Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств
Подождите немного. Документ загружается.
1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ
1.1. Основные параметры сигналов на входе аналоговых электронных устройств
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-11-
2
0
2
2
() ;
T
T
a S t dt
T
−
=
∫
2
1
2
2
( )cosω;
T
n
T
a S t ntdt
T
−
=
∫
2
1
2
2
( )sinω.
T
n
T
b S t ntdt
T
−
=
∫
Амплитуда
n
A
и фаза
n
ϕ
выражаются через
n
a
и
n
b
:
22
, arctg .
n
n n nn
n
b
A ab
a
= + ϕ=
Совокупность коэффициентов
n
A
ряда Фурье называется частотным
спектром периодического сигнала. Час-
тотный спектр периодического сигнала
носит дискретный характер, так как со-
стоит из отдельных «линий», высотой
n
A
,
соответствующих дискретным частотам
111
ω 0, ω ω , ω 2ω , ω 3ω , ...= = = =
Хотя ряд Фурье и содержит бесконечное число гармоник, амплитуды этих
гармоник у большинства реальных сигналов убывают с увеличением номера.
Физически это означает, что влияние высших гармоник на общую энергию
сигнала и его форму может быть незначительным, что позволяет при анализе
искусственно «урезать» спектр, ограничившись наиболее «влиятельными» низ-
кими гармониками.
Так, если через цепь, имеющую АЧХ (рис. 1.5), пропустить периодиче-
скую последовательность прямоугольных импульсов S
1
(t), то выходной сигнал
S
2
(t) будет значительно отличаться по форме от входного (рис. 1.6).
Таким образом,
введение понятия частот-
ного спектра сигнала по-
зволяет сопоставить
свойства канала связи
(его широкополосность) с
шириной спектра сигна-
ла.
f
Н
f
В
f
У(f)
1
0
Рис. 1.5. АЧХ
электрической цепи
Рис. 1.6. Искажения сигнала, прошедшего
через цепь с «узкой» полосой пропускания
1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ
1.1. Основные параметры сигналов на входе аналоговых электронных устройств
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-12-
Например, телевизионный сиг-
нал, ширина спектра которого превы-
вышает 10–10
6
Гц, невозможно
дать по телефонной проводной паре,
полоса пропускания которой состав-
ляет всего несколько десятков кило-
герц. Для непериодического сигнала
можно при анализе полагать
.T →∞
Это означает, что как значение часто-
ты первой гармоники, так и интервал
между соседними гармониками будут
стремиться к нулю, т. е. спектр стано-
вится сплошным, а амплитуды гармоник (коэффициенты ряда Фурье) станут
бесконечно малыми.
Предельный переход от дискретного ряда Фурье к сигналу с
T →∞
опи-
сывается интегралом Фурье:
ω
1
() (ω) ω,
2π
jt
St S e d
+∞
−∞
=
∫
где
ω
1
(ω) ( )
2π
jt
S S t e dt
∞
−
−∞
=
∫
– спектральная плотность, физически означающая
распределение мощности сигнала по диапазону частот.
1
1
.
.
2
2
.
.
У
У
с
с
и
и
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
с
с
и
и
г
г
н
н
а
а
л
л
о
о
в
в
в
в
А
А
Э
Э
У
У
Принцип усиления электрических сигналов можно рассматривать как
процесс преобразования энергии источника питания в энергию сигнала в на-
грузке (выходного сигнала) под воздействием маломощного управляющего
(входного) сигнала.
Преобразование осущест-
вляется с помощью электриче-
ски управляемых (усилитель-
ных) элементов. Обобщенно
структурная схема усилителя
может быть представлена в виде
схемы (рис. 1.8), включающей
источник питания усилителя
0
A τ
и
S(ω)
ω
2π/τ
и
4π/τ
и
6π/τ
и
Рис. 1.7. Спектральная плотность
одиночного импульса с амплитудой А
и длительностью
и
τ
Н
УЭ
ИП
I = F (U
y
)
U
y
(t)
Рис. 1.8. Структурная схема
усилительного устройства
1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ
1.2. Усиление сигналов в АЭУ
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-13-
(ИП), управляемый элемент (УЭ) и нагрузку (Н).
