Шамшин В.Г. Основы схемотехники (2008) (1151958), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В связи с этим дляоценки уровня усиления по отношению к ЭДС источника сигнала вводитсядополнительный параметр - сквозной коэффициент усиленияKс =U вых= К вх × К .Ег(1.4)3. Зависимость амплитуды выходного напряжения Uвых от уровня входного Uвх представляется амплитудной характеристикой (рис.1.4).Рис. 1.4. Амплитудная характеристикаАмплитудная характеристика – зависимость установившегося выходного напряжения от уровня входного напряжения.11Характеристика позволяет определить:- уровень собственных шумов усилителя еш;- напряжение насыщения Uнас – максимально возможную амплитудувыходного напряжения;- значение номинального коэффициента усиления, пропорциональноготангенсу наклона линейной части характеристики;Номинальный коэффициент усиления – этоуровень усиления в диапазоне частот, в пределах которого реактивные элементы не оказывают заметного влияния.- динамический диапазон усиленияDу =U вхмах,U вх min(1.5)под которым понимается диапазон изменения амплитуды входного сигнала, впределах которого усилитель работает в линейном режиме.
Для исключенияискажений формы усиливаемых сигналов необходимо, чтобы Dу > Dc.4. Идеальное усиление заключается в точном воспроизведении формывходного сигнала на выходе. Отклонение формы выходного сигнала Uвых илиiвых от формы входного называется искажениями. В зависимости от причиних появления различаются линейные и нелинейные искажения.К линейным искажениям относятся частотные и фазовые. Линейныеискажения обусловлены наличием в схеме усилителя реактивных элементов,а также частотными свойствами активных элементов. Поскольку в реальныхусловиях управляющий сигнал представляет собой сигнал сложной формы,состоящий из множества отдельных разночастотных сигналов, то каждыйэтот сигнал имеет свой коэффициент усиления и фазовый сдвиг, что в результате приводит к искажению формы выходного сигнала.В этом случае коэффициент усиления по напряжению имеет комплексный характер*K ( jw ) = UUвых .
m*вх . me jje2jj1= K (w )e jj (w ) ,(1.6)Из приведенной формулы следует, что модуль коэффициента усилениязависит от частоты усиливаемого сигнала, а выходное напряжение и токсдвинуты по фазе относительно их входных значений. Графическое представление комплексного коэффициента усиления производится амплитуднофазовой характеристикой (рис.1.5, а), где длина вектора соответствует моду-12лю коэффициента усиления на определенной частоте ω, а угол φ – значениесдвига фаз между входным и выходным сигналами.1.5. Амплитудно-фазовая характеристикаВ общем случае выходной сигнал может отставать по фазе от входногосигнала или опережать. Примеры соотношения фаз приведены на рис. 1.5, б.Поскольку измерение или аналитический расчет частотно-фазовой характеристики представляет определенные трудности, то на практике используютсяее составляющие зависимости.Качественная оценка зависимости модуля коэффициента усиления отчастоты представляется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), афазового сдвига от частоты – фазочастотной (ФЧХ) характеристикой.Рис.1.6.
Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристикиАмплитудно-частотная характеристика – зависимость модуля коэффициентаусиления от частоты усиливаемого сигналапри постоянной амплитуде входного сигнала.13Фазо-частотная характеристика – зависимость угла сдвига фаз выходного сигнала поотношению к фазе входного от частоты усиливаемого сигнала.Для идеального усилителя, не вносящего искажения выходного сигнала, АЧХ представляет собой прямую линию (1, рис.1.6, а), а фазо-частотнаяхарактеристика представляется линейной зависимостью сдвига фаз от частоты (1, рис.1.6, б). У реального усилителя уровень усиления понижается приуменьшении и при повышении частоты усиливаемого сигнала.
