Основные параметры и характеристики АЭУ.
Модуль 1. Схемотехника элементов аналоговых электронных устройств
Лекция 1
Введение. Структурные основы аналоговой
Схемотехники
Время проведения – 3 часа
Учебные вопросы:
1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах.
2. Усилительный каскад. Типы межкаскадных связей.
3. Схемы задания и стабилизации режима покоя в транзисторных каскадах.
4. Режимы работы активных элементов усилительных каскадов.
Введение
Дисциплина «Схемотехника аналоговых электронных устройств (САЭУ)» закладывает фундаментальные инженерные знания о принципах работы, построения, проектирования и применения аналоговых электронных схем и устройств.
Основная цель дисциплины: привить студентам знания и навыки, позволяющие технически грамотно осуществлять синтез принципиальных схем аналоговых трактов типовой радиоэлектронной аппаратуры, обоснованный выбор структуры и компонентов этих схем.
Общие сведения об аналоговых электронных устройствах
Аналоговые электронные устройства (АЭУ) – это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов.
Аналоговые сигналы – это сигналы, которые изменяются по тому же закону, что и характеризуемые (описываемые) ими физические процессы. Аналоговые сигналы, в отличие от дискретных (цифровых), заданы (могут быть измерены) во все моменты времени.
Преимущества аналоговых устройств (АУ): сравнительная простота, надежность и быстродействие.
Основной недостаток АУ: менее высокая точность обработки сигналов, чем у цифровых устройств (ЦУ).
АЭУ можно условно разделить на две большие группы: электронные усилители и устройства, выполненные на их основе.
Электронный усилитель (усилитель)– это устройство, в котором входной сигнал (напряжение, ток) используется для управления током в нагрузке (мощностью). Обобщенная структурная схема ЭУ представлена на рис. 1.1.
Рис. 1.1
Источники сигнала: датчики, микрофоны, оптоэлектронные устройства и пр.
Нагрузки: громкоговорители, световые, нагревательные устройства и т.д.
Устройства, выполненные на основе усилителей (выполняются на основе применения принципа обратной связи):
· преобразователи электрических сигналов (сумматоры, дифференциаторы, интеграторы, компараторы, устройства логарифмирования и т.д.);
· преобразователи сопротивлений.
Классификация АЭУ.
Усилители, как основной класс АЭУ принято классифицировать по нескольким признакам.
По форме усиливаемых сигналов:
· усилители непрерывных (гармонических) сигналов;
· усилители импульсных сигналов.
По диапазону частот:
· усилители постоянного тока (от 0 Гц до 20 Гц);
· усилители низкой частоты (от 20 Гц до 20 кГц);
· усилители высокой частоты (от 20 кГц до 300 МГц);
· усилители сверхвысокой частоты (свыше 300 МГц).
По мощности:
· маломощные усилители (до 1 Вт);
· усилители средней мощности (от 1 Вт до 10 Вт);
· усилители большой мощности (свыше 10 Вт).
По типу усилительных приборов:
· транзисторные;
· ламповые;
· диэлектрические;
· магнитные;
· на интегральных микросхемах.
Кроме того, усилители ВЧ- и СВЧ-диапазонов подразделяются на:
· узкополосные ( 
);
· широкополосные ( 
).
Основные параметры и характеристики АЭУ.
Технические параметры усилителей представляют собой количественную оценку его свойств. Рассмотрим основные параметры, характеризующие работу усилителя.
Коэффициент передачи – это функция, определяемая как отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В зависимости от формы математического представления самих сигналов различаются и формы представления коэффициента передачи (операторная, комплексная):
, 
.
Значение модуля коэффициента передачи 
на средних частотах рабочего диапазона усилителя, обозначаемого 
, называют коэффициентом усиления. Различают коэффициент усиления по напряжению, по току или по мощности.
Коэффициент усиления по напряжению – отношение амплитудных (действующих) значений выходного и входного напряжений усилителя:
.
Коэффициент усиления по току – отношение амплитудных (действующих) значений выходного и входного тока усилителя:
.
Для транзисторных усилителей, построенных по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером, в справочниках обычно указывают статический коэффициент передачи тока:
h21Э = Iвых/Iвх = Iк/Iб.
Он составляет приблизительно 10..1000 для различных типов транзисторов.
Коэффициент усиления по мощности – отношение мощности усиленного сигнала в нагрузке к мощности, подаваемой на вход:
.
Довольно часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах – децибелах, [дБ]:
, 
.
Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя, то его общий логарифмический коэффициент усиления находится как алгебраическая сумма логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов.
Коэффициент полезного действия (КПД) отражает эффективность усилителя. Он равен отношению полезной выходной мощности (мощности полезного сигнала) к мощности, затрачиваемой источником питания на функционирование усилителя:
.
Характеристики усилителей служат для оценки искажений сигнала.
Искажения – это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. В зависимости от происхождения они подразделяются на:
· линейные (частотные),
· нелинейные,
· переходные.
Линейные искажения вызываются неодинаковым усилением усилителя на разных частотах. Такие искажения создаются LC-элементами, поэтому они и носят линейный характер.
Рис. 1.2
Вносимые усилителем линейные (частотные) искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазо-частотной характеристике (ФЧХ).
АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Часто используют нормированную АЧХ, представленную на рис. 1.2.
Полоса пропускания (ПП) – это диапазон частот от fн до fв, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение КУ – K0. Как правило, значение КУ на граничных частотах ПП составляет 
(для нормированной АЧХ это значение 0.707).
Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М:
, 
ФЧХ называется зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением (током) от частоты (рис. 1.3).
Рис. 1.3
Нелинейные искажения (искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов.
Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоникKг, который представляет собой отношение действующего значения суммы высших гармоник выходного сигнала к действующему значению его первой гармоники:
.
В НЧ усилителях Кг должен быть < 2%, а в высококачественных усилителях – < 0,2%.
Переходные искажения. В импульсных усилителях (ИУ) форма выходного напряжения зависит от переходных процессов в цепях, содержащих LC-элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в ИУ переходными, пользуются переходной характеристикой.
Переходная характеристика (ПХ) усилителя (рис. 1.4) – это зависимость мгновенного значения напряжения (тока) на выходе от времени при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока).
Переходные искажения измеряют при подаче на вход усилителя идеального прямоугольного импульса. Они разделяются на искажения фронта и искажения плоской вершины импульса (рис. 1.4).
Рис. 1.4
Амплитудная характеристика усилителя. – определяет зависимость амплитудного (действующего) значения выходного напряжения от амплитудного (действующего) значения входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала (рис.1.5).
Рис. 1.5
Динамическим диапазоном усилителя называется отношение наибольшего допустимого значения входного (выходного) напряжения к ее наименьшему допустимому значению:
, 
.
Максимально допустимая амплитуда входного напряжения усилителя ограничена искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики управления. В то же время минимальная амплитуда обычно ограничена по величине (снизу) уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить с надлежащим качеством.