Усилители - раздел Изобретательство, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ
Для Увеличения Мощности Сигналов С Сохранение...
Для увеличения мощности сигналов с сохранением их формы используют усилители. Принцип действия усилителей основан на преобразовании энергии источника питания в энергию сигнала. Основную функцию преобразователя энергии выполняет усилительный элемент, способный с помощью небольшого входного сигнала управлять большой энергией источника питания. В качестве усилительного элемента используются электронные лампы, транзисторы, пара- метрические устройства и др. Усилительный элемент в сочетании с необходи- мыми для его работы элементами (сопротивлениями, конденсаторами, катуш- ками индуктивности) представляет собой одну ступень усиления, называемую усилительным каскадом.
В зависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока или мощности. Однако такое разделение условно, так как в любом случае в конечном счете усиливается мощность сигнала.
Среди большого разнообразия типов усилителей, классификацию которых осуществляют по различным признакам [12], наибольший интерес с позиций спектрального анализа представляют усилители с ярко выраженными частот- ными свойствами. Среди них особого внимания заслуживают усилители широ- кополосные (импульсные) и узкополосные (избирательные).
К широкополосным относят усилители, ширина полосы пропускания кото- рых соизмерима со средней частотой этой полосы. Они предназначены для уси- ления импульсных сигналов различной формы в частности, телевизионных ви- деосигналов. В структуре этих усилителей отсутствуют резонансные цепи. За- метим, что усилители звуковых частот также являются широкополосными, од- нако их выделяют в отдельный класс.
Узкополосные усилители работают в узкой полосе частот и делятся на ре- зонансные и полосовые усилители. В резонансных усилителях нагрузкой слу- жит колебательный контур, в полосовых – полосовой фильтр.
Рассмотрим схемы и частотные характеристики этих усилителей.
5.6.1. Широкополосный усилитель
На рис. 5.6 изображены схема усилителя на полевом (МДП) транзисторе с общим истоком и его эквивалентная схема.
Назначение элементов схемы усилителя:
конденсаторы
C p1 и
C p2
– разделительные, блокируют протекание посто-
янного тока, обеспечивая прохождение только переменных составляющих входного и выходного сигналов;
резисторы
R1 и
R2 образуют делитель напряжения для подачи на затвор
транзистора напряжения рабочей точки;
резистор Rи
и конденсатор Cи
– цепь отрицательной обратной связи для
термостабилизации режима работы усилителя по постоянному току;
сопротивление
Rсн
= RсRн
Rс + Rн
– нагрузка усилителя;
тах.
емкость Сп
– паразитная емкость, которая проявляется на высоких часто-
Усилитель нагружен на параллельно соединенные сопротивление
Rсн и
емкость
Сп. Такую нагрузку называют апериодической. Поэтому такие усили-
тели часто называют апериодическими.
Рис. 5.6. Апериодический усилитель (а) и его эквивалентная схема (б)
Процесс усиления входного сигнала данным усилителем с использованием сток-затворной характеристики транзистора поясняется рис. 5.7.
Рис. 5.7. Графическая иллюстрация процесса усиления
При отсутствии входного напряжения (в режиме покоя) напряжение на за-
творе равно напряжению смещения, в цепи стока проходит ток покоя
ico . На-
пряжение на стоке постоянно и равно
равно нулю.
uco
= Ec
− icoRc. Выходное напряжение
При поступлении на вход усилителя входного сигнала
uвх(t) = E sin ωt на
затворе транзистора будет действовать напряжение
uзи(t) = U зо + E sin ωt . Ток
стока начинает изменяться по синусоидальному закону при этом напряжение на стоке равно
ic (t) = ico + I 0 sin ωt ,
uс(t) = Ec −ic (t)Rc
= Ec −ico Rc − I 0Rc sin ωt .
Постоянная составляющая не проходит через разделительный конденсатор
C p2 , и на выходе усилительного каскада будет напряжение
uвых(t) = −I 0Rc sin ωt .
