1. Основные характеристики аэу. 6Тема Основные характеристики аэу 1 Классификация аэу
 Скачать 1.22 Mb.
|
|
6Тема 1. Основные характеристики АЭУ 1.1 Классификация АЭУ Электронные устройства делятся на аналоговые (АЭУ) и цифровые. Аналоговые – устройства, предназначенные для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Преимущества аналоговых устройств (сравнительная простота, надежность и быстродействие) обеспечили им самое широкое применение. Цифровые устройства служат для обработки импульсных сигналов в двоичном или каком-либо другом коде. Аналоговые электронные устройства ЭУ делятся на две большие группы: - усилители; - устройства на основе усилителей. Электронный усилитель - устройство для увеличения мощности входного сигнала за счет энергии источника питания. Устройства на основе усилителей включают в себя: - преобразователи электрических сигналов или устройства аналоговой обработки сигналов; Выполняются на базе усилителей со специальными цепями обратной связи: сумматоры, интеграторы, дифференциаторы, активные фильтры, логарифмические усилители, устройства сравнения (компараторы) и другие. - преобразователи сопротивлений; Строятся также на усилителях с обратной связью. Они преобразуют величину, знак и характер сопротивлений. - особый класс составляют всевозможные генераторы сигналов и связанные с ними устройства. 1.2 Классификация аналоговых усилителей Усилители классифицируются по многим признакам. По диапазону усиливаемых частот: а) усилители постоянного тока (УПТ). УПТ усиливают входной сигнал в диапазоне от нулевой до некоторой верхней частоты 0 fУПТ fВ. Они усиливают как переменную, так и постоянную составляющую входного сигнала в диапазоне 0 - 108 Гц. б) усилители переменного тока способны усиливать только переменную составляющую сигнала. Усиливают колебания с частотами от нижней fН граничной частоты до верхней fВ граничной частоты fН f fВ. По виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилители переменного сигнала делятся на: а) УНЧ или УЗЧ усилитель низких или звуковых частот, у которых fн = 15 Гц; fв = 20 кГц; б) УВЧ (усилитель высоких частот) имеет fн - десятки кГц; fв - десятки МГц; в) широкополосные усилители (ШПУ), у которых fн - десятки Гц; fв - сотни МГц; г) избирательные усилители или узкополосные; Резонансные строятся на основе резонансных LC- контуров, полосовые – на основе RC-фильтра. По роду усиливаемых сигналов они делятся на УПТ, усилитель гармонических (синусоидальных) колебаний и усилитель импульсных сигналов. По функциональному назначению усилители делятся на: – усилитель тока; - усилитель напряжения; - усилитель мощности. По элементной базе на: транзисторные, интегральные и оптоэлектронные. По способу межкаскадной связи – с гальванической (непосредственной) связью, с резистивно-емкостной (RC) связью и с трансформаторной связью. По области применения - микрофонные, трансляционные, измерительные, радиолокационные, малошумящие, многоканальные и т.д. Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие. Например, по типу питания, числу каскадов, конструктивному или технологическому исполнению и др. 1.3 Основные параметры и характеристики усилителей К основным количественным параметрам усилителя относятся: 1) Номинальная выходная мощность.  где Uвыхном и Iвыхном - значения при допустимых нелинейных искажениях сигнала; UВХНОМ обеспечивает номинальное напряжение на выходе усилителя. 2) Коэффициент усиления К. Коэффициент усиления по напряжению КU = Uвых/Uвх; коэффициент усиления по току КI = Iвых /Iвх; коэффициент усиления мощности Kp = KI KU. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления каскадов K = K1 K2 K3 …Ki. Коэффициент усиления К выражается безразмерной величиной либо в децибелах (дБ), т. к. человеческое ухо различает разницу уровня звука на 1 дБ на величину, пропорциональную логарифму от соответствующего изменения звуковой энергии  Коэффициент усиления К является комплексной величиной, т. к. выходной сигнал отличается от входного по фазе. В общем виде, например, для напряжения  где К – модуль, φк = φвых – φвх разность фаз входного и выходного сигнала. 3) КПД усилителя. – отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников питания =Рн/Р. 4) Входное Rвх и выходное Rвых сопротивления.  где Uвх и Iвх – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя; ∆Uвых и ∆Iвых – приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя вызванные изменением сопротивления нагрузки. К основным характеристикам усилителя относятся: 1) Амплитудная характеристика усилителя. На (рис.1.1) в т.