Схема «перекачки» энергии от
источника питания (Э
ип
) в нагрузку
(Э
н
) под воздействием энергии управ-
ляющего сигнала (Э
у
) изображена на
рис. 1.9. Для любого усилителя обяза-
тельно выполнение двух условий:
Э
н
>> Э
у
– усиление по мощности,
ну
Э (Э )F=
– управляемость энергии в
нагрузке.
Схема показывает, что термины
«входной сигнал», «выходной сигнал»
не означают «прохождение» входного
сигнала через усилительное устройст-
во в нагрузку – входной сигнал лишь
управляет процессом преобразования энергии, в результате которого и форми-
руется сигнал в нагрузке, форма которого, в общем случае, может не повторять
форму входного сигнала. Из схемы также видно, что только часть энергии ис-
точника поступает в нагрузку, часть ее – энергия потерь (Э
п
) – расходуется на
разогрев элементов усилителя, по которым протекает ток источника.
Практически все усилительные устройства строятся по многокаскадной
схеме. В этом случае усилитель содержит выходной каскад, обеспечивающий
требуемую энергию в нагрузке, и один или несколько предварительных каска-
дов, которые последовательно усиливают уровень входного сигнала до значе-
ния, необходимого для управления выходным каскадом. Нагрузкой предвари-
тельного каскада является входная цепь последующего каскада (рис. 1.10).
Качество усилителя характеризуется совокупностью как энергетических,
так и информационных характеристик.
Н
УЭ
ИП
I = F(U
y
)
ИП
УЭ
U
y
(t)
U
y
(t) = F(U
y
)
Рис. 1.10. Схематическое изображение двухкаскадного усилителя
Н
УЭ
ИП
Э
н
Э
ип
Э
у
Э
п
Рис. 1.9. Схема преобразования
энергии источника питания в энер-
гию сигнала в нагрузке
1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-14-
1
1
.
.
3
3
.
.
К
К
л
л
а
а
с
с
с
с
и
и
ф
ф
и
и
к
к
а
а
ц
ц
и
и
я
я
у
у
с
с
и
и
л
л
и
и
т
т
е
е
л
л
е
е
й
й
В состав каждого усилительного каскада обязательно входит собственно
усилительный элемент и вспомогательные цепи: цепи питания и термостабили-
зации режима по постоянному току; элементы межкаскадной связи или связи с
источником сигнала и нагрузкой; элементы коррекции амплитудно-частотных,
фазочастотных и переходных характеристик (АЧХ, ФЧХ, ПХ); цепи фильтра-
ции по питанию; цепи обратной связи; цепи регулирования АЧХ, ФЧХ, ПХ.
Усилители классифицируют:
по ширине спектра усиливаемых сигналов: усилители постоянного тока
вн
/ff= ∞
; усилители переменного тока
3
вн
/ 10ff>
; широкополосные усили-
тели
3
вн
/ 10ff=
; избирательные усилители (
вн
/1ff≈
);
по виду усиливаемых сигналов: гармонические усилители; импульсные
усилители; специальные усилители.
В специальных усилителях могут вводиться дополнительные требова-
ния, определяемые характером обработки сигнала.
В
В
ы
ы
в
в
о
о
д
д
ы
ы
Радиоэлектроника находит применение во всех сферах жизнедеятель-
ности человека. Наиболее важными областями использования радиоэлектро-
ники являются съем, обработка и передача информационных сигналов. Рас-
пространенное аналитическое описание информационных сигналов – спек-
тральный метод, который позволяет наглядно оценить степень искажения
сигналов, передаваемых по конкретному каналу связи.