При определенном значении сопротивления
Rc и соответствующей кру-
тизне сток-затворной характеристики транзистора амплитуда выходного на-
пряжения
I 0R c
может превышать амплитуду входного сигнала E . Следует об-
ратить внимание на то, что выходной сигнал в схеме с общим истоком находит-
ся в противофазе входному сигналу.
Определим частотный коэффициент передачи усилителя, пользуясь его эк- вивалентной схемой (см. рис. 5.6,б). На этой схеме изображена эквивалентная схема транзистора, содержащая следующие параметры:
ра;
емкость
Cси
(сток-исток) – межэлектродная выходная емкость транзисто-
сопротивление
Rвх
– входное сопротивление транзистора;
усилительные свойства транзистора отражены генератором тока
SU1 с
внутренним сопротивлением
характеристики S .
Ri и крутизной вольт-амперной (сток-затворной)
Делитель в цепи затвора представлен сопротивлением
Rд, нагрузка – со-
противлением
Rсн.
Анализ эквивалентной схемы усилителя позволяет записать выражение для частотного коэффициента передачи усилителя следующим образом:
K( jω) = − SU1Zвых(jω),
Uвх
SUвхK вх ( jω)Z вых( jω)
K ( jω) = −
В этом выражении
Uвх
= −SK вх ( jω)Z вых( jω) . (5.6)
Kвх( jω) =
jωτ1
– частотный коэффициент передачи входной цепи, со-
1 + jωτ1
стоящей из разделительной емкости
С р1 и сопротивления делителя
Rд, причем
τ1 = RдC р1 – постоянная времени входной цепи;
Z ( jω) =
Rсн
– частотный коэффициент передачи выходной цепи,
вых
1 + jωτ2
состоящей из паразитной емкости
Сп, выходной емкости транзистора
Cси и
сопротивления нагрузки ни выходной цепи.
Rсн, причем τ2
= Rсн(Cси
+Cп)
– постоянная време-
При получении данного выражения учитывалось, что у полевых транзи-
сторов
Rвх
>> Rд, Ri
>> Rсн.
Таким образом,
K ( jω) = −
SRсн jωτ1 = −
SRсн jωτ1 .
(1 +
jωτ1)(1 +
jωτ2)
1 + jωτ1 +
jωτ2 −ω
τ1τ2
Из физических соображений очевидно, что τ1 >>τ2 . Тогда
K ( jω) = −
SRсн
1 +1 + τ2 +
= −
jωτ2 1 +
К0 .
1 + jωτ2
jωτ1 τ1
jωτ1
Здесь
K0 = SRсн
– максимальный коэффициент усиления.
Анализ этого выражения целесообразно производить отдельно для ниж-
них, средних и верхних частот.
Все темы данного раздела:
Радиотехника и информатика
Для современного общества важнейшей является проблема использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. По своей значимости и актуаль
Диоинформатика.