Поскольку Fв>> Fн, весь диапазон частот условно разбивается на три области: областьсредних частот, в пределах которой коэффициент усиления практически независит от частоты, и области низких и высоких частот.С помощью указанных характеристик определяются параметры:- номинальный коэффициент усиления Ко;- диапазон усиливаемых частот для усилителей гармонических сигналов DF = Fв – Fн,;Диапазон усиливаемых частот - полоса частот от низшей рабочей частоты до высшей,в пределах которой модуль коэффициентаусиления не менее заданного значения.- коэффициент частотных искажений М (неравномерность амплитудночастотной характеристики), который показывает, на сколько отличается коэффициент усиления любой частоте f от максимальногоМ = Ко / Kf(1.7)где: Кf – коэффициент усиления на рассматриваемой частоте;Коэффициент частотных искажений степень уменьшения модуля коэффициентаусиления от номинального на рассматриваемой частоте.- вносимый фазовый сдвиг j.Фазовый сдвиг – угол, на который отличаются фазы входного и выходного сигналов.14Для сравнения различных схем может использоваться нормированнаяамплитудно-частотная характеристика (рис.1.6, в) Y=F(f), где относительноеусиление Y=Кf / Ко= = 1/М.В ряде случаев частотный диапазон амплитудно-частотной характеристики представляется в октавах или логарифмическом масштабе.
В последнем случае сокращенное название этой характеристики - ЛАЧХ.Между частотными и фазовыми искажениями существует определенная связь. Из рис.1.5 следует, что j = arccos(К/Ко) = arccos(1/М), откуда следует Y= cos (j).5. Нелинейные искажения проявляются в том, что при усилении синусоидального сигнала выходной сигнал отличается от синусоидальной формы.В нем кроме основной гармоники с частотой f усиленного полезного сигнала, содержатся гармоники с частотами кратными основной 2f, 3f, 4f и т.д.Нелинейные искажения возникают из-за нелинейности вольтамперныххарактеристик активных элементов усилителя (ламп, транзисторов), а такжепри значительной амплитуде усиливаемого сигнала, так как амплитуда выходного сигнала ограничена напряжением насыщения.Нелинейные искажения – изменениеформы сигнала, вызываемые нелинейностью характерист ик элементов схемыусилителя.Уровень нелинейных искажений оценивается коэффициентом гармоник Кг, представляющим при активном характере нагрузки отношение действующих значений токов высших гармоник выходного тока к действующемузначению первой гармоники этого токаI2 + I3 + I4 + ×××2Кг =22I1.(1.8)6.
В усилителях импульсных сигналов проявляются искажения, обусловленные переходными процессами в цепях схемы, содержащих реактивные элементы.Переходные искажения – искаженияформы импульсных сигналов.Оценка искажений импульсных сигналов производится переходной характеристикой (рис.1.7), представляющей собой зависимость нормированного усиления h =U вых (t )от времени при воздействии на входе единичногоКоскачка uвх = 0 при t ≤ 0 и uвх = 1 при t ≥ 0.15Рис.1.7.
Переходная характеристикаПереходные искажения оцениваются временем установления tу (длительность переднего фронта tф), относительным спадом вершины ∆ за времядействия входного импульса и выбросом δ.Под временем установления понимается время, в течение которогопроисходит нарастание импульса от 0.1 до 0.9 установившегося значения иливеличины нормированного усиления в тех же пределахtу = t(0.9) – t(0.1) .(1.9)Рис.1.7.Начальный участок переходной характеристикиНачальный участок переходной характеристики в пределах времениустановления может носить апериодический (кривая 1) или колебательный(кривая 2) характер.Спад вершины представляет собой относительное изменение амплитуды выходного импульса за время его воздействия на входе (длительности)∆ = 1 – h(tи).(1.10)16Спад вершины, как правило, измеряется в процентах от установившегося значения.Под выбросом понимается кратковременное превышение выходногонапряжения над установившимся значением.
Измеряется в процентах от установившегося значения.6. Дополнительно работа усилителей оценивается величиной потребляемого тока Io и потребляемой мощности Ро от источника питания, а такжекоэффициентом полезного действия. Поскольку усилитель потребляет определенную мощность от источника питания, то КПД определяется отношением выходной (отдаваемой в нагрузку Рm) мощности к потребленной Роh=Pm× 100 %.Po(1.11)Коэффициент полезного действия может выражаться в процентах или вотносительных единицах.1.3.
