Файл: Ответ Аналоговые электронные устройства (аэу) Аналоговые электронные устройства (.docx

Понятие аналоговых устройств, понятие усилительных устройств, понятие усиления. Структурная схема усилителя, назначение элементов схемы.

Ответ

Аналоговые электронные устройства (АЭУ)

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов.

Усилителем называют устройство (узел, каскад), предназначенное для усиления напряжения, тока для повышения уровня мощности входного сигнала с сохранением его формы. Принцип действия электронного усилителя основан на управлении энергией мощного источника постоянного напряжения с помощью маломощного источника сигналов. Совокупность усилителя и источника питания составляет усилительное устройство.

Усиление – физический процесс увеличения мощности сигнала за счет расхода энергии стороннего источника.

Простейшая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе содержит транзистор и резистор R_К, включенный в цепь коллектора последовательно с источником питания. Во входной цепи последовательно с источником напряжения u_ВХ включен источник постоянного напряжения смещения U_СМ. Переменная составляющая тока коллектора, протекающая через R_К, выполняющий функции коллекторной нагрузки, может быть снята с коллектора, например, через разделительный конденсатор.

I_К = h₂₁*I_б, U = I * R

Вопрос 2-

Основные параметры и характеристики усилительных устройств, их взаимосвязь.

Ответ

Основные параметры

Коэффициент усиления, определяемый как отношение амплитуды входного и выходного сигнала K = Uвых/Uвх. Для отображения зависимости ???????? от частоты строят амплитудночастотную характеристику, при построении устанавливая максимальный коэффициент усиления как нормированный (принимают за единицу) и измеряют, частоты, на которых нормированный коэфф. Принимает значения 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9. Строят в логарифмическом масштабе.

Также измеряется сквозной коэффициент усиления К_Е= Uвых/Eг - отношение выходного напряжения к ЭДС генератора.

Коэффициент усиления по току ???????? = ????вых/????вх – отношения выходного тока каскада к входному. Используется реже, так как для измерения тока нужно осуществлять разрыв цепи.

Коэффициент усиления по мощности ????_???? = ????вых/????вх – отношение мощности усиленного колебания к мощности, подаваемой на вход. Для сравнения мощностей используют логарифмическую единицу измерений – Бел, а записывают обычно в децибелах: ????_???? = 10 log (????вых/????вх ) , дБ

2. Нижняя граничная частота усиления. То есть та минимальная частота, на которой обеспечивается допустимый уровень линейных, частотных искажений.

3. Верхняя граничная частота усиления. То есть та максимальная частота, на которой обеспечивается допустимый уровень линейных, частотных искажений.

это частоты (нижняя fн и верхняя fв), при которых коэффициент усиления падает на установленный минимально допустимый уровень. Обычно этот уровень составляет 1 /√2 ≅ 0,707 отмаксимального (падение -3 дБ), поскольку это уровень половинной мощности, те частоты, на которых мощность сигнала падает в два раза. Эти частоты формируют полосу пропускания – непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает заранее заданный предел

4. Коэффициент нелинейных искажений - отношение суммы высших гармоник выходного напряжения к значению первой гармоники:

где Pi – мощности высших гармоник сигнала, появившихся в результате нелинейных искажений; P1 – мощность основной гармоники.

Нелинейные искажения – изменения формы колебания, обусловленные нелинейностью некоторых элементов (транзисторов, диодов).

5. Максимальное выходное напряжение.

6. Максимальный выходной ток.

7. Максимальная выходная мощность.

8. Входное сопротивление - внутреннее сопротивление между его входными зажимами. У каждого каскада является разным, в зависимости от его конструкции.

9. Выходное сопротивление - внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. По отношению к нагрузке, усилитель – это источник колебаний с внутренним сопротивлением ????вых. Также зависит от внутреннего устройства, например, у каскада в схеме включения с ОЭ выходное сопротивление ????вых = ????к.

10. Коэффициент полезного действия – характеризует экономичность
расходования энергии питания. Обычно измеряется при усилении гармонического колебания на частоте 1 кГц. Общий КПД усилителя – отношение мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной потребляемой мощности от всех источников питания: η =????н / ????∑ , Мощность потерь в усилителе: ????пот = ????∑ - ????н. Чем выше КПД, тем меньше в нем потерь в виде тепла. Например, для предотвращения перегрева транзисторов их снабжаю радиаторами, и чем выше КПД, тем меньше их размеры.

