Контрольные вопросы к разделу 14

1. Как и чем отличаются активные и пассивные элементы радиоэлектронных устройств?

2. В чем состоит физический смысл коэффициента усиления транзистора по току? По напряжению?

3. Как работает полевой транзистор? МОП-транзистор?

4. В чем вы видите различие монолитных и гибридных интегральных схем?

15. Усиление и фильтрация радиосигналов

15.1. Усилители сигналов

Уже при первом знакомстве со схемами радиоэлектронных систем и устройств нельзя не обратить внимания на большое число квадратиков с надписью «УС» – усилитель. В самом деле, усилителей, используемых в радиоэлектронной аппаратуре, великое множество. Множество типов, назначений и технических особенностей. Широко используются усилители низкочастотных сигналов (их на профессиональном жаргоне иначе называют НЧ-усилители). Радиоприемные устройства обязательно используют усилители высокочастотных сигналов (ВЧ или СВЧ-усилители) и усилители промежуточной частоты (УПЧ). Это усилители радиосигналов. Радиопередатчики и некоторые другие радиоустановки используют мощные усилители (усилители мощности). Классифицируя усилители, кроме диапазона их рабочих частот перечисляют еще целый ряд признаков, таких, как вид усиливаемых сигналов (синусоидальные, импульсные), свойства нагрузки, на которую работает усилитель (усилитель напряжения, тока или мощности) и некоторые другие.В особую категорию выделяются операционные усилители (ОУ) –универсальные усилительные устройства свысоким коэффициентом усиления, низким уровнем собственного шума и способностью усиливать сигналы в очень широком диапазоне частот, от постоянного тока вплоть до нескольких мегагерц.

Пожалуй, самая важная характеристика усилителя, это его передаточная функция или коэффициент передачи – эти два термина равноправны и определяются отношением

комплексных амплитуд выходного и входного сигналов. Такое описание усилителя позволяет при исследовании отвлечься от особенностей его технического построения и рассматривать только схему рис. 15.1

Рис. 15.1. Передаточная функция и преобразование комплексных сигналов линейным усилителем

Разумеется, для усилителя тока определяется отношением амплитуд токов на выходной нагрузке и на входном сопротивлении, а коэффициент усиления по мощности равен отношению соответствующих мощностей и является действительной величиной.

Комплексный коэффициент усиления может быть представлен в виде произведения модуля и фазового множителя

где К_ус() – амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ), а() – фазочастоная характеристика (ФЧХ).

Современной радиоэлектронной техникеприходится сталкиваться с необходимостьюгигантского усиления сигналов вплоть до К_ус=10¹² раз (по мощности).

Разумеется, реальные усилители отличаются от идеала: они непременно искажают усиливаемые сигналы. Главный вид искажения – задержка сигнала на выходе относительно сигнала, поступающего на вход. Действительно, выходной сигнал появляется вследствие входного воздействия, а следствие всегда наступает позже (не раньше) причины. Кроме задержки, т.е. изменения временнόй структуры сигнала в процессе усиления может проявляться нелинейность зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды на входе. Этот эффект характеризуют амплитудной характеристикой усилителя – К_ус(U_вх).Естественно, чем меньше искажения, тем лучше усилитель.

Несмотря на разнообразие решаемых усилителем задач, методов усиления и схемотехнических принципов построения, в главном эффект усиления всегда состоит в преобразовании энергии источника питания в управляющем элементе, работой управляет входной сигнал. В качестве управляющего элемента используются полупроводниковые приборы,электронные лампы, специальные приборы СВЧ-электроники (лампы бегущей волны, клистроны, магнетроны и др.), квантовые приборы СВЧ и многие другие.Широкое распространение получили квантовые приборы СВЧ (мазеры) и оптического (лазеры) диапазонов. В простейшем виде квантовые усилители представляют собой активную среду, распространяясь в которой сигнал усиливается за счет индуцированного излучения внешнего источника.

Для произвольного входной сигнал усилителя s_вх(t) можно определить спектральную плотностьS_вх(i). УмножениеS_вх(i) наК_ус(i) позволяет, в соответствии с найти спектральную плотность выходного сигнала S_вых(i). А применение к произведениюS_вх(i)К_ус(i) обратного преобразования Фурье дает возможность найти выходной сигнал усилителя как функцию времени. Таким образом, если задан входной сигнал в виде

,

то выходной сигнал представляется обратным преобразованием Фурье

.