Основным элементом радиоэлектроники являются электрически управ-
ляемые сопротивления (усилительные элементы), способные работать в не-
прерывном и ключевом режимах.
Использование усилительных элементов в электрических цепях с ак-
тивными и реактивными сопротивлениями (резисторы, конденсаторы, индук-
тивности) позволяет реализовать бесконечное множество схемных решений
аналоговой и дискретной радиоэлектроники.
Усилители
Импульсные
Гармонические
Специальные
Постоянного
тока
вн
/ff= ∞
Переменного
тока
3
вн
/ 10 10ff= −
Широкополосные
3
вн
/ 10ff=
Избирательные
вн
/1ff≈
Рис. 1.11. Классификация усилителей
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-15-
2
2
.
.
Х
Х
А
А
Р
Р
А
А
К
К
Т
Т
Е
Е
Р
Р
И
И
С
С
Т
Т
И
И
К
К
И
И
У
У
С
С
И
И
Л
Л
И
И
Т
Т
Е
Е
Л
Л
Ь
Ь
Н
Н
Ы
Ы
Х
Х
У
У
С
С
Т
Т
Р
Р
О
О
Й
Й
С
С
Т
Т
В
В
2
2
.
.
1
1
.
.
П
П
а
а
р
р
а
а
м
м
е
е
т
т
р
р
ы
ы
о
о
ц
ц
е
е
н
н
к
к
и
и
с
с
в
в
о
о
й
й
с
с
т
т
в
в
у
у
с
с
и
и
л
л
и
и
т
т
е
е
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
х
х
у
у
с
с
т
т
р
р
о
о
й
й
с
с
т
т
в
в
Практически для всех классов усилителей используют три группы по-
казателей:
1. Энергетические
:
входные и выходные параметры
;
коэффициент усиления;
амплитудная характеристика;
динамический диапазон;
коэффициенты нелинейных искажений и нелинейности;
уровень шумов, фона, наводок.
2. Спектральные
:
амплитудно-частотная характеристика;
фазочастотная характеристика;
рабочий диапазон частот;
амплитудно-фазовая характеристика;
коэффициенты частотных и фазовых искажений.
3. Временные:
переходная характеристика:
время установления;
время запаздывания;
выброс;
спад вершины.
Для оценки свойств усилителей гармонических сигналов используют
спектральные и энергетические показатели, для оценки свойств усилителей
импульсных сигналов – временные и спектральные.
2
2
.
.
2
2
.
.
Э
Э
н
н
е
е
р
р
г
г
е
е
т
т
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
и
и
е
е
п
п
о
о
к
к
а
а
з
з
а
а
т
т
е
е
л
л
и
и
у
у
с
с
и
и
л
л
и
и
т
т
е
е
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
х
х
у
у
с
с
т
т
р
р
о
о
й
й
с
с
т
т
в
в
В
В
х
х
о
о
д
д
н
н
ы
ы
е
е
и
и
в
в
ы
ы
х
х
о
о
д
д
н
н
ы
ы
е
е
п
п
а
а
р
р
а
а
м
м
е
е
т
т
р
р
ы
ы
Входные параметры
вх 1
UU=
;
вх
R
;
вх
C
;
вх 1
II=
связаны соотношениями:
Рис. 2.1. Структурная схема усилителя
Z
г
с
Е
вх
U
R
вх
С
вх
С
вых
R
вых
R
н
С
н
U
вых
К
1
К
i
К
n
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
2.2. Энергетические показатели усилительных устройств
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-16-
1
вх
1
U
R
I
=
,
2
2
вх
вх 1 1 вх вх
вх
U
P UI I R
R
= ⋅= = ⋅
,
вх
вх 1 Г вх Г
Г вх
R
U U EK E
RR
==⋅=
+
,
где
вх
K
− потери во входной цепи.
Выходные параметры:
вых
P
;
Н
R
;
вых 2
UU=
;
вых 2
II=
.
