Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"
Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Февраля 2013 в 00:47, курс лекций
Описание работы
1. Принцип электронного усиления и классификация усилителей
2. Основные показатели качества усилительных устройств
3. Анализ работы УК с помощью ВАХ
4. Критерии выбора положения ИРТ
5 Принципы обеспечения заданного положения ИРТ
Работа содержит 45 файлов
1
Принцип электронного усиления и классификация усилителей элек-
трическихсигналов
Для реализации подавляющего числа операций над аналоговыми сигна-
лами необходимо выполнять функцию усиления сигнала. Усилитель – уст-
ройство, предназначенное для того, чтобы, используя энергию источника пи-
тания, увеличить мощность сигнала, поступающего на его вход (рис. 1).
Рис. 1
При этом часто (но не всегда) требуется по возможности сохранить
форму сигнала.
Источником сигнала может служить микрофон, антенна приемника, дат-
чик физической величины и др. Нагрузка цепи – это любой получатель энер-
гии сигнала (громкоговоритель, антенна, аналого-цифровой преобразователь
и др).
Всякий источник энергии, в частности, источник сигнала можно пред-
ставить в виде 2-полюсника, источником энергии в котором является генера-
тор тока или напряжения, а электрические свойства определяются пассивным
2-полюсником, включенным последовательно с генератором напряжения или
параллельно с генератором тока.
Потери энергии в пассивных 2-полюсниках отражают конечность энер-
гии или мощности сигнала, которую источник способен передать во внеш-
нюю цепь. Оба представления генераторов сигнала эквивалентны, выбор того
или иного представления обусловлен удобством рассмотрения конкретной
задачи.
Нагрузка схемы также представляется диссипативным 2-полюсником.
Во многих случаях внутренние пассивные 2-полюсники источников сиг-
налов и цепи нагрузки можно считать линейными по отношению к токам и
напряжениям схемы. В этом случае источник сигнала будем представлять в
2
виде линейного электрического эквивалента из генератора тока или напря-
жения с конечным комплексным внутренним сопротивлением Z
с
, а нагрузку
– комплексным 2-полюсником Z
н
(рис. 2а).
Рис. 2
Произвольный линейный 2-полюсник (в том числе и Z
с
и Z
н
) полностью
описывается частотной зависимостью комплексного импеданса (сопротивле-
ния), чаще всего представляемого в виде мнимой и вещественной частей
Z(jf)=R(f)+jX(f), или комплексного адмитанса (проводимости) Y(jf)=G(f)+jB(f)
(рис. 2б).
Заметим, что хотя нагрузка цепи в общем виде также может быть пред-
ставлена комплексным сопротивлением, энергия (мощность) сигнала выде-
ляется только на вещественной части сопротивления нагрузки.
Сигнал в наиболее общем виде представляется зависимостью тока или
напряжения от времени i
c
(t) или u
c
(t). При анализе линейных цепей широко
используется метод комплексных амплитуд. В этом случае сигнал предпола-
гается гармоническим и описывается своей комплексной амплитудой
φj
m
U U e
=
, где
, φ
m
U
– амплитуда и фаза вещественного гармонического
сигнала
( )
(
)
cos 2π
φ
m
u t U
ft
=
+
, являющегося вещественной частью сопос-
тавленного с ним комплексного сигнала
( )
2π
j ft
u t
Ue
=
. На рис. 2а комплекс-
ные амплитуды напряжения и тока обозначены U
c
и I
c
.
3
Для явного указания вида сигнала во временной области будем исполь-
зовать и другие обозначения источников (рис. 3а), тип источника (генератор
тока или генератор ЭДС) указывать буквенным обозначением, например U
с
и
I
с
(рис. 3б).
Рис. 3
Конечная активная составляющая внутреннего сопротивления источни-
ка (генератора сигнала) R
с
или G
с
(рис. 2а) отражает тот факт, что при корот-
ком замыкании первого источника ток имеет конечную величину, а при хо-
лостом ходе на выходных зажимах второго источника напряжение ограниче-
но.
Процесс передачи энергии от источника во внешнюю цепь, являющуюся
для него нагрузкой, связан с потерями энергии, рассеивающейся на внутрен-
нем сопротивлении источника. Для случая вещественных сопротивлений ис-
точника и нагрузки это иллюстрируется рис. 4.
Рис. 4
Для схемы рис. 4а
н
н
с
н
c
R
u
u
R
R
=
+
, а мощность
(
)
2
н
н
c
2
н
c
R
p
u
R
R
=
+
. Для
схемы рис. 4б
c
н
с
н
c
R
i
i
R
R
=
+
и
(
)
2
2
c н
н
c
2
н
c
R R
p
i
R
R
=
+
.