Как видно из , передаточная функция усилителя показывает относительный вклад различных спектральных составляющих входного сигнала в процесс на выходе.

Вместо разложения входных и выходных сигналов усилителя на спектральные составляющие для анализа преобразований, совершаемых усилителем, можно воспользоваться представлением входного сигнала в виде суммы коротких примыкающих друг к другу импульсов, как на рис 15.2.

Рис. 15.2. Импульсное представление входного сигнала усилителя

Отклик линейной системы на -импульс называется импульсной характеристикой этой системыg(t). Но если на вход некоторого линейного четырехполюсника (в частности – усилителя) действует-импульс, обладающий постоянной и равной единице спектральной плотностью для всех частот от нуля до бесконечности, то спектральная плотность выходного сигнала будет как раз равнаК_ус(i). Следовательно, реакция на-импульс, т. е. импульсная характеристика усилителя, определяется с помощью обратного преобразования Фурье от передаточной функции:

.

Если требуется найти выходной сигнал усилителя s_вых(t), для которого (усилителя) задана импульсная характеристика, то можно поступить следующим образом.

Входной сигнал разбивается на последовательность элементарных импульсов (один такой импульс заштрихован на рис. 15.2.), действующих на интервале времени (;+). Если бы площадь этого импульса равнялась единице, то импульс можно было бы рассматривать как-импульсы, возникающие в момент. При импульсной характеристикеg(t) отклик в моментtбыл бы, очевидно, равенg(t–). Но, поскольку заштрихованная на рис. 15.2 площадь импульса равнаs(), величина отклика в моментtбудет равнаs_вх()g(t-). Для определения полного значения выходного сигнала в момент времениtнужно просуммировать действие всех импульсов в промежутке от=0 до=t. При0 суммирование сводится к интегрированию:

.

В общем случае, если начало сигнала s_вх() не совпадает с началом отсчета времени, можно записать в виде

.

В реальных системах следствие не может предшествовать причине, поэтому всегда выполняется условие

,

т. е. при отрицательном аргументе функция g(t–) должна равняться нулю. Поэтому ничего не изменится, если представить в форме

.

При замене в наt–получается другая форма записи отклика усилителя на входное воздействие:

.

Интеграл в правой части называется сверткой функций s_вх(t) иg(t). Поэтому сигнал на выходеs_вых(t) линейной системы является сверткой входного сигналаs_вх(t) с импульсной характеристикой системыg(t).

Иногда пользуются не импульсной характеристикой g(t), а переходной функциейh(t), которая определяется как реакция системы на воздействие в виде единичного скачка. Поскольку единичный скачок является интегралом от-импульса, то функцииh(t) иg(t) связаны друг с другом соотношениями:

В большинстве современных усилителей используется обратная связь (ОС) – электрическая цепь, подающая сигнал с выхода усилителя на его вход. ОС в усилителях, как правило, является отрицательной, т.е. она способствует уменьшению коэффициента усиления. Однако снижение уровня усиления искупается резким увеличением устойчивости (стабильности), расширением полосы пропускания, уменьшением искажений, увеличением входногои уменьшением выходного сопротивлений. Физический смысл введения отрицательной ОС состоит в непрерывном сравнении форм выходного и входного сигналов. При обнаружении расхождения (ошибки) система ОС вырабатывает сигнал коррекции и, передавая его на вход усилителя, в какой-то мерекомпенсирует искажение формы усиливаемого сигнала.

Усилители постоянного тока (УПТ), иначе называемые операционными усилителями (ОУ) предназначаются для усиления медленно изменяющихся, низкочастотных сигналов, включая такие медленные, как постоянный ток (f_min=0). В настоящее время технология производства УПТ в интегральном исполнении (см. далее в этой книжке) достаточно хорошо освоена, и промышленность выпускает большое количество разных типов УПТ. Они отличаются компактностью, дешевизной, устойчивостью основных характеристик качества при изменении внешних условий работы и другими полезными свойствами. Эти положительные стороны УПТ делают их базовым элементом современного усилителя.

