Схемотехника аналоговых электронных устройств (стр. 1 )

СХЕМОТЕХНИКА

АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ

УСТРОЙСТВ

Курс лекций

Чебоксары 2010

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени »

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Курс лекций

Чебоксары 2010

УДК 621.

П85

Рецензенты: главный конструктор СКТБ -производственный комплекс «Элара», к. т.н. ; кафедра промышленной электроники ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. ».

Пряников B. C.

П85 Схемотехника аналоговых электронных устройств: Курс лекций, Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 20с.

ISBN -3

Рассмотрены основные качественные показатели аналоговых электронных устройств, изложены теоретические основы, принципы построения усилительных и других функциональных схем.

Для студентов второго и третьего курсов, обучающихся по направлению подготовки 210300-Радиотехника и специальности 210302-Радиотехника.

Отв. редактор: д-р техн. наук, профессор

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

УДК 621.
ISBN -3 © Пряников B. C. 2010

Лекция №1

Введение в дисциплину

«Схемотехника аналоговых электронных устройств»

1.1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах

Целью преподавания данной дисциплины является изучение студентами особенностей схемотехники аналоговых электронных устройств и методов их анализа, а также формирование у студентов знаний, навыков и умений, позво­ляющих осуществлять схемотехническое проектирование электронных устройств, которые обеспечивают усиление и обработку аналоговых сигналов, в том числе и с использованием интегральных микросхем, выпускаемых промышленностью. Эти знания и умения имеют не только самостоятельное значение, но и обеспечивают базовую подготов­ку студентов по схемотехнике, необходимую им при изучении других схемотехнических дисциплин.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

- знать принципы функционирования основных аналоговых элек­тронных устройств и их базовых элементов, особенности схемотехники этих устройств, в том числе и учитывающие возможность их реа­лизации по интегральной технологии и необходимость обеспечения стабильности их работы;

- знать и уметь применять методы анализа усилительных и дру­гих аналоговых электронных устройств, основанные на использова­нии эквивалентных схем; уметь составлять эти схемы на базе прин­ципиальных схем анализируемых устройств;

- знать принципы построения цепей обратной связи и их влия­ние на основные показатели и стабильность параметров аналоговых электронных устройств; уметь формировать эти цепи с целью улучшения качественных показателей разрабатываемых ус­тройств и получения заданной формы их характеристик;

- уметь осуществлять схемотехническое проектирование разра­батываемых усилительных и других аналоговых устройств, в том чис­ле, построенных на базе операционных усилителей, а также с учетом возможности их реализации по интегральной технологии; выполнять расчеты, связанные с выбором параметров и режимов работы разрабатываемых устройств;

- уметь применять современную вычислительную технику при анализе и проектировании аналоговых электронных устройств.

Дисциплина «Схемотехника аналоговых электронных устройств» является первой дисциплиной, в которой студенты изучают схемотехнику и ее язык. Она располагается в учебном плане специальности на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую и специальную подготовку инженеров. Изучая эту дисциплину, студенты впервые знакомятся с принципами функционирования, схемотехникой аналоговых электронных устройств и с методами их анализа; с задачами, связанными с обеспечением стабильности работы и знание которых необходимо как при разработке устройств, рассматриваемых в настоящей дисциплине, так и устройств, изучаемых в других дисциплинах и связанных с формированием, приемом и обработкой аналоговых сигналов.

Изучение дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» базируется на физико-математической подготовке студентов, получаемой ими при изучении дисциплин «Математика» и «Физика», на знании методов анализа электрических цепей, с которыми студенты знакомятся при изучении дисциплин «Основы теории цепей», «Радиотехнические цепи и сигналы» и «Основы компьютерного проектирования РЭС», а также на знании параметров и характеристик пассивных и активных радиокомпонентов, рассматриваемых дисциплинами «Радиоматериалы и радиокомпоненты» и «Электроника». Материал, изучаемый в дисциплине «Схемотехника аналогов электронных устройств», используется студентами в дисциплинах «Устройства приема и обработки сигналов», «Основы телевидения», «Устройства генерирования и формирования сигналов» и др.

