Принципы построения аналоговых электронных устройств
Аналоговое электронное устройство – это устройство, которое предназначено для обработки и усиления сигналов, изменяющихся по тому же закону, что и описываемые ими физические процессы.
Как правило, когда усиление, которое получают от одного усилительного элемента (электронная лампа, транзистор), оказывается недостаточным, то тогда используют более развитый усилитель, состоящий из нескольких активных элементов связи и усилительных элементов. В качестве элементов связи могут выступать:
- Переходные устройства.
- Сопротивления.
- Цепи стабилизации исходного режима работы.
- Цепи питания.
Усилительный активный элемент с элементами связи называется каскадом. В состав усилителя могут входить несколько каскадов, каждый из которых выполняет определенные функции. На рисунке ниже представлен пример структурной схемы усилителя, который состоит из четырех каскадов.
Рисунок 1. Пример структурной схемы усилителя, который состоит из четырех каскадов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Здесь: 1 - источник сигнала; 2,3 - каскады предварительного усиления; 4 - предоконечный каскад; 5 - оконечный каскад; 6 - нагрузка; 7 - петля общей отрицательной обратной связи.
Входной сигнал поступает от источника. Основная функция каскадов предварительного усиления заключается в усилении напряжения. Данные каскады функционируют в режиме малого сигнала - линейный режим. К этим каскадам предъявляются требования по обеспечению равномерной амплитудно-частотной характеристики, которая необходима согласно технического задания динамического диапазона. Предоконечным каскадом обеспечивается сигнал на выходе, который достаточен по мощности и напряжению для возбуждения транзисторов оконечного каскада. Такой каскад работает в режиме достаточно большого сигнала. Оконечным каскадом в нагрузку выделяется полезная мощность.
Усилительные элементы вышеописанного каскада работают в нелинейном режиме - режиме большого сигнала, поэтому к оконечному каскаду предъявляются требования по обеспечению необходимых (согласно техническому заданию) нелинейных искажений. Искажения, которые вносятся оконечными каскадами (и частично предоконечными), могут быть снижены благодаря охвату каскада петлей общей отрицательной обратной связи.
Классификация аналоговых электронных устройств, их основные параметры
Основной процесс, происходящий в аналоговых усилительных устройствах, - усиление.
Усиление – это процесс преобразования энергии местного источника, вызываемый действием сигнала и сопровождающийся увеличением его мощности.
В аналоговых электронных устройствах процесс усиления по мощности, как правило, сопровождается усилением по электрическому току и напряжению. Но иногда усиление по напряжению или электрическому току отсутствует, а усиление по мощности имеет место быть всегда. Аналоговые электронные усилители делятся на:
- Усилители низкой частоты.
- Усилители высокой частоты.
Под усилителями низкой частоты подразумеваются устройства, которые используются для усиления не преобразованного спектра сигналов. Для них отношение высших и низших частот рабочего диапазона имеет порядок от десятков до миллионов. Усилители высоких частот используются для усиления модулированных радиосигналов, а отношение высших и низших частот рабочего диапазона не превышает 1,1.
К усилителям низкой частоты относятся импульсные усилители различного назначения, усилители постоянного электрического тока, широкополосные усилители, усилители гармонических колебаний, усилители звуковой частоты и т.п. Частотный спектр звуковых усилителей соответствует спектру слышимых звуков, характеризующийся диапазоном от 30 до 12000 герц.
Широкополосные усилители нашли широкое распространение в измерительной аппаратуре (осциллографы, вольтметры, широкополосные генераторы). Они рассчитаны на работу в полосе частот от десятков герц до десятков мегагерц. Спектр частот, который необходим для неискаженного усиления различных импульсов, напрямую зависит от длительности и формы этих импульсов. Например, для видеоусилителей нужный спектр частот имеет такой же порядок, как и у широкополосных усилителей гармонических колебаний.
Высокочастотные усилители, имеющие резонансные контуры или полосовые фильтры, представляют собой, как правило, высокочастотные тракты радиоприемных и радиопередающих устройств разнообразного назначения (усилители промежуточной и высокой частот).
Основными энергетическими параметрами аналоговых усилительных устройств являются: коэффициент усиления по мощности, коэффициент полезного действия, коэффициент усиления по напряжению и коэффициент усиления по электрическому току. Коэффициент усиления по мощности может быть рассчитан по следующей формуле:
$Кр = Р2/Р1$
где: Р2 - мощность выделяемая в нагрузке; Р1 - мощность сигнала.
Коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле:
$n = Р2/Р0$
где Р0 - мощность, которая потребляется от источника питания.
Коэффициент усиления по напряжению рассчитывается следующим образом
$Кu = U2/U1$
где U2, U1 - напряжение в выходной и входной цепях усилителя
Для расчета коэффициент усиления по электрическому току применяется следующая формула:
$Ki = I2/I1$
где I2, I1 - амплитудные значения тока в выходной и входной цепях усилителя
