Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В
этот спектр необходимо лишь, когда мы желаем обеспечить исключительно высокое качество звуковоспроизведения.
Ширина спектра обратно пропорциональна скорости изменения сигнала во времени: чем больше изменяется сигнал, тем шире спектр. Ширина спектра, например, телеграфного сигнала обычно считается равной Fc=l,5υ, где υ – скорость телеграфирования в бодах (NБод – скорость передачи, равная N символов в секунду). При υ=50Бод ширина спектра составляет 75Гц. Тогда как телевизионный сигнал занимает очень широкую полосу частот – около 6МГц.
Произведение трех основных параметров сигнала определяет его объем:
Vc=TcDcFc
Объем сигнала можно выразить в битах, если скорость передачи умножить на время передачи сигнала:
Vc=CTc
Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объем. Совокупность электронных устройств, обеспечивающих передачу сигнала, называется каналом связи. Это может быть проводная, кабельная, радиорелейная, оптическая, коротковолновая или спутниковая линия связи с необходимой приемопередающей аппаратурой. Канал связи имеет свои собственные параметры, которые не совпадают с параметрами сигнала.
2.2.Усилительные устройства
2.2.1.Классификация усилителей, их основные параметры и
характеристики
В процессе преобразования и обработки информации, заложенной в электрических сигналах, часто возникает необходимость в увеличении уровня мощности сигнала, недостаточного для работы потребителя. Для этой цели используются усилители.
Усилителем сигналов называется устройство, которое позволяет при наличии входного сигнала с некоторым уровнем мощности получить на выходной нагрузке сигнал той же формы, но с большим уровнем мощности. Во время усиления энергия источника
128
питания электронной схемы усилителя, как источника энергии, преобразуется в энергию полезного сигнала с помощью активного усилительного элемента, например транзистора. Входной сигнал является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникает более мощный сигнал, передаваемый в нагрузку.
Любой усилитель содержит активный усилительный элемент, источник питания, входную и выходную цепи, нагрузку.
Классификацию усилителей можно проводить по различным признакам:
1)по виду используемого усилительного элемента - ламповые, транзисторные усилители, на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;
2)по диапазону усиливаемых частот - усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио - или промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ - усилители);
3)по ширине полосы усиливаемых частот - узкополосные, широкополосные усилители;
4)по характеру усиливаемого сигнала - усилители непрерывных и импульсных сигналов;
5)по усиливаемой электрической величине - усилители напряжения, тока, мощности;
6)по типу нагрузки - резистивные, резонансные (избирательные) усилители.
Работу усилителей принято оценивать рядом параметров и
характеристик:
а) Коэффициент усиления. Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала, к входной. В качестве таких величин могут употребляться напряжение, ток или мощность.
В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению Кu, по току Кi или по мощности Кp.
Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному, где Um, Im - амплитудные значения параметров входного или выходного сигналов:
Κ |
|
Im.вых ; |
K |
|
Um.вых |
|
|
i |
Im.вх |
|
|
u |
Um.вх |
|
|
|
|
|||
129
Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов (L,C) коэффициенты Ku, Ki являются комплексными величинами и зависят от частоты усиливаемого сигнала.
Коэффициент усиления по мощности Kp показывает, во сколько раз активная мощность Рвых, отдаваемая усилителем в нагрузку Rн, больше активной мощности Рвх, подводимой к его входным зажимам:
K p |
Pвых |
Ku |
Ki |
|
Pвх |
||||
|
|
|
Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах - децибелах: Kp/=10lg Kp (дБ) Ku/=20 lg Ku (дБ)
Ki/=20lg Ki (дБ).
В усилителях на полевых транзисторах имеет смысл рассматривать только Ku, так как Im вх 0, т.е. Ki . В биполярных транзисторах входной ток Im вх относительно велик, и Ku, Ki, Kp могут быть использованы в одинаковой мере.
б) Амплитудно-частотная и фазочастотная характери-
стики (АЧХ, ФЧХ). Усиление сигнала как правило, сопровождается искажением его формы. Искажения делятся на линейные и нелинейные.
Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Из - за этого отдельные гармонические составляющие (гармоники) сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителя оценивают с помощью АЧХ, ФЧХ и переходной характеристики.
АЧХ усилителя выражает зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Примерный вид АЧХ усилителей показан на рис.2.20, где Ku/ - максимальный коэффициент усиления по напряжению, а ωн и ωв - нижняя и верхняя границы интервала частот.
130
Рис. 2.20
Полосой пропускания усилителя ∆ω=ωв–ωн называют интервал частот, в пределах которого коэффициент усиления усили-
теля уменьшается по сравнению с максимальным значением в 
2
раз (на 3 дБ) и становится равным 0,707 K |
|
' |
K |
u ' |
. |
||
u |
|
|
|
||||
2 |
|||||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
Фазочастотной характеристикой усилителя называется зависимость фазового сдвига между входным и выходным сигналами от частоты. В случае пропорциональности фазового сдвига частоте сигнала, ФЧХ усилителя будет линейной, фазовых искажений не будет, при фазовых искажениях наблюдается отклонение ФЧХ от линейной зависимости (рис. 2.21).
Рис. 2.21
в) Переходная характеристика.
Переходной характеристикой усилителя Uвых(t) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при единичном скачкообразном изменении входного напряжения. Эта характеристика отражает переходные процессы в схеме и позволяет судить об искажении усиливаемого импульсного сигнала. На рис. 2.22 приведен вид переходной характеристики усилителя, где за переходную характеристику принята величина:
131
h(t) |
U |
вых |
(t) |
, |
|
Ku |
/ |
||
|
|
|
где Ku/ – максимальный коэффициент усиления по напряжению.
Рис. 2.22
Во многих случаях АЧХ, ФЧХ и переходная характеристика однозначно определяют вид друг друга.
г) Коэффициент нелинейных искажений.
Нелинейными искажениями называются искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителях, а также неправильно выбранными режимами их работы. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, являющимися высшими гармониками составляющих входного сигнала, которых не было в спектре входного сигнала.
При усилении синусоидального сигнала нелинейные искажения оценивают коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) Kr который измеряется на выходе усилителя и определяется соотношением:
K |
|
P2 P3 ... Pn |
100% , |
|
r |
P |
|||
|
|
|||
|
|
|
||
|
|
1 |
|
где Р1, Р2, Р3,…, Рn - мощности первой, второй, и т.д. гармоник выходного тока.
При чисто резистивной нагрузке усилителя, этот вид искажений оценивают соотношениями:
132