Характеристики усилительных устройств

Амплитудно-частотная характеристика– показывает зависимость
модуля коэффициента усиления цепи от частоты входного сигнала. Отвечает
за частотные свойства каскада. Снимается на участке BC амплитудной
характеристики, где нет нелинейных искажений (при уровне входного
напряжения ????вх < 0,3????вх????????????).
На АЧХ присутствует три области частот:
• От 0 до Fн – область нижних частот
• От Fн до Fв – область средних частот
• От Fв до беск. – область верхних частот
На частоте 0 ток постоянный, поэтому она не усиливается, так усилитель переменного тока.
Граничные частоты F

н, Fв, полоса пропускания ∆???? = ????в - ????н – параметры усилителя, которые можно получить по АЧХ.

Фазо-частотная характеристика – зависимость фазового сдвига ????, вносимого усилителем, от частоты.

Показывает, как сдвигается фаза выходного сигнала при изменении частоты:

• На средних частотах обычно равен 0;

• При снижении частоты – увеличивается;

• При росте частоты – становится отрицательным.

Изм. фазовых сдвигов связано с наличием RC-цепочек в усилителях: на них происходит частотное подавление и фазовый сдвиг. Время прохождения через каскад колебаний разных частот различно, поэтому ФЧХ не является прямой, исходящей из начала координат. На практике используется реже, чем АЧХ, из-за меньшей значимости и сравнительной сложности измерения фазовых сдвигов

Амплитудная характеристика – зависимость амплитуды выходного напряжения от входного. Измеряется всегда на средних частотах, где влияние реактивных составляющих пренебрежимо мало – это нужно для того, чтобы хар-ка действительно отвечала только за линейные свойства, так как они оцениваются раздельно. Максимальное напряжение не может превышать половину питания для большинства однотранзисторных каскадов.

AB – зона избытка шумов, мало заметный на АХ участок. Источники шума, когда ????вх = 0: шумы, фон, наводки;

BC – рабочий участок. Подключаем осциллограф на выход, увеличиваем напряжение, пока не начнутся искажения – получаем ????вых????????????. Подключаем на вход при этом же значении – получаем ????вх????????????. Таким же образом получаем

????вых???????????? и ????вх????????????.

CD – транзистор начинает вести себя нелинейно (полуволны начинают срезаться). По ней нельзя выяснить частотные характеристики, так как она отвечает только за амплитуду. На ней можно найти коэффициент усиления K0, который будет являться тангенсом угла наклона на отрезке BC:

????0 = ????????(????) = ????вых/????вх

Импульсно-переходная характеристика – реакция цепи на прямоугольный импульс. Снимается при напряжении на участке BC АХ, так как хар-ка снимается при абсолютно линейном усилителе. Частоту следования импульсов можно выбирать в широких пределах.

AB - (в идеале – мгновенное изменение напряжения до 1) – нельзя мгновенно перезарядить емкости, влияющие на Fв и мгновенно изменить ????вых, поэтому оно нарастает плавно, по экспоненте – затянутый передний фронт импульса. ????нар – это время, за которое импульс изменяется от 0,1 до 0,9 при нормированном графике импульса. Чем оно меньше, тем больше частота Fв;

BC – (в идеале – нулевое изменение напряжения) во время положительного фронта емкость быстро заряжается, а теперь она медленно разряжается и также стремится к нулю по экспоненте (но т.к. участок начальный, то выглядит как прямая). Скол вершины – разница между точкой B и точкой C (обычно измеряют в %);

CD – (в идеале – мгновенное изменение напряжения до 0) – задний фронт импульса. Изменение опять же ограничено частотными свойствами усилителя в области верхних частот.

Кроме реакции на импульс, по ИПХ можно примерно вычислить fв через ????нар.На ИПХ могут наблюдаться переколебания – в таких случаях, усилитель сравним с маятником, а мгновенное изменение напряжения – удар по нему и дальнейшее раскачивание:

Проходная характеристика – в усилителе с биполярным транзистором – зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер (для полевого – зав-ть тока стока от напряжения затвора). Используется редко, в основном

только для определения класса усилителя мощности по выбору на ней рабочей точки (соотв. ей Iк и Uбэ):

Класс A – РТ по середине линейной характеристики;

Класс B – РТ в начале линейной хар-ки;

Класс С – РТ ниже линейного участка.