Для того чтобы обеспечить глубокое усвоение студентами основ схемотехники аналоговых электронных устройств, творческий подход и самостоятельность при изучении ими соответствующего ма­териала, необходимо провести большую методическую работу, направ­ленную на эффективное использование студентами часов, выделенных учебным планом для самостоятельной работы и на обеспечение руко­водства и контроля преподавателем этой работы. Учитывая место дисциплины в учебном плане, при чтении лекций необходимо особое внимание уделять принципам функционирования изучаемых устройств. Рассматриваемая схемотехника должна быть ориентирована на изго­товление аналоговых устройств, в том числе и по интегральной тех­нологии. Целесообразно об­ратить внимание и на обеспечение повторяемости разрабатываемых устройств при их производстве.

Большое значение для творческого освоения студентами особен­ностей схемотехники аналоговых электронных устройств имеет выпол­нение ими курсового проекта. Курсовой проект по этой дисциплине является первым среди схемотехнических курсовых проектов, выпол­няемых студентами при обучении их по направлению 210300 - Радиотехника и по специальности 210302 - Радиотехника. При его выполнении студенты еще не имеют навыков разработки ус­тройств по заданным показателям. Поэтому во время работы студен­тов над курсовым проектом должно быть обеспечено достаточное ко­личество индивидуальных консультаций.

Для реализации настоящей программы предусмотрено всего 140 часов, из них аудиторных занятий – 78 ч., которые могут быть распределены следующим об­разом: лекции - 46 ч., лабораторные занятия - 32 ч. и самостоятельные занятия – 62 ч. Схемотехника аналоговых электронных устройств изучается в течение четвертого и пятого семестров. Отчетность: зачет в четвертом семестре; дифференцированный зачет по результатам защиты курсового проекта и экзамен за весь курс в пятом семестре.

1.2.Программа дисциплины

1.2.1. Содержание дисциплины

Введение. Определение аналоговых электронных устройств. Принципы их построения, особенности функционирования и области применения. Усилительные устройства и их роль при построении устройств обра­ботки аналоговых сигналов. Краткий исторический обзор развития отечественной аналоговой техники. Тенденции ее развития. Значе­ние дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» для подготовки бакалавров; ее содержание и связь с другими дис­циплинами учебного плана.

Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств, требования, предъявляемые к аналоговым электронным устрой­ствам. Показатели и характеристики, определяющие усиление, преоб­разование и искажения аналоговых сигналов. Входные и выходные по­казатели, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика, фазовая характеристика, амплитудная характеристика, коэффициент нелинейных искажений и переходная характеристика аналоговых электронных устройств (АЭУ). Обратная связь и ее влияние на показатели и характеристики аналоговых электронных устройств.

Принцип и назначение обратной связи. Основные способы ее обеспечения. Влияние обратной связи на основные показатели и ха­рактеристики усилительных устройств и аналоговых устройств, пос­троенных на их базе, а также на чувствительность этих устройств к изменению параметров их элементов. Устойчивость устройств, охва­ченных отрицательной обратной связью, и ее оценка с помощью раз­личных критериев.

Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току.

Цепи питания, обеспечивающие режим работы транзисторов по постоянному току. Значение этих цепей.

Обеспечение необходимого режима работы транзисторов по пос­тоянному току с помощью простейших цепей. Влияние условий эк­сплуатации и разброса значений параметров транзисторов на режим их работы по постоянному току; необходимость стабилизации тока покоя выходной цепи транзистора.

Генераторы стабильного тока СГСТЭ и их использование для обеспечения стабилизации токов покоя транзисторов. Расчет значе­ний сопротивлений резисторов ГСТ, при которых обеспечиваются за­данные значения его тока покоя и дифференциального сопротивле­ния.

Стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току с помощью отрицательной обратной связи. Цепи, обеспечивающие ста­билизацию в одиночных каскадах. Обеспечение и стабилизация режи­ма работы транзисторов по постоянному току в многокаскадных ус­тройствах с непосредственной связью между каскадами; дрейф нуля.

Каскады предварительного усиления.

Требования, предъявляемые к каскадам предварительного усиле­ния, и особенности их анализа, связанные с малым уровнем входно­го сигнала, при котором нелинейность характеристик транзистора можно не учитывать.

Применение эквивалентных схем для анализа каскадов предвари­тельного усиления. Модели усилительных элементов, используемые при анализе этих каскадов. Построение эквивалентных схем рассмат­риваемых аналоговых электронных устройств. Применение ЭВМ для расчета аналоговых электронных устройств по полным эквивалентным схемам. Упрощение эквивалентных схем для проведения расчетов, не связанных с применением ЭВМ.

