- •Схемотехника аналоговых электронных устройств Учебное пособие
- •Содержание
- •1. Введение
- •2. Усилительные устройства на транзисторах
- •2.1. Классификация усилительных устройств
- •2.2. Основные технические показатели и характеристики уу
- •2.3. Методы анализа линейных усилительных каскадов
- •2.4. Активные элементы уу
- •2.4.1. Биполярные транзисторы
- •2.4.2. Полевые транзисторы
- •2.5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с оэ
- •Проведя анализ схемы, найдем, что
- •2.6. Термостабилизация режима каскада на биполярном
- •2.7. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с об
- •2.8. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ок
- •2.9. Усилительный каскад на полевом транзисторе с ои
- •2.10. Термостабилизация режима каскада на пт
- •2.11. Усилительный каскад на полевом транзисторе с ос
- •2.12. Временные характеристики усилительных каскадов
- •2.12.1. Метод анализа импульсных искажений
- •2.12.2. Анализ усилительных каскадов в области малых времен
- •2.12.3. Анализ усилительных каскадов в области больших времен
- •2.12.4. Связь временных и частотных характеристик усилительных
- •2.13. Простейшие схемы коррекции ачх и пх
- •3. Усилители с обратной связью
- •3.1. Общие сведения
- •3.2. Последовательная оос по току
- •3.3. Последовательная оос по напряжению
- •3.4. Параллельная оос по напряжению
- •3.5. Параллельная оос по току
- •3.6. Дополнительные сведения по ос
- •3.6.1. Комбинированная оос
- •3.6.2. Многокаскадные усилители с оос
- •3.6.3. Паразитные ос в многокаскадных усилителях
- •4. Усилители мощности
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Классы усиления
- •4.3. Однотактные ум
- •4.4. Двухтактные ум
- •5. Усилители постоянного тока
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Способы построения упт
- •5.3. Дифференциальные усилители
- •5.4. Схемы включения ду
- •5.5. Точностные параметры ду
- •6. Операционные усилители
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Основные параметры и характеристики оу
- •6.3. Инвертирующий усилитель
- •6.4. Неинвертирующий усилитель
- •6.5. Разновидности уу на оу
- •6.6. Коррекция частотных характеристик
- •7. Аналоговые устройства различного назначения
- •7.1. Регулируемые усилители
- •7.2. Усилители диапазона свч
- •7.3. Устройства формирования ачх
- •7.3.1. Активные фильтры на оу
- •7.3.2. Гираторы
- •7.3.3. Регуляторы тембра и эквалайзеры
- •7.4. Аналоговые перемножители сигналов
- •7.5. Компараторы
- •7.6. Генераторы
- •7.7. Устройства вторичных источников питания
- •8. Специальные вопросы анализа аэу
- •8.1. Оценка нелинейных искажений усилительных каскадов
- •8.2. Расчет устойчивости уу
- •8.3. Расчет шумовых характеристик уу
- •8.4. Анализ чувствительности
- •8.5. Машинные методы анализа аэу
- •9. Заключение
- •Список использованных источников
2.2. Основные технические показатели и характеристики уу
Технические показатели УУ представляют собой количественную оценку его свойств. К техническим показателям относятся (рис.2.1):
входное сопротивление . Чаще всего носит емкостной характер;
выходное сопротивление . Чаще всего носит так же емкостной характер;
коэффициенты передачи:
по напряжению или просто :
,
где - фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.
Значение К на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как , называют коэффициентом усиления.
В логарифмических единицах:
.
Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):
,
;
по току :
.
Для n-каскадных усилителей в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично .
по мощности :
.
Для n-каскадных усилителей в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично , только
.
сквозные коэффициенты, например, сквозной коэффициент передачи по напряжению:
,
где - ЭДС источника сигнала.
коэффициент полезного действия:
,
где - максимальная выходная мощность усилителя; - мощность, потребляемая от источника питания.
