Изучение дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» («Схемотехника АЭУ») необходимо в плане создания аналоговых устройств и их применения при разработке аналоговых трактов различных радиоэлектронных средств.
Данное учебное пособие не дает полного изложения материала в части получения строгих расчетных соотношений, указывая лишь методику их получения. В определенной степени оно схоже с учебными пособиями [1,2]. Но, в отличие от последних, данное пособие содержит не только тот минимум материала, который необходим студенту для понимания физических основ функционирования АЭУ, а еще и расчетные соотношения, позволяющие проектировать АЭУ. При необходимости более глубокого рассмотрения отдельных теоретичиских вопросов рекомендуется воспользоваться литературой, на которую есть ссылки в соответствующих разделах пособия. Естественным образом предполагается, что студент, приступивший к изучению курса "Схемотехника аналоговых электронных устройств", в достаточной мере владеет необходимыми математическими навыками, знаком с основными понятиями в области теории электрических цепей и полупроводниковых приборов.
2. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ТРАНЗИСТОРАХ
2.1. Классификация усилительных устройств
Одна из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, - усиление. Поэтому в курсе АЭУ особое внимание уделяется усилительным устройствам (УУ).
УУ называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В УУ входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.
В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы, такие УУ принято называть полупроводниковыми, или транзисторными.
УУ принято классифицировать по ряду признаков:
► по характеру усиливаемых сигналов - УУ непрерывных (гармонических) и УУ импульсных сигналов;
► по диапазону рабочих частот - УУ постоянного тока (=0 Гц) и УУ переменного тока. В свою очередь, УУ переменного тока в учебной литературе (и в данном пособии) подразделяются на:
¨ усилители звуковых частот (от 20 до 20000 Гц) или низкочастотные усилители;
¨ усилители высоких частот (ВЧ) ( до 300 МГц);
¨ усилители сверхвысоких частот (СВЧ) ( › 300 МГц).
В специальной литературе принято классифицировать УУ переменного тока по диапазону рабочих частот согласно таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Границы частотных диапазонов
Диапазон
Аббревиатура
Границы
диапазона
Единицы
измерения
Очень низкие частоты
ОНЧ
3 - 30000
Гц
Низкие частоты
НЧ
30 - 300
КГц
Средние частоты
СЧ
300 - 3000
КГц
Высокие частоты
ВЧ
3 - 30
МГц
Очень высокие частоты
ОВЧ
30 - 300
МГц
Ультравысокие частоты
УВЧ
300 - 3000
МГц
Сверхвысокие частоты
СВЧ
3 - 30
ГГц
Крайне высокие частоты
КВЧ
30 - 300
ГГц
Гипервысокие частоты
ГВЧ
300 - 3000
ГГц
Кроме того, УУ ВЧ и СВЧ диапазонов подразделяются на:
· узкополосные (, );
где - средняя частота рабочего диапазона УУ;
·широкополосные ().
► импульсные усилители классифицируются по длительности усиливаемых импульсов на микро-, нано- и пикосекундные;
► по типу активных элементов УУ подразделяются на ламповые, транзисторные, квантовые и др.;
►по функциональному назначению УУ подразделяются на усилители напряжения, тока и мощности;
► по назначению УУ подразделяются на измерительные, телевизионные и т.д.
Кроме рассмотренных основных признаков УУ могут классифицироваться по ряду дополнительных признаков - числу каскадов, типу питания, конструктивному исполнению и т.д.
2.2. Основные технические показатели и характеристики УУ
Технические показатели УУ представляют собой количественную оценку его свойств. К техническим показателям относятся (рис.2.1):
¨ входное сопротивление . Чаще всего носит емкостной характер;
¨ выходное сопротивление . Чаще всего носит так же емкостной характер;
¨ коэффициенты передачи:
· по напряжению или просто :
,
где j - фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.
Значение êКç на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как , называют коэффициентом усиления.
В логарифмических единицах:
.
Для n-каскадных УУ (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.
Характеристики УУ 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.
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 замены на .
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 замены на .
По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют нижнюю и верхнюю граничные 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.
В импульсных усилителях форма выходного напряжения зависит от переходных процессов в цепях, содержащих LC элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в ИУ переходными, пользуются переходной характеристикой (ПХ).
ПХ усилителя это зависимость мгновенного значения напряжения (тока) на выходе от времени при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).
¨переходные искажения измеряют при подаче на вход идеального прямоугольного импульса. Они разделяются на искажения фронта и искажения плоской вершины импульса (рис.2.4).
¨искажения фронта характеризуются:
· временем установления , т.е. временем нарастания амплитуды импульса от до ;
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