Информационный аспект работы любой системы предполагает использо- вание определенного материального носителя информации. Физический про- цесс, являющийся функцией некоторых параметров и используемы
Передающее устройство
Передающее устройство осуществляет преобразование передаваемого со- общения и приведение его к виду, пригодному для передачи в свободное про- странство с помощью антенн. С этой целью в состав устро
Приемное устройство
Высокочастотные радиосигналы, улавливаемые приемной антенной, по- ступают в приемное устройство. Приемное устройство осуществляет соответст- вующие преобразования принятого высокочастотного сигнала
Проблемы обнаружения и оптимальной обработки сигналов
Одной из основных задач радиолокационного приема является задача об- наружения. Суть этой задачи – определить, содержит ли принимаемое колеба- ние отраженный сигнал. Задача статистическая, то есть
Проблемы оптимизации и адаптации
Проблемы оптимизации и адаптации решаются при проектировании и экс- плуатации РТС. При оптимизации синтезируют наилучшую в определенном смысле функциональную и алгоритмическую структуру РТС, опирая
Математические модели сигналов
Для того чтобы сигналы являлись объектами теоретического изучения и анализа, необходимо иметь их математические модели. Математическая модель сигнала – это формализованное его представление в
Дельта-функция
Дельта-функция (δ -функция, функция Дирака) – это математическая мо-
дель реально не существующего сигнала, который имеет бесконечную по вели-
чине амплитуду и нулевую д
Функция единичного скачка
τ → 0τ
Функция единичного скачка (функция Хевисайда) описывает процесс рез- кого (мгновенного) перехода ф
Характеристики сигналов
Для сигнала, существующего в интервале
∆t = t2 −t1 , наиболее важными
являются следующие характерис
Геометрические методы в теории сигналов
В теории множеств имеется понятие действительного векторного про- странства, под которым понимается непустое множество V , для элементов ко- торого опр
Определение спектров некоторых сигналов
3.4.1. Спектр колоколообразного (гауссова) импульса
Сигнал, описываемый функцией вида
Корреляционный анализ сигналов
3.5.1. Общие положения
При решении многих задач оптимальной обработки сигналов возникает потребность определять степе
Свойства взаимокорреляционной функции
1. Значения
R12 (τ)
и R 21(τ)
не изменятся, если вместо задержки сигнала
s2 (t )
или
Дискретизация и восстановление сигналов по теореме отсчетов
(теореме Котельникова)
3.6.1. Теорема Котельникова
В настоящее время широко применяются циф
Рез равные промежутки времени
∆t ≤1 2 f m .
Справедливость теоремы подтверждается тем, что сигнал
s(t), спектр ко-
торог
Определение коэффициентов ряда
Значение коэффициентов Ck
определим, пользуясь формулой
Ck =
∞
Радиосигналы с амплитудной модуляцией
4.2.1. Амплитудно-модулированные сигналы
Амплитудная модуляция (АМ; английский термин – amplitude modulation) являетс
Радиосигналы с угловой модуляцией
4.3.1. Общие сведения об угловой модуляции
При угловой модуляции (английский термин – angle modulation) происхо- дит изменен
Импульсная модуляция
4.4.1. Виды импульсной модуляции
В рассмотренных выше видах модуляции (АМ, ФМ, ЧМ) носителем пере- даваемой информаци
Узкополосные сигналы
4.5.1. Общие сведения об узкополосных сигналах
В различных системах передачи информации широко применяются радио- сиг
Основные характеристики линейных цепей
5.2.1. Характеристики в частотной области
Спектральное представление сигналов делает весьма удобным их анализ в часто
Дифференцирующая и интегрирующая цепи
На рис. 5.1,а представлена схема линейного четырехполюсника в виде по-
следовательной RC -цепи с постоянной времени τ
= RC
Фильтр нижних частот
В качестве фильтра нижних частот во многих радиотехнических устройст- вах (выпрямителях, детекторах и др.) применяется схема, изображенная на рис. 5.3,а.
Ча
Параллельный колебательный контур
Параллельный колебательный контур – это частотно-избирательная цепь,
образованная параллельным соединением индуктивности L и емкости C . Ак-
Область нижних частот
В области нижних частот сопротивление емкости
xc =1 ωC
имеет боль-
шое значение по сравнению со значения
Область верхних частот
В области верхних частот сопротивления емкостей уменьшаются по срав-
нению с их значениями в области нижних и средних частот. Поэтому шунти-
рующим действием емкостей
Положительная обратная связь
Обеспечивается при условии
ϕ(ω) +ϕβ (ω) = 2kπ , где k – целое число, т.е.
