Материал: Попов Э.Г. Основы аналоговой техники. Учеб. пособие для студ. радиотехнических спец
1.АЭУ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1.Назначение, область применения, классификация аналоговых
электронных устройств
Аналоговые электронные устройства (АЭУ) предназначены для обработки и преобразования аналоговых сигналов [10,11], изменяющихся непрерывно по уровню и во времени. Аналоговые сигналы характеризуются тем, что информация, содержащаяся в них, определяется их спектром и начальными фазами всех спектральных составляющих. АЭУ представляет собой законченное устройство или узел, которые позволяют производить обработку сигнала по заданному закону. Различаются АЭУ по выполняемым ими функциям, среди которых можно выделить усиление, суммирование, фильтрацию, детектирование, модуляцию, логарифмирование, интегрирование, дифференцирование сигналов, их перемножение, сравнение и т.д. АЭУ, изготовленные по интегральной технологии, могут предназначаться для выполнения достаточно большого количества различных функций одновременно. Так, например, интегральная микросхема К174ХА10 предназначена для использования в АМ/ЧМ приемниках и представляет собой многофункциональную схему практически со всеми элементами АМ и ЧМ трактов [12].
Основные виды обработки аналоговых сигналов могут быть представлены следующими функциями:
1) линейное преобразование сигнала
Y= K X ,
вкачестве примера может служить усиление сигнала. Сюда входит также суммирование сигналов
Y = K(X1 + X2 +... + Xn ) ;
2) сравнение сигналов
Y = K(X1 −X2) ,
6
такую функцию выполняют компараторы, дифференциальные усилители; 3) перемножение сигналов
Y = K(X1 X2) ,
по такому принципу работает, например, преобразователь частоты; 4) логарифмирование сигналов
Y = KlogAX ,
пример - логарифмический преобразователь для сжатия сигналов; 5) антилогарифмирование сигналов
Y = K AX ,
пример - декомпрессия сигнала (расширение динамического диапазона);
6) интегрирование сигналов
t
Y = K0∫X dt ;
7) дифференцирование сигналов
Y = K dxdt ;
8) частотная фильтрация сигналов
Y = Kf X ;
эта функция выполняется с помощью активных и пассивных фильтров. Большинство из функций аналоговой обработки сигналов рассматрива-
ется в соответствующих курсах (модуляция, генерирование – в “Радиопередающих устройствах”, детектирование, перемножение – в “Радиоприемных устройствах” и т.д). При изучении АЭУ основное внимание следует уделить анализу работы усилительных устройств различного назначения и возможности создания на их базе АЭУ, выполняющих отдельные функции по обработке сиг-
7
налов.
1.2. Усилитель как основной элемент АЭУ
Точность подавляющего большинства преобразований электрических сигналов с помощью АЭУ в значительной степени определяется свойствами усилителей, используемых в них, что обусловливает широчайшее применение разнообразных усилителей практически во всех видах АЭУ. В связи с этим для понимания принципа действия различных устройств, предназначенных для обработки аналоговых сигналов, и грамотного их использования при проектировании радиоэлектронной аппаратуры прежде всего необходимо детально изучить процессы, происходящие в усилительных устройствах, и ознакомиться с практикой их использования при создании АЭУ.
Принцип действия любого усилителя основан на возможности управления энергией мощного источника питания путем затраты на управление сравнительно небольшой мощности источника сигнала.
Таким образом, в усилителе энергия источника питания превращается с помощью управляемого усилительного элемента (транзистора, полевого транзистора, электровакуумной лампы и т.д.) в энергию усиленного сигнала на его выходе[1].
|
Z1 |
|
|
Е1 |
u1 |
u2 |
Z2 |
Е0 
И П
Рис. 1.1
Процесс усиления должен осуществляться во времени плавно, непрерывно и однозначно. Структурная схема усилителя представлена на рис. 1.1, где Е1,Z1 - ЭДС и внутреннее сопротивление источника сигнала, который дол-
8
жен быть усилен; Е0 - напряжение источника питания (часть энергии этого источника превращается в усиленный сигнал на выходе); Z2 - сопротивление нагрузки, являющееся потребителем усиленного сигнала, u1 u2 - входное и выходное напряжения.
В качестве источника сигнала может служить микрофон, звукосниматель, магнитная головка, предшествующий усилитель, детектор, линия связи, термопара, фотоэлемент, передающая телевизионная трубка, различные типы датчиков и т.д. В качестве источника питания, как правило, используется источник постоянного тока (аккумулятор, гальваническая батарея, выпрямитель), хотя также возможно и использование источника переменного тока. Нагрузкой усилителя могут служить самые разнообразные устройства: громкоговорители, магнитные головки, электронно-лучевые трубки, линии связи, последующие усилители, различные исполнительные механизмы (реле, двигатели) и т.д. Среди усилительных элементов наибольшее распространение получили биполярные транзисторы, полевые транзисторы и электронные лампы. В настоящее время электронные лампы в бытовой аппаратуре практически полностью вытеснены транзисторами и интегральными схемами. Однако ламповые усилители до сих пор находят широкое применение в высококачественной бытовой аппаратуре для усиления сигналов звуковой частоты. На лампах строятся высококачественные и соответственно очень дорогие устройства воспроизведения.
1.3. Классификация усилителей
Обычно усилители классифицируют по нескольким признакам: вид усиливаемого сигнала, полоса усиливаемых частот, назначение, тип используемого усилительного элемента. Названные признаки не исключают и другие принципы деления усилителей на различные группы.
АЭУ работают с сигналами, которые развиваются во времени таким образом, что значение сигналов можно измерить в любые моменты времени. Такой аналоговый сигнал наглядно представляется своим графиком (осциллограммой), причем этот график может быть как непрерывным, так и содержащим точки разрыва [10]. Аналоговые сигналы могут делиться на гармонические и импульсные. Для неискаженной передачи гармонического сигнала необходимо сохранить все его спектральные составляющие и исходные соотношения между их амплитудами и фазами. При усилении гармонических сигналов зву-
9
ковых частот фазовые сдвиги и их изменения для отдельных составляющих спектра сигнала значения не имеют, так как человеческое ухо якобы не чувствительно к изменению фазы сигналов. Для сохранения формы импульсного сигнала в процессе его обработки необходимо достаточно жестко фиксировать фазовые соотношения для различных спектральных составляющих обрабатываемого сигнала. В противном случае форма импульсного сигнала существенно изменится.
В связи с наличием двух типов аналоговых сигналов усилители делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов.
По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот различают усилители постоянного и переменного тока, усилители звуковой и радиочастоты, узкополосные (селективные) и широкополосные усилители. Спектры сигналов для перечисленных усилителей представлены на рис. 1.2.
S S S
f |
|
f |
f |
fВ |
fН |
fВ |
fН fВ |
а |
|
б |
в |
Рис. 1.2
Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, лежащих в диапазоне частот от f = 0 до fВ (рис. 1.2, а), т.е. они усиливает сколь угодно медленно изменяющиеся сигналы, в том числе и постоянную составляющую. Усилители переменного тока постоянную составляющую не усиливают, т.е. спектр усиливаемых ими сигналов ограничен частотами fН и fВ (рис. 1.2, б, в).
Усилители звуковой частоты предназначены для работы в нижней части частотного диапазона и служат для усиления немодулированных сигналов. Для этих усилителей характерно неравенство fВ/fН>1.
Усилители радиочастоты предназначены для усиления модулированных сигналов. К ним же относятся и усилители промежуточной частоты. Для усилителей этой группы характерно следующее приблизительное равенство fВ/fН ~ 1
10