К
К
о
о
э
э
ф
ф
ф
ф
и
и
ц
ц
и
и
е
е
н
н
т
т
ы
ы
у
у
с
с
и
и
л
л
е
е
н
н
и
и
я
я
Для описания усилительных свойств используются следующие коэф-
фициенты:
коэффициент усиления по напряжению
вых 2
вых 1
U
UU
K
UU
= =
;
коэффициент усиления по току
вых 2
вх 1
I
II
K
II
= =
;
сквозной коэффициент усиления по напряжению
вых вых вх вх
вх
Г вх Г вх Г вх
()
()
EU U
U UR R
K KK K
E URR RR
= =⋅= =
++
;
сквозной коэффициент усиления по току
вых
1
I
I
K
I
=
′
,
где
1
I
′
− источник тока на входе.
Для N-каскадного усилителя общий коэффициент усиления определя-
ется как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов
1
N
Nj
j
KK
=
=
∏
.
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
2.2. Энергетические показатели усилительных устройств
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-17-
Часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических едини-
цах:
U
K
(дБ),
I
K
(дБ),
P
K
(дБ):
20lg
UU
KK=
,
20lg
II
KK=
,
10lg
PP
KK=
.
Обычно используют значения
K
для области средних частот. На этих
частотах значение коэффициента усиления – активная величина, что облегча-
ет анализ усилителей. Оценка коэффициента усиления в децибелах (дБ)
удобна тем, что коэффициенты усиления отдельных каскадов складываются:
123
...
N
G GGG G
Σ
= + + ++
,
где N − число каскадов.
А
А
м
м
п
п
л
л
и
и
т
т
у
у
д
д
н
н
а
а
я
я
х
х
а
а
р
р
а
а
к
к
т
т
е
е
р
р
и
и
с
с
т
т
и
и
к
к
а
а
и
и
д
д
и
и
н
н
а
а
м
м
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
и
и
й
й
д
д
и
и
а
а
п
п
а
а
з
з
о
о
н
н
Амплитудная характеристи-
ка (АХ) – зависимость амплитуды
первой гармоники сигнала на выхо-
де усилителя от амплитуды входно-
го синусоидального сигнала. В иде-
альном случае, эта характеристика –
прямая линия, которая описывается
выражением
вых вх
.U UK= ⋅
Реальная АХ имеет вид, пока-
занный на рис. 2.2.
Снизу данная
кривая ограничена шумами, а свер-
ху – нелинейными свойствами уси-
лительного каскада. По АХ опреде-
ляют динамический диапазон уси-
лителя.
Линейный участок динамиче-
ской характеристики:
вых2
вых1
U
U
D =
.
Для оценки динамического диапазона D (дБ) используют равенство:
вых2 вых1
20lgD UU=
.
Аналогично можно определить и динамический диапазон сигнала, при
котором имеет место неискаженное усиление:
Рис. 2.2. Амплитудная
характеристика усилителя
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
2.2. Энергетические показатели усилительных устройств
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-18-
вх2
вх1
U
d
U
=
,
причем
d
(дБ) равняется
вх2 вх1
20lg UdU=
,
D
>
d
.
Динамическая характеристика (ДХ) – зависимость мгновенного значе-
ния выходной величины (
2
U
или
2
I
) от мгновенного значения входной
(
1
U
или
1
I
). Данная характеристика позволяет оценить нелинейные свойства
усилителя. Эти свойства проявляются в дополнительных спектральных со-
ставляющих в спектре сигнала на выходе усилительного устройства.
К
К
о
о
э
э
ф
ф
ф
ф
и
и
ц
ц
и
и
е
е
н
н
т
т
ы
ы
н
н
е
е
л
л
и
и
н
н
е
е
й
й
н
н
ы
ы
х
х
и
и
с
с
к
к
а
а
ж
ж
е
е
н
н
и
и
й
й
и
и
н
н
е
е
л
л
и
и
н
н
е
е
й
й
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
В усилителях уровень нелинейных искажений оценивают с помощью
коэффициента гармоник:
22
23
2
1
...
i
r
UU U
k
U
+ ++
=
,
где
i
U
– действующее или амплитудное значение i-й гармоники.
