Основы электроники

Электрические сигналы можно разбить на 2 группы:

1. Сигналы непрерывные

u = f(t) = U(t)

-  u  

0  t  

аналоговые сигналы, устройства для их обработки также аналоговые.

2. Дискретные сигналы (импульсные) (цифровые сигналы)

u_i (t_k) u_i = u₁… u_n

t_k = 0, 1, 2, … k

Устройства для обработки – дискретные (цифровые).

3. ЦАП и АЦП

(цифро-аналоговые преобразователи и аналогово-цифровые)

Виды аналоговых устройств:

1. Усилители электрических сигналов (УЭ)

2. Генераторы

3. Коммутаторы

4. Функциональные преобразователи сигналов (интеграторы, дифференциаторы)

5. Источники питания

Усилители электрических сигналов

Усилители – электронные устройства предназначеные для повышения (усиления) мощности входного сигнала за счет энергии источника питания.

В зависимости от вида выходного сигнала УЭ делятся на:

• Линейные U_вых = kU_вх

• Нелинейные U_вых = f(U_вх)

Структура и эквивалентная схема УЭ

С точки зрения электрических свойств любой усилитель можно рассматривать как четырехполюсник, имеющий 2 входных зажима, на которые поступает входной сигнал, и 2 выходных, с которых снимается выходной сигнал.

Z’н – комплексное сопротивление.

Любой усилитель со стороны входа может быть представлен как R_вх. Любой усилитель со стороны выхода может быть представлен либо в виде управляемого источника напряжения (kU_вх), либо управляемого источника тока k_ii_вх, а также эквивалентного выходного сопротивления.

Как правило, в усилителях вход и выход связаны общей шиной (заземление корпуса).

Используются усилители, не имеющие гальванические связи между входом и выходом – изолирующие УЭ.

Основные характеристики и параметры усилителей

1. Основной параметр – коэффициент усиления:

K_u = - по напряжению

~ - на переменном токе

k_i = - по току

k_p = k_i

k [относительные единицы; дб]

2. R_вх = -входное сопротивление УЭ по переменному току

3. R_вых = -эквивалентное выходное сопротивление

хх – без нагрузки

Многокаскадные усилители

У₁ – первый каскад (входной усилитель, предварительный). Как правило, обеспечивает согласование с источником сигнала;

У_n – выходной усилитель (каскад), оконечный усилитель;

У₂ – У_n-1 – промежуточные усилители. Выходной каскад, как правило, обеспечивает согласование с нагрузкой, а основное усиление осуществляется в промежуточных каскадах.

К_ =

K_^дб =

Задача

2-х каскадный усилитель, К_ = 100 дб, K_u1 = 100, K_u2 =?

K_u1 = 40 дб  K_u2 = 1000 = 60 дб.

Многокаскадные усилители используют для усиления слабых сигналов.

Классификация усилителей:

1. Линейные

2. Нелинейные

По АЭ (активный элемент):

• Ламповые

• Транзисторные

• Интегральные

• Магнитные

• Тиристорные и др.

По R_вх и R_вых:

R_вх

• Если R_вх  R_г – усилители напряжения (с входом по напряжению)

• Если R_вх  R_г – усилители тока

• R_вх  R_г – усилители мощности (согласованные)

R_вых

• R_вых  R_н – усилители тока (с выходом по току)

• R_вых  R_н - усилители напряжения

• R_вых  R_н – усилители мощности (согласованные)

Характеристики усилителей

k_u’ =

В общем случае коэффициент усиления зависит как от амплитуды сигнала, так и от частоты и описывается комплексной функцией.

K_u’() =modk_u’(модуль)

 АЧХ – зависимость коэффициента усиления от частоты

() = arg k_u’ (аргумент)

 ФЧХ – зависимость сдвига фазы выходного сигнала от частоты

Вид АЧХ определяет и вид ФЧХ и наоборот.

АЧХ усилителей и их ФЧХ

У реального усилителя k зависит от частот, в пределах которых k  const = k₀ – называется областью средних частот – рабочая полоса частот.

 = _в - _н - полоса пропускания усилителя;

_н - нижняя частота полосы пропускания;

_в - верхняя частота полосы пропускания.

0    _н  область нижних частот

k = k() = var

  _в  область высоких частот

k = k() = var

Спад усиления на ВЧ и НЧ обусловлен наличием реактивных элементов в усилителе и конечным быстродействием усилительного элемента.

В зависимости от АЧХ усилители делятся на:

1. если   ₀, где ₀ – центральная частота усиления, то это узкополосный (резонансный) усилитель.

2.   ₀ – широкополосный усилитель (ШПУ) (видеоусилитель)

3.   ₀ – полосовой усилитель.

По частоте:

1. УНЧ – усилители низких частот (10Гц – 40 (100)кГц)

2. УПЧ – усилители промежуточных частот (1 МГц)

3. УВЧ – усилители высоких частот (1-100 МГц)

4. СВЧ – сверхвысокочастотные усилители (1 ГГц)

5. ОВЧ – особовысокочастотные усилители (1 ГГц до 20 ГГц)

ФЧХ

У реального усилителя на НЧ и ВЧ выходной сигнал приобретает дополнительный сдвиг фазы, обусловленный наличием реактивных элементов. На НЧ это элементы связи, блокирующие и фильтрующие конденсаторы. Их влияние носит дифференцирующий характер (0). На ВЧ влияет емкость нагрузки, монтажа, быстродействие АЭ. Их влияние носит интегрирующий характер (0). В рабочей полосе частотconst. Зависимостьk() и() для сложного входного сигнала приводит к его линейным искажениям (частотным).

 - рабочая полоса частот, в пределах которой амплитудные искажения k  3 дб, а фазовые искажения   /4.