Применение усилительных элементов, состоящих из нескольких транзисторов (составных транзисторов).

Усилительные каскады с транзисторами, включенными с общим эмиттером и общим истоком. Резисторные каскады предварительного усиления, их принципиальные и эквивалентные схемы. Применение ди­намической нагрузки. Коэффициент усиления, частотные характерис­тики каскада в области верхних частот и переходные характеристи­ки в области малых времен. Площадь усиления резисторного каскада.

Применение цепей коррекции для увеличения площади усиления и получения частотных и переходных характеристик заданной формы.

Усилительный каскад с транзистором, включенным с общим кол­лектором и общим стоком. Эмиттерный и истоковый повторители.

Усилительный каскад с транзистором, включенным с общей базой.

Чувствительность характеристик резисторного каскада к изме­нению значений параметров его элементов.

Дифференциальный усилительный каскад. Основные свойства и расчет этого каскада. Коэффициенты усиления по дифференциальному и синфазному сигналам. Относительное ослабление синфазной состав­ляющей сигналов. Дифференциальные усилительные каскады с повышен­ным значением коэффициента усиления и входного сопротивления. Применение токового зеркала в дифференциальном каскаде.

Частотные искажения в области нижних частот и искажения вершины прямоугольного импульса, возникающие в резисторных каскадах переменного тока вследствие наличия разделительных конденсаторов и блокировочных конденсаторов в эмиттерной (истоковой) цепи уси­лительного элемента.

Входные каскады усилителей предварительного усиления и их шумовые свойства.

Выходные усилительные каскады.

Требования, предъявляемые к выходным каскадам усиления и особенности их расчета, обусловленные использованием большого участка передаточной характеристики, нелинейность которой необхо­димо учитывать.

Режимы работы усилительных элементов в усилительных каска­дах. Коэффициент полезного действия и допустимая мощность рассея­ния на транзисторе с учетом температуры окружающей среды и нали­чия радиатора.

Однотактные каскады. Построение выходных динамических характеристик. Определение нелинейных искажений.

Двухтактные оконечные каскады. Особенности работы и свой­ства двухтактных каскадов. Применение режимов В и АВ. Нелинейные искажения в двухтактных каскадах. Бестрансформаторные двухтак­тные каскады.

Операционные усилители. Значение операционных усилителей в современной радиоэлектро­нике. Основные показатели операционных усилителей и предъявляе­мые к ним требования. Типовые структуры и каскады операционных усилителей. Сдвиги нуля выходного напряжения и их компенсация. Макромодели операционных усилителей. Применение обратных связей для создания устройств аналоговой обработки сигналов. Обеспече­ние устойчивости операционных усилителей, охваченных обратной связью.

Инвертирующие и неинвертирующие усилители с заданным точ­ным значением коэффициента усиления; повторители напряжения. Устройства, осуществляющие суммирование, вычитание, дифференциро­вание, интегрирование, логарифмирование и антилогарифмирование. Аналоговые перемножители и делители. Основные применения.

Активные RC-фильтры. Аппроксимация амплитудно-частотных характеристик фильтров. Способы реализации активных RC-фильтров. Каскадная реализация фильтров на базе звеньев первого и второго порядков. Звенья фильтров, в которых используются частотно-зависимые цепи отрица­тельной или положительной обратной связи.

Заключение. Направления и перспективы развития аналоговых электронных устройств.

1.2.2. Примерный перечень тем лабораторных занятий

Исследование резисторного усилительного каскада на полевых транзисторах.

Исследование резисторного усилительного каскада на биполярных транзисторах.

Исследование импульсного усилителя.

Исследование двухтактного выходного каскада.

Исследование повторителей напряжения.

Исследование операционного усилителя.

Исследование аналоговых устройств, построенных на базе опе­рационных усилителей.

С точки зрения обеспечения эффективного усвоения материала курса при выполнении лабораторных работ важно, что­бы эти работы выполнялись студентами после проработки ими соот­ветствующего материала и усвоения порядка проведения эксперимен­тальной части работы. Поэтому допуск студентов к выполнению соот­ветствующей работы целесообразно осуществлять только после того, как они во время предварительного опроса покажут соответствующие знания.