Характеристики УУ служат для оценки искажения сигнала. Искажения - это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. В зависимости от происхождения они подразделяются на:
искажения частотные, вызываемые неодинаковым усилением усилителя на разных частотах. Частотные искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.
Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазочастотной характеристике (ФЧХ).
АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Часто используют нормированную АЧХ, представленную на рис.2.2.
Здесь Y - относительный (нормированный) коэффициент усиления:
,
.
Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах в точности совпадает с выражениями для и получается из последних путем замены на .
Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений :
,
.
Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах также в точности совпадает с выражениями для и получается из последних путем замены на .
По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют нижнюю и верхнюю граничные частоты, полосу рабочих частот , равную:
.
искажения фазовые, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих спектра сигнала. Фазовые искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.
З ависимость угла сдвига по фазе между входным и выходным сигналами от частоты оценивается по ФЧХ, для резистивного каскада имеющей вид, представленный на рис.2.3.
В импульсных усилителях форма выходного напряжения зависит от переходных процессов в цепях, содержащих LC элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в ИУ переходными, пользуются переходной характеристикой (ПХ).
ПХ усилителя это зависимость мгновенного значения напряжения (тока) на выходе от времени при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).
переходные искажения измеряют при подаче на вход идеального прямоугольного импульса. Они разделяются на искажения фронта и искажения плоской вершины импульса (рис.2.4).
искажения фронта характеризуются:
временем установления , т.е. временем нарастания амплитуды импульса от до ;
выбросом фронта импульса , определяемым отношением амплитуды выброса U к амплитуде установившегося режима ;
временем запаздывания относительно входного сигнала по уровню .
Искажения плоской вершины импульса характеризуется величиной спада напряжения за время длительности импульса:
.
Для n-каскадных некорректированных УУ (каскады включены последовательно) результирующее время установления фронта и спад плоской вершины импульса можно оценить следующим образом:
,
.
АЧХ и ПХ отражают одни и те же физические процессы в различной форме (частотной и временной). Связь частотных и временных искажений иллюстрируется рис.2.5.
Нелинейные искажения (искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов. Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник , который представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока, мощности) высших гармоник, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (току, мощности) основной частоты (первой гармоники) при подаче на вход гармонического колебания основной частоты (при частотно-независимой нагрузке):
Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):
.
Кроме в усилителях многоканальной связи нелинейность оценивается затуханием соответствующей гармонической составляющей, (например, второй):
.
Собственные помехи УУ: фон, наводки и шумы. Остановимся на тепловых внутренних шумах усилителя ввиду принципиальной невозможности их полного устранения.
Любое резистивное сопротивление R (например, внутреннее сопротивление источника сигнала ) создает в полосе частот тепловой шум, среднеквадратичная ЭДС которого определяется формулой Найквиста:
.
Где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура сопротивления.
Мерой оценки шумовых свойств УУ является коэффициент шума F, равный отношению мощностей сигнала и шума на входе УУ к отношению мощностей сигнала и шума на выходе УУ:
В диапазоне СВЧ находит применение оценка шумовых свойств УУ посредством определения шумовой температуры системы :
,
где - стандартная шумовая температура, (рекомендация МЭК).
Для многокаскадных УУ (каскады включены последовательно):
где , и т. д. - номинальные коэффициенты усиления по мощности каскадов усилителя.
Амплитудная характеристика и динамический диапазон УУ.
Амплитудная характеристика усилителя представлена на рис.2.6.
Динамическим диапазоном входного сигнала усилителя называют отношение (при заданном уровне нелинейных искажений) к (при заданном отношении сигнал/шум на входе):
В зависимости от назначения УУ возможна оценка динамического диапазона по выходному сигналу, гармоническим и комбинационным составляющим и др.
Некоторые УУ (УПТ, ОУ и т.д.) могут характеризоваться другими специфическими показателями, которые будут рассмотрены по мере необходимости.