧ усилителях большой мощности. Такие помехи устраняют путем экранировки сигнальных цепей, их трассировки таким образом, чтобы паразитные параметры были минимальными.

Специфический вид помех (фон сети) выражается в появлении напряжения на выходе усилителя с частотами, кратными частоте сети переменного тока. Фон возникает в результате питания усилителя от сети переменного тока с большой пульсацией выпрямленного напряжения, а также в результате наведения ЭДС электромагнитными полями сети, силового трансформатора в межэлементных соединениях усилителя. Для борьбы с сильным фоном используют режекторные фильтры.

Для оценки шумовых свойств усилителя используют коэффициент шума:

1.3. Классификация усилителей

Усилители классифицируют по нескольким признакам:

15

По виду АЧХ:

­усилитель постоянного тока (УПТ);

­широкополосный усилитель – здесь выполняется условие: fв fн 1.

Частным случаем таких усилителей являются звуковые усилители и УВЧ в приемниках.

­полосовые или избирательные усилители (верхние и нижние частоты близки друг к другу) – fв fн 1.

Рис.1.11. АЧХ усилителей: слева – УПТ, в центре – широкополосный усилитель, справа –

полосовой усилитель

По назначению:

­усилители напряжения. Входное сопротивление усилителя значительно превышает внутреннее сопротивление источника сигнала. В этом случае источник сигнала работает практически в режиме холостого хода (ХХ), а входным сигналом является напряжение, равное напряжению входного сигнала. Таким образом, данный усилитель является источником напряжения, управляемым напряжением (ИНУН).

­усилители тока. Здесь входное сопротивление усилителя намного меньше входного сопротивления источника сигнала. Заданной входной величиной является ток, а сам источник сигнала работает в режиме короткого замыкания (КЗ). Такой усилитель является источником тока,

управляемым током (ИТУТ).

­усилители мощности.

Один и тот же усилитель с неизменным входным сопротивлением может быть либо усилителем тока, либо усилителем напряжения в зависимости от внутреннего сопротивления источника сигнала. Таким образом, тип усилителя

16

по назначению устанавливается в зависимости от параметров источника

сигнала и нагрузки.

По типу активного элемента:

­ламповые усилители. В настоящее время ламповые усилители используются только в том случае, если к ним предъявляется ряд специальных требований. Например, устойчивость к воздействию радиоактивного излучения.

­полупроводниковые усилители. Их разделяют на транзисторные

(используют биполярные и полевые транзисторы), а также усилители на интегральных микросхемах.

­прочие усилители, например, квантовые (лазеры), параметрические.

По технологии изготовления:

­на дискретных элементах – это транзисторные усилители;

­на интегральных микросхемах – это операционные усилители.

­комбинированные – сочетают использование двух предыдущих.

1.4. Обобщенная структурная схема УУ

Цепи ООС

Источник питания (ИП)

Рис.1.12. Обобщенная структурная схема УУ: Вх.цепь, Вх.каскад – входная цепь, входной каскад; ПУ - предварительные усилители; УМ - усилитель мощности; цепи ООС – цепи отрицательной обратной связи.

17

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

Входная цепь, или входной каскад служат для согласования источника сигнала с усилителем. Это позволяет избежать потерь полезного сигнала при отражении в случае рассогласования. Они могут быть как пассивными

(собраны на пассивных элементах), обычно колебательный контур, либо активными – эмиттерный повторитель.

Каскады предварительного усиления (как правило, однотипные каскады)

обеспечивают заданное усиление по напряжению при допустимых искажениях полезного сигнала.

Выходной каскад или усилитель мощности служит для усиления по мощности выходного сигнала ПУ и обеспечения согласования с нагрузкой.

Важным требованием, предъявляемым к этому каскаду, является максимизация КПД.

1.5.Усилитель как линейный четырёхполюсник

Вобласти малых сигналов нелинейные искажения, вносимые активными и пассивными элементами незначительны, поэтому усилительные каскады для малых сигналов возможно считать линейными устройствами. В этом случае,

усилитель можно представить и рассматривать в виде линейного четырехполюсника.

Рис.1.13. Линейный четырехполюсник

Выразим входные и выходные токи через Y-параметры усилителя:

Из системы уравнений (1.21) можно определить все Y-параметры усилителя:

18

Выходное напряжение и коэффициент усиления для нагруженного четырехполюсника (рис.1.13) записываются в виде:

Uc

Рис.1.14. Эквивалентная схема нагруженного четырехполюсника

Из выражения (1.23) видно, что любое подключение нагрузки к усилителю приводит к уменьшению коэффициента усиления. С увеличением коэффициента усиления входное сопротивление усилителя снижается, а

выходное сопротивление – увеличивается:

Контрольные вопросы

1) Какое определение наиболее верно?

19

а) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное для управления мощностью источника питания.

б) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное для повышения мощности сигнала при условии максимального КПД.

в) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное для передачи сигнала при условии сохранения его формы.

г) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное для повышения мощности сигнала при условии сохранения его формы.

д) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное формирования мощного сигнала правильной формы.

2)Как изменение формы АЧХ повлияет на импульсную (или переходную) характеристику? а) Изменение в области НЧ повлияет на фронт импульса, изменение АЧХ в области ВЧ

–на амплитуду импульса (коэффициент передачи), а в области СЧ – на

неравномерность вершины импульса.

б) Изменение в области НЧ повлияет на амплитуду импульса (коэффициент передачи), изменение АЧХ в области ВЧ – на фронт импульса, а в области СЧ – на неравномерность вершины импульса.

в) Изменение в области НЧ повлияет на неравномерность вершины импульса, изменение АЧХ в области ВЧ – на фронт импульса, а в области СЧ – на амплитуду импульса (коэффициент передачи).

г) Изменение в области НЧ повлияет на фронт импульса, изменение АЧХ в области ВЧ

– на неравномерность вершины импульса, а в области СЧ – на амплитуду импульса (коэффициент передачи).

д) Никак не поваляет, поскольку АЧХ характеризует работу усилителя в установившемся режиме, а переходная характеристика в установившемся режиме.

3)Чем отличаются АЧХ широкополосного и полосового (избирательного) усилителей? а) Формой АЧХ.

б) Шириной полосы пропускания – fв fн .

в) Средней частотой полосы пропускания – fв fн 2 .

г) Отношением верхней граничной частоты к нижней граничной частоте – fв fн .

д) Ничем.

4)Что называется искажениями сигнала при усилении?

а) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные увеличением амплитуды сигнала.

б) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные увеличением мощности сигнала.

в) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные нестабильностью напряжения источника питания.

г) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные несовпадением реальных и идеальных характеристик усилителя.

д) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные температурным изменением рабочей точки транзистора.

5)Что позволяет оценить коэффициент гармоник? а) Ширину спектра входного сигнала.

б) Линейные искажения сигнала. в) Нелинейные искажения сигнала.

г) Искажения переходной характеристики.

д) Искажения амплитудно-частотной характеристики.

20