На основе ОУ строятся усилители переменного тока. Малогабаритные избирательные ОУ обычно содержат резонансный контур в цепи обратной связи и обеспечивают усиление сигналов в полосе до десятков мегагерц.

Усилители низких частот делятся два больших подкласса: усилители управляющих (первичных) сигналов низких или звуковых частот иусилители импульсных видеосигналов. В области звуковых частот (30 Гц … 20 кГц) перекрытие по диапазону составляет величину более двух порядков, а для видеосигналов (30 Гц … 6 МГц и более) – четырех-пяти порядков. Такие усилители применяют тогда, когда нужно усиливать импульсные сигналы. Прежде всего – в измерительной технике (для осциллографов). Но современные радиоэлектронные системы, работающие с очень быстро меняющимися сигналами, также предполагают широкое использование импульсных усилителей, пропускающих с минимальными искажениями сигналы очень широкого диапазона частот.

Частотно-избирательные (резонансные) усилители предназначены для выделения и усиления сигналов, сосредоточенных в определенном, заданном участке спектра частот. Если этот участок (ширина полосы частот, в которой сосредоточены усиливаемые сигналы) много меньше средней частоты усиливаемых сигналов, усилители именуются резонансными.

Если К_усусилителя существенно отличен от нуля в некоторой полосе частот, как на рис. 15.3, то он пропустит на выход не все колебания, составляющие входной сигнала.

Рис 15.1. Фильтрующее свойство частотно-избирательного усилителя

На рис 15.1 частотные составляющие входного сигнала изображены пунктирными линиями, а выходного отфильтрованного сигнала – сплошными.

Про такой частотно-избирательный усилитель говорят, что он обладает способностью фильтровать сигналы. Часто такие усилители просто называют фильтрами. Фильтрующее свойство усилителей очень важно в тех случаях, когда полезный сигнал нужно отделить ("очистить") от мешающих колебаний – помех и шумов. Без фильтров не обходятся никакие радиоэлектронные системы.

Для того, чтобы наделить усилитель способностью фильтровать сигналы, в его схему включают колебательную систему, обладающую резонансными свойствами. Обычно это колебательный контур, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, но может быть и резонатор другой конструкции.

Освоение современной радиоэлектроникой СВЧ-диапазона, которого потребовало развитие систем радиолокации, радионавигации, космической и мобильной связи, радиоастрономии, телевидения и других привели к созданию огромного количества различных электронных, полупроводниковых и квантовых приборов СВЧ. Первыми СВЧ электронными приборами были приборы (диоды, триоды, тетроды) относительно низкочастотных диапазонов. По мере совершенствования принципов действия и конструкций этих приборов, они приобрели возможность работы с сигналами на частотах до десятков и даже сотен мегагерц. Достоинствами этих приборов являются: относительная простота конструкции и технологичность производства, устойчивость к внешним воздействиям (в том числе и к радиационным). Но маломощные вакуумные триоды и тетроды оказываются неконкурентоспособными даже с полупроводниковыми СВЧ-приборами.

Подлинную революцию в технике СВЧ произвело открытие в 1942 г. принципа длительного взаимодействия электронного потока с бегущей волна вдоль специальной структуры прибора электромагнитной волной. При таком взаимодействии электроны способны делиться с волной своей энергией, т.е. усиливать колебания, создавшие волну. На этом принципе было создано поколение усилительных приборов СВЧ – ламп бегущей волны (ЛЕВ).

ЛЕВ является весьма широкополосным (с полосой порядка двух октав) усилителем с высоким коэффициентомусиления (10…30) дБ, т.е. (10¹…10³раз), значительным КПД (30…40%), низкимкоэффициентом шума. Приборы типа ЛБВ она успешно работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах и с успехом используются в самой разнообразной радиоэлектронной аппаратуре (в приемниках, передатчиках, усилителях, а также и других устройствах и подсистемах)

Для работы в узкой полосе частот применяются резонансные приборы, основу которых составляют один или несколько высокодобротных резонаторов, возбуждаемые периодической последовательностью электронных сгустков. Примером приборов этого класса являются клистроны (отражательный, многорезонаторный и др.).

Для получения больших значений коэффициента усиления, усилители соединяются последовательно, образуя многокаскадные структуры. Этот принцип применим для усилителей любых типов, построенных на основе любых усилительных приборов.