1.2.3.  Курсовой проект

Каждому студенту выдается индивидуальное задание, связанное с разработкой несложного аналогового электронного устройства.

При выполнении курсового проекта студенты проводят предвари­тельный расчет и составляют структурную и принципиальную схемы разрабатываемого устройства. Исходя из общих требований, предъяв­ляемых к показателям этих устройств, формулируют требования к по­казателям их отдельных каскадов и цепей; выбирают и рассчитывают значения параметров радиокомпонентов, при которых обеспечиваются необходимые показатели и характеристики разрабатываемых ус­тройств, выбирают необходимые микросхемы. После выбора схемы и расчета значений параметров ее элементов производится расчет ос­новных показателей разработанного устройства и их сравнение с за­данными показателями. Этот расчет целесообразно проводить с по­мощью ЭВМ, используя пакеты программ анализа электронных цепей. Необходимо, чтобы при оформлении курсового проекта соблюдались требования ГОСТов ЕСКД.

1.3.Балльно-рейтинговая система оценки знаний.

При приобретении знаний основопологающим компонентом являются самостоятельные занятия студентов. Известный педагог отмечал, что при преобретении знаний дает положительные результаты самостоятельная работа обучающегося. Самые наилучшие учителя ничего не могут сделать, если сам учащийся или студент не будет заниматься.

Контроль над самостоятельной систематической работой студентов проводится с использованием балльно-рейтинговой системы. Балльно-рейтинговая система контроля знаний является элементом системы управления качеством образования, способствующим переходу к кредитной системе. Главное здесь - это накапливание (суммирование) в течение семестра количественных оценок, являющихся результатом учебной деятельности студента по каждому предмету. Рейтинговая система позволяет связать учебную и воспитательную составляющие образовательного процесса, повысить ритмичность работы студентов, соответствие их оценок реальным знаниям. Рейтинговая система оценки качества учебной работы студентов направлена на совершенствование образовательного процесса путем активизации самостоятельной работы, обеспечение планомерной, регулярной учебной работы студентов и текущего контроля успеваемости профессорско-преподавательским составом, повышение гласности и объективности оценки качества работы студентов за учебный семестр и год.

По нашей дисциплине каждый студент в течение четвертого и пятого семестров зарабатывает следующие рейтинговые баллы: 1 балл - за прослушивание одной лекции; 2 балла - за своевременное выполнение лабораторной работы; 3-5 баллов (оценка по пятибалльной системе) - за сдачу одного коллоквиума; до 5 баллов (оценка знаний по пятибалльной системе) - за текущую активность (устный ответ по конкретному вопросу); 10 (оценка 3), 15 (оценка 4), 20 (оценка 5) баллов - за своевременную защиту курсового проекта в пятом семестре.

Коллоквиумы проводятся во время лабораторных работ, в результате которых студент отвечает на вопросы соответствующего раздела и получает оценку по пятибалльной системе. Оценка за сдачу коллоквиума нужна, прежде всего, студенту для определения глубины своих знаний и, вполне естественно, эти оценки используются для текущего контроля знаний студентов со стороны кафедры и деканата. По этим баллам определяются результаты аттестации, они учитываются при выставлении окончательной экзаменационной оценки. Это вполне логично, на экзамене студент отвечает на 3-4 вопроса и имеет ограниченное время для собеседования с преподавателем, поэтому может быть элемент случайности. Трудно проверить умение самостоятельно применить полученные знания в практической работе, поэтому учет оценок текущей самостоятельной работы лишь повысит достоверность их. Более того, балльно-рейтинговая система предусматривает проставление зачета и экзамена студентам, которые получают отличные оценки за коллоквиумы в течение семестра. Студенты, не сдавшие коллоквиум, к выполнению лабораторных работ не допускаются. Порядок проведения лабораторных занятий подробно будет изложен перед лабораторной работой.

В четвертом семестре по учебному плану студенты прослушивают 9 лекций, выполняют три лабораторные работы и сдают три коллоквиума. Следовательно, максимально рейтинговый балл в четвертом семестре студент может заработать: 9+6+15+5=35. Студент, набравший за четвертый семестр 31 балл, получает зачет автоматически.