Условия передачи от источника в нагрузку максимальной мощности
сформулированы в теореме о максимальной мощности, которая утверждает,
что при заданном внутреннем сопротивлении источника сигнала максималь-
4
ная мощность выделится в нагрузке при условии
*
н
г
Z
Z
=
(комплексно со-
пряженное согласование).
Заметим, что обратная задача поиска оптимального значения импеданса
источника при заданном импедансе нагрузки не имеет смысла – максималь-
ная мощность выделится в нагрузке при Z
г
=0, когда потери энергии
отсутствуют.
Источник сигнала характеризуется номинальной или "располагаемой"
мощностью, которую источник способен передать в согласованную с ним на-
грузку. Можно показать, что при гармоническом сигнале источника номи-
нальная мощность равна
2
2
нр
нр
г
г
,
4
4
u
i
p
p
R
G
=
=
,
где p
нр
– мгновенное значение мощности, выделяющейся в нагрузке.
Для обеспечения большого усиления усилители строят многокаскадны-
ми. Схемы, подобные рис. 4, описывают передачу энергии как от источника
на вход усилителя, с выхода усилителя в нагрузку, так и между каскадами
усиления.
Для некоторого промежуточного каскада источником сигнала является
выходная цепь предыдущего, а нагрузкой – входная цепь следующего (рис.
5).
Рис. 5
Цепи связи служат для передачи энергии с наименьшими потерями.
5
В наиболее общем виде усилительный тракт можно представить сле-
дующим образом (рис. 6).
Рис. 6
На основании этого представления усилительные каскады можно под-
разделить на
- малошумящие усилители (МШУ);
- каскады предварительного усиления;
- оконечные каскады.
МШУ предназначены для усиления очень слабых сигналов с миниму-
мом собственных шумов. Каскады предварительного усиления обеспечивают
основное усиление тракта. Задача оконечного каскада – обеспечение в на-
грузке требуемой мощности.
В зависимости от полосы частот используемых сигналов усилители де-
лятся на следующие классы (рис. 7):
- усилители постоянного тока (УПТ);
- узкополосные (резонансные) усилители (РУ);
- широкополосные усилители (ШПУ).
Рис. 7
6
На рис. 7 представлены модули нормированных к максимальному зна-
чению амплитудно-частотных характеристик усилителей.
УПТ характеризуются способностью усиливать сигналы с частотами
вплоть до нулевой, т.е. сигналы, изменяющиеся крайне медленно: сигналы
датчиков температуры, освещенности и т.д.
Различие между РУ и ШПУ в значительной степени условно и опреде-
ляется относительной полосой пропускания устройства Δf/f
0
=(f
в
- f
в
)/f
0
. Для
РУ характерны Δf/f
0
<0,05, а для ШПУ – Δf/f
0
>0,5.
Конкретизируя рис. 1 с точки зрения теории электрических цепей полу-
чим представление, показанное на рис. 8.
Как следует из рис. 8, в схеме типового по построению усилительного
каскада присутствуют три замкнутых контура, один из которых выступает в
роли выходного контура, или контура нагрузки, второй – входного или кон-
тура управления. Третий контур относиться к цепи питания и характеризует
затраты мощности источника питания.
7
Процесс усиления можно трактовать как процесс воссоздания мощной
копии сигнала источника и с точки зрения теории цепей описывать зависи-
мыми источниками. В теории цепей рассматривается 4 вида идеальных зави-
симых источников (рис. 9).
Рис. 9
Здесь токи и напряжения представлены своими комплексными амплиту-
дами.
Исходя из размерностей входной и выходной электрических величин ко-
эффициент пропорциональности между входом и выходом может не иметь
размерности, иметь размерность сопротивления или проводимости. По тако-
му критерию усилительные схемы могут подразделяться на
- усилители тока;
- усилители напряжения;
- трансимпедансные усилители.
Несмотря на то, что схемы зависимых источников (рис. 9) наглядно де-
монстрируют процесс усиления сигнала, они не могут точно описать работу
реальной схемы, поскольку не потребляют мощность от источника сигнала и
не имеют потерь в выходной цепи зависимого источника.
8
Для учета этих потерь вводятся эквивалентные входные и выходные со-
противления, для случая источника напряжения, управляемого напряжением
показанные на рис. 10.
Рис. 10
Как видно под действием источника сигнала на входе 4-полюсника реа-
лизуется напряжение U
вх
, отличающееся от U
с
, а на нагрузке выделяется на-
пряжение U
вых
, не равное K
u
U
вх
.
Информация о работе Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"