П
П
о
о
м
м
е
е
х
х
и
и
,
,
ф
ф
о
о
н
н
,
,
ш
ш
у
у
м
м
ы
ы
Помехи – посторонние сигналы, проникающие на вход усилителя или
на вход отдельных каскадов усилителя. Оценку уровня помех на выходе уси-
лителя производят при отсутствии сигнала на его входе.
Фон – напряжение на выходе усилителя с частотой, кратной частоте се-
ти переменного тока. Снижают уровень фона, уменьшая пульсации напряже-
U
вх
U
вых
0
U
вх max
α
β
Рис. 2.3. Динамическая характеристика усилителя
β
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
2.2. Энергетические показатели усилительных устройств
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-19-
ния выпрямителя, используя экранирование и развязывающие фильтры по
цепям питания. Фон не обнаруживается, если его напряжение на 70 дБ ниже
номинального выходного напряжения усилителя.
Шум – обусловлен внутренними помехами, возникает в результате теп-
лового движения свободных электронов в активных и пассивных элементах
схемы.
Дрейф – разновидность внутренних помех, проявляется в изменении
уровня выходного напряжения при постоянном входном. Основные причины
дрейфа – изменение температуры элементов схемы усилителя, напряжения
питания, старение активных элементов. Для снижения дрейфа усилителей
используют дифференциальные входные каскады.
2
2
.
.
3
3
.
.
С
С
п
п
е
е
к
к
т
т
р
р
а
а
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
е
е
х
х
а
а
р
р
а
а
к
к
т
т
е
е
р
р
и
и
с
с
т
т
и
и
к
к
и
и
у
у
с
с
и
и
л
л
и
и
т
т
е
е
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
х
х
у
у
с
с
т
т
р
р
о
о
й
й
с
с
т
т
в
в
Рабочий диапазон частот задается двумя значениями частоты на
уровне –3 дБ:
н
f
– значение нижней частот,
в
f
– значение верхней частоты
рассматриваемого диапазона частот. В этом диапазоне оговариваются все па-
раметры и характеристики усилителя. Если средняя частота диапазона
0
f
специально не оговорена, то она определяется соотношением
0нв
f ff= ⋅
или
0
1f =
кГц. Для неискаженного усиления сигналов частотный диапазон
усилителя должен превышать ширину спектра усиливаемого сигнала.
АЧХ, амплитудно-частотная характеристика – зависимость модуля
коэффициента усиления от частоты:
(ω)jt
K Ke
+ϕ
=
.
Для анализа АЧХ широкополосных усилителей
3
вн
10ff>
удобно
использовать логарифмический масштаб по частоте (рис. 2.4, в, г
).
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
2.3. Спектральные характеристики усилительных устройств
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-20-
АФХ, амплитудно-фазовая характеристика – зависимость фазового
сдвига между выходным и входным сигналами от частоты.
Наряду с АЧХ и ФЧХ используют амплитудно-фазовую характери-
стику. Представив комплексный коэффициент усиления в виде модуля
K
и
фазы φ, исключают переменную f и строят в полярных координатах зависи-
мость (годограф), изображенную на рис. 2.6.
Рис. 2.4. Амплитудно-частотные характеристики усилителя: а – зависимость модуля
коэффициента усиления от частоты; б – АЧХ относительного коэффициента
усиления; в, г – АЧХ в логарифмическом масштабе
а
г
б
в
Идеальная
Реальная
G = 20lgУ
б
а
Идеальная
Реальная
Рис. 2.5. Фазочастотные характеристики усилителя: а – в линейном масштабе;
б – в логарифмическом масштабе частоты