В пятом семестре – 13 лекций; 4 лабораторные работы, четыре коллоквиума и защита курсового проекта. Таким образом, максимальный рейтинговый балл за пятый семестр: 13+8+20+20+5=66. В ходе изучения курса «Схемотехника аналоговых электронных устройств» каждый студент выступает с ответом по конкретному вопросу, качество которого оценивается по пятибалльной системе. Всего за четвертый и пятый семестры каждый студент может заработать 101 балл. Студент, набравший за два семестра 91 балл, получает автоматически оценку «отлично» за экзамен.

1.4.Рекомендуемая литература.

1.  , Ногин аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов – 2-е изд., исправ. – М.: Горячая линия – Телком, 2001.

2.  Пряников аналоговых электронных устройств: Учебное пособие. 2-е изд., доп. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2001.

3. Цыкина усилители. М.: Радио и связь, 1982.

4. , Кубицкий усилители. М.: Радио и связь, 1983.

5. Войшвилло устройства. М.: Радио и связь, 1983.

6. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие / Под ред. . М.: Высш. шк., 1982.

7. Проектирование транзисторных усилителей звуковых частот: Учеб. пособие / Под ред. . М.: Радио и связь,1987.

8. , Войшвилло устройства: Сб. задач и упражнений. М.: Радио и связь, 1986.

9. Кубицкий и упражнения по электронным усилителям. М.: Радио и связь, 1986.

10. Варшавер и проектирование импульсных усилителей. М.: Высш. шк., 1979.

11. Остапенко устройства. М.: Радио и связь, 1989.

12. Цыкина транзисторных усилителей низкой частоты. М.: Связь, 1967.

13. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Метод. указания к курсовому проекту / Сост. ; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2001.

Лекция 2

Качественные показатели и характеристики

аналоговых электронных устройств.

2.1. Основные определения

В курсе "Схемотехника аналоговых электронных устройств" рассматриваются основы аналоговой схемотехники, т. е. принципы пос­троения аналоговых электронных устройств. АЭУ предназначе­ны для аналоговой обработки сигналов. К ним относятся широкий класс усилительных устройств, дифференцирующие и интегрирующие устройства, логарифмирующие усилители, суммирующие и вычитываю­щие устройства и различного рода преобразователи. В курсе АЭУ подробно рассматриваются обеспечение режима и стабилизация рабо­чей точки, использование различных видов обратной связи.

Схемотехника аналоговых электронных устройств базируется на дисциплинах "Основы теории цепей", "Радиотехнические цепи и сигналы", "Электроника". Без твердого усвоения принци­пов построения АЭУ невозможно освоить специальные дисциплины.

Рассмотрим общую структурную схему АЭУ, которая приведена на рис.2.1. В состав аналоговых электронных устройств входит широкий класс усилителей. Усилителем называется устройство, управляющее переда­чей усиленной энергии от источника питания в нагрузку. Другими словами, усиление сигнала представляет собой процесс преобразова­ния энергии источника питания в результате воздействия на него усиливаемого сигнала через усилительный элемент. Усиливаемый сигнал с незначительной мощностью Рвых управляет мощностью источни­ка питания Ро, отдавая часть этой энергии Рвых в нагрузку.

Рис.2.1. Общая структурная схема АЭУ.

Устройство, с которого снимается усиливаемый сигнал, назы­вается источником сигнала. В радиовещательной аппаратуре источником сигнала могут служить приемная антенна, предыдущий каскад приемника, микрофон, звукосниматель и т. д. Устройство, яв­ляющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой уси­лителя. Нагрузкой усилителя могут быть акустическая система, телефон, последующий каскад усилителя и т. д. Источник управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемого сигнала, назы­вают источником питания.

В свою очередь усилительное устройство состоит из входного, предварительного и выходного каскадов, рис. 2.2.

Рис.2.2. Структурная схема усилителя

Входной каскад кроме функции усиления выполняет функцию согласования с источником сигнала. Предварительные каскады предназначены для усиления сигнала по напряжению. Выходной каскад, как правило, усиливает сигнал по мощности и выполняет функцию согласования усилителя с внешней нагрузкой.

Усилительный каскад можно рассматривать как линейный четырехполюсник, имеющий пару входных и пару выходных зажимов, рис.2.3.

Рис.2.3. Функциональная схема усилительного устройства.