А при Uвх = 0 присутствует напряжение на выходе усилителя Uвыхmin = Uпомех. В точке B на входе Uвхmin, когда входной сигнал можно различить на фоне помех. На участке ВС имеет место линейное усиление, то есть форма сигнала не меняется. В точке С начинается нелинейное усиление, Uвыхmax ограничивается заданным уровнем нелинейных искажений.  Рисунок 1.1 –Амплитудная характеристика усилителя при f = const Амплитудная характеристика дает возможность оценить предельное значение амплитуды входного сигнала, соответствующее границе линейного усиления. По этой характеристике определяется динамический диапазон усилителя D DдБ = 20 lg(Uвхmax /Uвхmin). На участке CD нелинейные искажения возникают за счет нелинейности характеристик транзистора и проявляются в искажении формы сигнала, которые оцениваются коэффициентом нелинейных искажений Кн или клирфактором  где U2, U3 – высшие гармоники, U1 – первая гармоника (полезная). В спектре выходного сигнала появляются новые высшие гармоники, которые искажают сигнал. Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него, и поэтому называются собственными помехами. Основными из них являются фон, наводки, тепловые шумы резисторов и элементов с активными потерями, шумы усилительных элементов. 2) Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Амплитудно-частотная характеристика – это зависимость коэффициента усиления сигнала К от частоты f (рис.1.2,а).  Рисунок 1.2 – АЧХ (а) и ФЧХ (б) усилителя По АЧХ определяются: а) полоса пропускания ∆f = fв - fн; б) fн и fв – нижняя и верхняя граничные частоты усиления; в) Мf – коэффициент частотных искажений на заданной частоте f  Частотные искажения являются линейными, т.е. форма сигнала не меняется, не добавляются спектральные составляющие, только падает коэффициент усиления на нижних и верхних частотах. Они обусловлены наличием реактивных элементов и инерционными свойствами усилителя. 3) Фазо-частотная характеристика. ФЧХ (рис.1.2,б) это зависимость сдвига фазы φк сигнала от частоты f. 4) Переходная характеристика усилителя (кривая разгона). Это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис.1.3). По кривой разгона определяются перерегулирование σ, быстродействие tp и точность ∆ регулирования усилителя.  Рисунок 1.3 – Переходная характеристика (кривая разгона) усилителя Тема 2. Классы усиления и обратные связи в усилителях 2.1 Классы усиления усилителя Различают классы усиления А, В, АВ, С, Д. Рассмотрим их на примере усилителя, показанного на (рис.2.1).  Рисунок 2.1 – Усилитель с ОЭ 2.1.1 Класс усиления А Начальная рабочая точка (р.т.) А выбирается на середине линейного участка сквозной динамической характеристики (СДХ) iк = f(eг) (рис.2.2,а).  Рисунок 2.2 – Режим усиления класса А Для задания р.т. на базу транзистора подается смещение Есм. Допустим, на вход подан сигнал Uвх = Егм sinωt (рис.2.2 .б). Тогда Uбэ = Есм + Егм sinωt. На (рис.2.2,в) показано изменение тока коллектора, на (рис.2.2,г) – IкRк, а на (рис.2.2,д) – изменение напряжение на выходе Uк = Ек IкRк. Ток коллектора носит непрерывный характер. Входной сигнал должен быть таким, чтобы крайние положения рабочей точки не выходили за пределы линейного участка СДХ, т.е. за MN . Следует обратить внимание на то, что ток коллектора совпадает по фазе с входным сигналом, выходное напряжение в противофазе с входным. В классе А низкий Кн (коэффициент нелинейных искажений), но и низкий к.п.д. η = 0,4. Класс А применяется: – в каскадах предварительного усиления; – в предоконечных каскадах; – в RC-генераторах синусоидального напряжения; – в любой схеме, где недопустимы нелинейные искажения. 2.1.2 Класс усиления B Начальная р.т. B выбирается в точке запирания транзистора. Напряжение источника смещения Есм отсутствует. Ток коллектора носит импульсный характер. Угол, при котором ток коллектора максимальный, называется углом отсечки . При идеальном режиме, т.е. при прямолинейном характере СДХ ток покоя коллектора равен нулю, = 90.  Рисунок 2.3 – Режимы усиления: а - класса В; б – класса АВ Этот режим характеризуется высоким к.п.д. η = 0.7 (постоянная составляющая значительно меньше переменной), но и высоким Кн (коэффициентом нелинейных искажений). 2.1.3 Класс усиления АB Режим класса АВ является промежуточным между А и В (рис.2.3,б). Начальная р.т. выбирается между точками А и В СДХ путем подачи смещения Есм на базу. Угол отсечки тока коллектора > 90. Часть синусоиды на выходе отсекается, но меньше, чем в классе В. Поэтому искажения меньше, чем в классе В, но больше, чем в классе А (КнА < КнАВ < КнВ). Кпд = 0,5 (А < АВ < В). Используется: – в однотактных усилителях при резонансном усилении узкой полосы частот; - при усилении импульсных сигналов одной полярности; – в двухтактных усилителях мощности. 