Материал: 832

15

сов, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей [10]. Пособие предназначено для обучения студентов специальности «Промышленная электроника» ТУСУРа.

Транзистор – основной элемент электронных устройств – является нелинейным элементом. Точный анализ усилительных устройств, даже после проведения линеаризации параметров транзисторов, приводит к громоздким соотношениям, мало пригодным для практики инженерных расчетов. В работе используются приближенные эквивалентные схемы и методы анализа, позволяющие получить простые и наглядные соотношения для описания свойств изучаемых устройств и выбора их элементов. Уточненный анализ аналоговых устройств может быть выполнен, например, путем компьютерного моделирования с помощью па-

кетов Electronics Workbench или ASIMEC.

Последовательность изложения материала выбрана такой, что каждый последующий раздел базируется на знании материала предыдущих разделов. Результаты анализа отдельных электронных цепей и каскадов используются при рассмотрении более сложных усилительных устройств.

Изучение дисциплины базируется на изученных ранее дисциплинах общепрофессионального цикла «Твердотельная электроника» и «Теоретические основы электротехники». Необходимо иметь представление о принципе работы и характеристиках биполярных и полевых транзисторов, методе эквивалентного генератора при расчете электрических цепей, операторном методе расчета переходных процессов в линейных электрических цепях.

Настоящий раздел пособия подготовлен совместно с А.А. Шибаевым и Н.П. Денисовым, разделы 3 и 15 написаны совместно с Н.П. Денисовым, раздел 14 подготовлен совместно с А.А. Шибае-

вым[8].

Читатель может расширить свои представления по вопросам аналоговой схемотехники, воспользовавшись работами [1–7].

16

1 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

1.1 Структурная схема усилительного устройства

При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических и неэлектрических величин, контроле и автоматизации технологических процессов, построении радиотехнических устройств и медицинских приборов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат электронные усилители – устройства, позволяющие увеличить мощность электрического сигнала без изменения его формы и частотного спектра. Увеличение мощности сигнала происходит за счет энергии источника питания.

Ко входу усилителя подключается источник сигнала (Ec, Rc), к выходу – нагрузка Rн (рис. 1.1).

Е

Источник

питания

Рис. 1.1 – Структурная схема усилительного устройства

1.2 Классификация электронных усилителей

Электронные усилители классифицируют по различным признакам:

1) по диапазону усиливаемых частот – усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой частоты (УНЧ), усилители

17

промежуточной частоты (УПЧ), усилители высокой частоты

(УВЧ);

2)по характеру усиливаемого сигнала – усилители непрерывных и импульсных сигналов;

3)по усиливаемой электрической величине – усилители напряжения, тока, мощности;

4)по ширине полосы усиливаемых частот – узкополосные (избирательные) и широкополосные усилители;

5)по типу нагрузки – резистивные (апериодические) и резонансные усилители.

1.3 Усилительные параметры

Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характеристик.

Коэффициент передачи или коэффициент преобразова-

ния – это отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала, к входной величине. В частном случае, когда входная и выходная величины одинаковы (напряжение, ток, мощность), коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.

Различают:

коэффициент усиления по напряжению KU K Uвых ;

Uвх

коэффициент усиления по току KI Iвых ;

Iвх

коэффициент усиления по мощности KP Pвых KU KI ;

Pвх

сквозной коэффициент усиления Ke Uвых Kвх KU ,

Eс

Rвх Uвх – входное сопротивление усилителя.

Iвх

18

В связи с тем, что громкость слухового восприятия звукового сигнала пропорциональна логарифму его интенсивности, для сравнения мощностей двух колебаний была введена логарифмическая единица бел (названа по имени изобретателя телефона А. Белла). Коэффициент усиления мощности обычно выражают в более мелких единицах – децибелах: KP , дБ 10lgKP.

Если мощности Рн и Рвх выделяются на одинаковых сопротивлениях (Rн = Rвх = R), то их отношение в децибелах можно выразить через отношение напряжений

Последнюю запись часто используют для выражения в децибелах коэффициента усиления напряжения даже при Rн ≠ Rвх, хотя это и некорректно, т.е. полагают K, дБ 20lgK .

Логарифмические единицы удобны тем, что позволяют перемножение коэффициентов усиления последовательно включенных каскадов заменить сложением коэффициентов усиления отдельных каскадов усиления (выраженных в логарифмических единицах). Например,

K K1 K2 ... Kn;

K,дБ K1,дБ K2,дБ ... Kn,дБ.

В зависимости от вида электронного усилителя в выражения для оценки коэффициентов усиления могут входить различные величины. Это значения постоянных токов и напряжений в УПТ, комплексные, действующие или амплитудные значения для усилителей гармонических сигналов, амплитуды входного и выходного импульсов для импульсного усилителя.

1.4Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики

Амплитудно-частотная и фазочастотная характери-

стики определяют возможности по усилению гармонических колебаний различных частот. Из-за наличия в усилителе реактивных элементов (в том числе и паразитных), сопротивление кото-

19

рых зависит от частоты, коэффициент передачи такого усилителя зависит от частоты.

Коэффициент передачи усилителя гармонических сигналов в общем случае является комплексной величиной

где K( ) K(j ) – модуль коэффициента передачи;

( ) argK( j ) – аргумент коэффициента передачи. Зависимость модуля коэффициента передачи усилителя от

частоты входного гармонического сигнала называют амплитуд-

но-частотной характеристикой усилителя (АЧХ). Фазоча-

стотной характеристикой усилителя (ФЧХ) называют зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного при изменении частоты.

Примерный вид АЧХ и ФЧХ для усилителя низкой частоты (УНЧ) показан на рис. 1.2. За границами рабочего диапазона частот, характеризуемого коэффициентом усиления K0 и близким к нулю фазовым сдвигом, появляются частотные и фазовые искажения. Частоты fн и fв, на которых коэффициент передачи пада-

ет до уровня 0,707K0=K0 /2, называются нижней и верхней граничными частотами, а разность между ними f fв fн называют полосой пропускания усилителя. Для неискаженного усиления сигналов звукового диапазона требуются усилители с полосой пропускания от 20 Гц до 20 кГц.

Рис. 1.2 АЧХ и ФЧХ усилителя низких частот