На основании теоремы эквивалентных схем любой источ­ник сигнала, а также выходную цепь усилителя можно охарактеризо­вать напряжением холостого хода Ес и сопротивлением источника сигнала Rс. Источник сигнала подключается к входным клеммам усилителя.

2.2. Входные и выходные показатели.

Со стороны входа усилитель характеризуется входным сопротив­лением Zвх, который имеет в общем случае комплексный характер. Обычно Zвх представляет собой параллельное соединение активной составляющей Rвх и реактивной составляющей, обусловленной вход­ной емкостью Cвх. Таким образом, входная цепь усилителя характе­ризуется входным напряжением Uвх, входным током Iвх, входным соп­ротивлением Rвх, а также входной мощностью Pвх.

Выходная цепь усилителя, в которую подключается нагрузка, характеризуется эквивалентной схемой, состоящей из генератора ЭДС и выходного сопротивления Rвых (генератора тока SUвх и вы­ходной проводимости Gвых), а также сопротивлением нагрузки Rн. По этим параметрам легко определить основные выходные данные усили­теля: выходное напряжение Uвых усиленного сигнала на нагрузке, выходной ток Iвых и полезную выходную мощность Рвых, отдаваемую усилителем в нагрузку.

Хотя выходное сопротивление и сопротивление нагрузки в общем случае имеют комплексный характер, но в рабочей по­лосе частот усилителя эти сопротивления можно считать чисто ак­тивными Rвых и Rн. При этом условии выходная мощность и напряже­ние усиленного сигнала на нагрузке определяются выражениями

(2.1)

Выходная мощность, отвечающая заданной норме нелинейных искажений, называется номинальной.

Типовым значением сопротивления нагрузки Rн современных акустических систем является Rн=8 Ом. Высокая верность воспроизведения акустических систем или громкоговорителя может быт только при эффективном демпфировании свободных колебаний подвиж­ной части. Это возможно лишь в случае выполнения условия Rвых<Rн. Поэтому для современных высококачественных усилителей вводят понятие коэффициента демпфирования, определяемого отношением

(2.2)

2.3.Коэффициент усиления.

Известно, что любой четырехполюсник характеризуется ком­плексным коэффициентом передачи

, (2.3)

который определяется как отношение комплексных амплитуд выходно­го и входного напряжений или токов. Комплексный коэффициент пере­дачи для усилителей представляет собой функцию от частоты.

Частотную передаточную функцию удобно представлять в форме

(2.4)

где - модуль комплексного коэффициента усиления;

- сдвиг фазы между входным и выходным напряжениями. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой или просто частот­ной характеристикой, а - фазочастотной или фазовой харак­теристикой усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению

(2.5)

представляет собой безразмерное отношение комплексных амплитуд или отношение эффективных значений напряжений сигнала на выходе и на входе.

Соответственно представляется комплексный коэффициент усиле­ния по току

(2.6)

Коэффициент усиления по мощности - величина всегда вещественная, так как она связана с модулями коэффициентов усиления напряжения и тока

(2.7)

В связи с тем, что восприятие слуховых органов человека под­чиняется логарифмическому закону, безразмерное значение коэф­фициента усиления на практике часто выражается в децибелах (дБ).

Если мощность возрастает от Pвх до Рвых, то восприятие громкос­ти человеком возрастает на величину

, (2.8)

которую условились выражать в белах (бел равняется 10 дБ). Таким образом, если мощность возрастает в 1000 раз, то логарифмическая величина усиления будет равна 3 Б или 30 дБ:

КpдБ = 10IgKp. (2.9)

Так как мощность пропорциональна квадрату напряжения или то­ка

, (2.10)

то формулы перехода для коэффициентов усиления по напряжению и по току имеют вид:

КдБ = 20 IgK; КIдБ = 20 IgK. (2.11)

Реже встречаются логарифмические единицы (неперы). Коэффи­циент усиления в этих единицах

Кнеп = ln К = КдБ/ 8,68 = 0,115 КдБ. (2.12)

Из указанных единиц наиболее распространенной в радиотехни­ке является децибел. Единица непер используется лишь в технике проводной связи.

2.4. Амплитудно-частотная характеристика.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя есть зависи­мость модуля коэффициента усиления от частоты , которая по­казывает неравномерность усиления различных составляющих. В лите­ратуре эту характеристику для краткости называют частотной харак­теристикой.