2.1.3 Класс усиления С В этом режиме начальная рабочая точка выбирается левее начала СДХ на оси абсцисс. При отсутствии входного сигнала ток коллектора равен нулю. Угол отсечки коллекторного тока < 90. Усиливается только небольшая часть синусоиды. К.п.д. высокий η ≈ 0,9, но и высок Кн (коэффициент нелинейных искажений). Применяется класс С в LC – генераторах. Резонансный контур в коллекторной цепи настраивается на заданную частоту и из широкого спектра частот, который имеет срезанная синусоида, выделяется нужная. 2.1.3 Класс усиления Д Режим класса Д или ключевой режим работы транзистора, состоит в том, что на его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью запирающие и отпирающие транзистор.  Рисунок 2.4 – Режим усиления класса Д Усилительный элемент всегда находится в одном из двух крайних состояний: «полностью открытом» или «полностью закрытом» (ток в выходной цепи близок к нулю). Поэтому потери энергии в транзисторе всегда ничтожно малы, что позволяет получить в усилителе очень высокий КПД. Но повышение КПД усилителей класса Д происходит за счет ухудшения других показателей. 2.2 Обратные связи в усилителях 2.2.1 Виды обратных связей Процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении, обратном основному, т. е. с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а цепь, по которой осуществляется эта передача, – цепью обратной связи (рис. 2.5).  Рисунок 2.5 – Структурная схема усилителя с обратными связями где К – коэффициент усиления усилителя; γос – коэффициент передачи звена обратной связи. Различают обратные связи: – внутреннюю – обусловлена физическими свойствами и конструкцией активного элемента; – внешнюю – вводятся специальные цепи обратной связи; – паразитную – возникает помимо желания разработчика. Это индуктивная, емкостная и гальваническая связь между цепями, создающая пути для обратной передачи энергии. Её стараются устранять введением специальных схем. Цепь ОС с частью схемы усилителя, которую она охватывает и образует замкнутый контур, называется петлей ОС. В зависимости от количества петель ОС различают однопетлевую и многопетлевую ОС. Петли ОС могут быть независимыми, а также частично или полностью входить одна в другую. Если петля ОС охватывает часть усилителя или один каскад, то ОС называют местной. Обратная связь, которая охватывает все каскады усиления или пару каскадов, называется общей ОС. Введение ОС в усилитель позволяет создавать усилители с необходимыми свойствами, а также новые классы электронных схем с разными функциями. ОС к входу и выходу подключается разными способами. От способа снятия ОС с выхода различают: - ОС по току и напряжению. Если ОС снимается с Rн или с RIIRн и Uос изменяется пропорционально выходному напряжению, то это ОС по напряжению. Если ОС снимается с сопротивления, последовательного Rн и изменение напряжения обратной связи пропорционально изменению тока, то это ОС по току. От способа подачи сигнала ОС на вход усилителя различают на: - параллельную и последовательную. Параллельная ОС имеет место, если напряжение ОС подается на вход усилителя параллельно источнику сигнала Ес. Если ОС подключается к входу усилителя последовательно с источником сигнала Ес, то имеется последовательная ОС. По разности фаз (знаку) между входным сигналом и сигналом обратной связи различают положительную и отрицательную ОС. В общем случае, с учетом влияния реактивных элементов для усилителя (рис.2.5) можно записать Uвх = Ес + Uос. Поделим на Uвых  Тогда можно записать  Отсюда определим коэффициент усиления усилителя с обратной связью  где к – угол сдвига фазы между Uвых и Uвх усилителя; ос – угол сдвига фазы между Uвыхос и Uвхос.. Если γосК (глубина ОС) – величина вещественная и положительная, то обратная связь положительная. При этом к +ос =0. Если γосКU – величина вещественная и отрицательная, то обратная связь отрицательная, , к +ос = π. Положительная обратная связь (ПОС) увеличивает коэффициент усиления по напряжению KU (фазы входного сигнала усилителя и сигнала ОС совпадают), а отрицательная обратная связь (ООС) – уменьшает КU (фазы названных сигналов противоположны). В усилительной технике в основном применяют ООС, которая увеличивает: - полосу пропускания и динамический диапазон усиления D; - Rвх при последовательной ОС; - Rвых при ОС по току. Уменьшает: - коэффициент усиления КU; - нестабильность; - нелинейные и линейные искажения; - Rвх при параллельной ОС и Rвых при ОС по напряжению. Таким образом, введение цепи ОС изменяет основные параметры усилительного устройства. Кроме того, ООС и ПОС имеет противоположное воздействие на параметры усилителя. |