при поступлении на вход основной цепи сигнала
Отрицательная обратная связь
Обеспечивается при условии
ϕ(ω)+ϕβ (ω) = (2k +1)π , т.е. при поступле-
нии на вход основной цепи сигнала обратной связи в проти
Реактивная и комплексная обратная связь
Реактивная обратная связь устанавливается при условии
ϕ(ω) +ϕβ (ω) = 2kπ +π
Постановка задачи
Анализ любой радиотехнической цепи сводится к установлению зависимо- сти между входным сигналом и сигналом, формируемым на выходе. В общем случае радиотехническая це
Точные методы анализа линейных цепей
6.2.1. Классический метод
Классический метод основан на составлении и решении линейного диффе- ренциального уравнения
Прохождение периодического сигнала через линейную цепь
Спектр периодического сигнала определяется путем разложения сигнала в ряд Фурье, комплексная форма которого имеет вид
∞
1 T 2
Прохождение непериодического сигнала через линейную цепь
Спектр непериодического сигнала (спектральная плотность) определяется путем вычисления прямого преобразования Фурье
∞
S( jω) =
∫
Приближенные методы анализа линейных цепей
6.3.1. Приближенный спектральный метод
Приближенный спектральный метод применяется в случае, если эффек-
Суть метода
Рассматриваем прохождение сигнала с частотной модуляцией через узко-
полосную цепь. Выходной сигнал определяется для фиксированного значения
частоты
ω(t
Прохождение амплитудно-модулированного сигнала через избирательную цепь
Определим сигнал, формируемый резонансным усилителем, при поступле-
нии на его вход АМ–сигнала с тональной модуляцией.
Частотная характеристика рез
Свойства и характеристики нелинейных цепей
При проектировании большинства радиотехнических устройств возникает необходимость преобразования спектра полезного сигнала. К их числу относят- ся устройства, которы
Способы аппроксимации характеристик нелинейных элементов
Характеристики реальных нелинейных элементов, которые определяют обычно с помощью экспериментальных исследований, имеют сложный вид и представляются в виде таблиц или графиков. В то же время д
Методы анализа нелинейных цепей
Используются следующие методы анализа нелинейных цепей:
1. Аналитические. Позволяют в каждом конкретном случае получить ча-
Общее решение задачи анализа нелинейной цепи
Рассмотрим процессы, происходящие в безынерционном нелинейном уст- ройстве, характеристика которого представлена на рис. 7.2. На вход устройства поступает гармоничес
Определение спектра тока в нелинейной цепи при степенной аппроксимации характеристики
7.5.1. Гармонический сигнал на входе
Предположим, что рабочий участок характеристики нелинейного элемента описывается
Определение спектра тока в нелинейной цепи при кусочно-линейной аппроксимации характеристики
При воздействии на нелинейный элемент сигнала с большой амплитудой и выборе рабочей точки на нижнем изгибе вольт-амперной характеристики целе- сообразно применить ме
Нелинейное резонансное усиление сигналов
Усилитель – это устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию сигнала. Управление преобразованием осуществляется входным сиг-
налом
Умножение частоты
В передающих и приемных трактах систем связи, а также в некоторых из- мерительных устройствах широко применяется нелинейное преобразование гармонического колебания, в результате которого часто
Амплитудная модуляция
8.3.1. Общие сведения об амплитудной модуляции
Амплитудная модуляция – это процесс формирования амплитудно-моду- лиро
Амплитудное детектирование
8.4.1. Общие сведения о детектировании
Детектирование (демодуляция) – это процесс преобразования высокочас- тотного м
Выпрямление колебаний
8.5.1. Общие сведения о выпрямителях
Радиотехнические устройства выполняют свои функции при наличии энер- гии, поступ
Угловая модуляция
8.6.1. Общие принципы получения сигналов с угловой модуляцией
Радиосигналы с угловой модуляцией имеют вид
Детектирование сигналов с угловой модуляцией
8.7.1. Общие принципы детектирования сигналов с угловой модуляцией
Радиосигналы с угловой модуляцией, имеющие вид
Преобразование частоты
8.8.1. Принцип преобразования частоты
Преобразование частоты сигнала – это процесс, который обеспечивает ли- нейный перенос спектра сигнала на о
Новости и инфо для студентов