Более наглядное представление дает графическое изображение (рис.2.4) частотной характеристики , которая строится в по­лулогарифмическом масштабе. Идеальной характеристикой является прямая, параллельная горизонтальной оси (штриховая линия на рис. 2.4).

Рис.2.4. Амплитудно-частотная характеристика.

На практике из-за влияния реактивных элементов имеет место спад частотной характеристики в области низких и высоких частот.

По частотной характеристике определяют следующие количествен­ные показатели усилителей:

- верхняя fв и нижняя fн граничные частоты, на которых коэффициент усиления Кв=Кн=0,707К0=К0/, или частоты, на которых указаны другие допустимые частотные искажения;

- полоса пропускания усилителя или диапазон усиливаемых час­тот

П = fв- fн » fв ; (2.13)

- частотные искажения, вызываемые неодинаковым усилением различных частот. Эти искажения оцениваются коэффициентами час­тотных искажений на нижних и верхних частотах Мн и Мв, определяемых из следующих выражений:

Мн = К0 / Кн, Мв = К0 / Кв. (2.14)

Коэффициенты Мн и Мв обычно задаются в децибелах:

МндБ = 20 lgМн; МвдБ = 20 lgMв. (2.15)

Для высокочастотных стереофонических музыкальных центров коэффициент частотных искажений не превышает 1,2 дБ.

2.5.Фазовая характеристика.

Фазовой характеристикой называют зависимость угла сдвига фа­зы между выходным и входным напряжениями от частоты. При графическом построении обычно используют линейный масштаб и рас­сматривают отдельно на низких и высоких частотах, рис. 2.5.

Рис.2.5. Фазовая характеристика усилителя:

а – в области нижних частот; б - в области высоких частот

Фазо­вая характеристика позволяет оценить фазовые искажения Ф сигнала. Не всякий фазовый сдвиг создает искажения сигнала. Если фа­зовый сдвиг пропорционален частоте усиливаемого сигнала , то усилитель не имеет искажений формы усиливаемых сигналов, т. е. Ф=0. Следовательно, идеальной фазовой характеристикой усилите­ля является прямая, проходящая через начало координат под любым углом к горизонтальной оси. Поэтому фазовые искажения оценивают­ся не , а разностью ординат Ф фазовой характеристики и касате­льной к ней, проведенной через начало координат. На низких часто­тах эта прямая совпадает с горизонтальной осью и поэтому любой фазовый сдвиг создает фазовые искажения Фн =.

2.6. Амплитудная характеристика.

Амплитудная характеристика усилителя представляет собой за­висимость установившегося значения выходного напряжения от вход­ного. График амплитудной характеристики строится в линейном мас­штабе, рис.2.6.

Рис.2.6. Амплитудная характеристика.

Угол наклона амплитудной характеристики зависит от коэффициента усиления и определяется =arctgК. В рабочей области входных напряжений она обычно прямолинейна. При больших значениях амплитудная характеристика искривляется из-за пе­регрузки усилительного элемента, при малых значениях она от­клоняется вследствие наличия собственных помех усилителя. Обычно сигнал, поступающий на усилитель, не остается неизменным, а ме­няется от Uсmin до Uсmax.

Отношение Uсmax/Uсmin=Дс называется динамическим диапа­зоном сигнала, который часто задается в децибелах

ДсдБ=20lgUсmax/Uсmin (2.16)

Из амплитудной характеристики видно, что усилитель может усиливать сигнал при Uс > Uвхmin и Uс < Uвxmax.

Отношение Uвхmax/Uвхmin=Ду есть динамический диапазон усилителя. Для безыскаженного усиления должно быть удовлетворено следующее соотношение Ду>Дс. Собственные помехи Un состоят из нескольких составляющих: наводки, фон и внутренние шумы.

Наводками называют посторонние шумы напряжения, наводимые на цепи усилителя соседними приборами. Устранение наводок достигает­ся экранированием.

Фоном называют напряжение в выходной цепи усилителя с часто­той, кратной частоте сети переменного тока, питающей усилитель. Для устранения фона необходимо улучшить сглаживание напряжения источника питания с помощью стабилизаторов напряжения. Внутренние шумы рассмотрены в последней лекции.