Усилитель как четырехполюсникУсилитель в целом, как и активный элемент (транзистор), может бытьпредставлен в виде четырехполюсника, свойства которого характеризуютсясвязью между входными Uвх, Iвх и выходными Uвых, Iвых величинами.Рис.1.7. Представление усилителя четырехполюсникомВ зависимости от выбора из входных и выходных величин в качествеаргументов и функций может быть составлено несколько систем уравнений,характеризующих взаимосвязи выходных и входных данных. Основными такими системами, используемых для анализа усилительных схем, применяются:1. Система "Y" параметровIвх=Y11 ×Uвх + Y12 ×UвыхIвых= Y21 ×Uвх + Y22 ×Uвых(1.12)Из рассмотрения системы следует, что Y11 представляет собой входнуюпроводимость усилителя, Y12- коэффициент обратной передачи энергии с вы-17хода четырехполюсника на его вход, Y21 - коэффициент прямой передачивходной энергии на выход, Y22 – выходную проводимость.2.
Система "Z" параметровUвх= Z11×Iвх + Z12×IвыхUвых = Z21×Iвх+ Z22 ×Iвых(1.13)В данной системе уравнений параметр Z11 есть входное сопротивление,Z12- коэффициент обратной передачи энергии с выхода четырехполюсника наего вход, Z21 - коэффициент прямой передачи входной энергии на выход, Z22– выходное сопротивление.3.Система "H" параметровUвх= h11×Iвх + h12× UвыхIвых= h21×Iвх + h22 ×Uвых(1.14)В этой системе уравнений параметр h11 представляет собой входное сопротивление, h12- коэффициент обратной передачи энергии с выхода четырехполюсника на его вход, h21 - коэффициент прямой передачи входной энергии на выход, h22 – выходную проводимость.Для нахождения основных параметров четырехполюсника системыуравнений дополняются уравнениямиIвх= - Yг ×Uвх , Iвых= - Yн ×Uвых.(1.15)Для каждой системы параметров (1.12-1.14) с использованием (1.15)можно определить коэффициенты передачи по напряжению и току, входноеи выходное сопротивления четырехполюсника (табл.1.1).Усилительные параметры четырехполюсникаТаблица 1.1.ПараметрКiКuZвхYСистема параметровZHY21 × YнY11 × (1 + Yн)Y21Y22 + Yн1 + Y22 × Z нY11 + DY × Z нZ 21Z 22 + Z нZ 21 × Z нDZ + Z11 × Z нDZ + Z × Z нZ 22 + Z н 11H 21(1 + H 22 × Z н )H 21 × Z нH 11 × DH × Z нH 11 + DH × Z н1 + H 21 × Z нYг + Y11DY + Y22 × YгDZ + Z 22Z11 + Z гH11 + Z гDH + H 22 × Z г-ZвыхОпределитель ∆Y=Y11×Y22-Y21×Y12 ∆Z=Z11×Z22-Z21×Z1218∆H=H11×H22-H21×H12Пренебрегая ввиду малости коэффициентом обратной передачи Y12=0,находятся упрощенные соотношения для всех параметровУпрощенные параметры четырехполюсникаТаблица 1.2.ПараметрКiКuZвхZвыхYСистема параметровZHZ 21( Z 22 + Z н )Z 21 × Z нZ11 × (Z 22 + Z н )H 211 + H 22 × Z нH 21 × Z нH 11 (1 + H 22 × Z н )Z11H11Z221H 22Y21 × YнY11 × (1 + Yн)-Y21Y22 + Yн1Y111Y22Вопросы для самопроверки1.
Объяснить понятие усиления электрического сигнала.2. Привести классификацию усилителей.3. Привести структурную схему усилителя и объяснить ее состав.4. Привести определение амплитудной характеристики и определяемыепо ней параметры.5. Объяснить виды коэффициентов усиления, способы их оценки.6. Дать определение амплитудно-частотной и фазо-частотных характеристик и определяемые по ним параметры.7. Объяснить понятие динамического коэффициента усиления и способа его определения.8.
Привести определение переходной характеристики и назвать параметры, оценивающие переходные искажения.9. Объяснить понятие нормированных характеристик.10. Привести определение нелинейных искажений.192. Основы теории обратных связейОбратная связь представляет собой передачу части выходной энергиина вход устройства, в результате чего управляющим сигналом является сумма входного сигнала и сигнала обратной связи Uос (рис.2.1). Эта передачаможет осуществляться за счет физических или конструктивных особенностейтранзисторов или электронных ламп, введения в схему усилителей специальных цепей для искусственной передачивыходной энергии, влияния электромагнитных полей, создаваемых вусилителе. Наличие обратной связи существенно изменяет параметры ихарактеристики усилителя, которыеопределяются свойствами непосредственно усилителя и видом связи.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
