Классификация электронных устройств.

Электронные устройства по способу формирования и обработки сигналов делятся на два больших класса – аналоговые и дискретные (импульсные).

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) предназначены для обработки электрических сигналов, которые являются непрерывной функцией времени y = f(t) или другой физической величины. К достоинствам АЭУ относятся простота схем и высокое быстродействие, к недостаткам - низкая помехоустойчивость, зависимость от внешних воздействий, трудность хранения аналоговой информации, низкая энергетическая эффективность.

Дискретные электронные устройства (ДЭУ) предназначены для обработки электрических сигналов импульсной формы, которые могут быть получены путем квантования аналогового сигнала по времени и амплитуде. Квантованием называется процесс замены непрерывного (аналогового) сигнала его значениями в определенные моменты времени.

Достоинствами ДЭУ являются:

использование ключевого режима работы схемы;

высокая импульсная мощность;

более высокая по сравнению с аналоговой системой обработки стабильность и помехоустойчивость.

К недостаткам относят частичную потерю информации.

Дискретные электронные устройства подразделяются на три вида - импульсные, релейные и цифровые.

Импульсные электронные устройства (ИЭУ) используют квантование сигнала в виде функции времени в импульсную последовательность, как правило, неизменной частоты. Процесс преобразования аналогового сигнала в импульсную последовательность называется импульсной модуляцией. На практике наибольшее распространение получили следующие виды модуляции:

амплитудно-импульсная (АИМ);

широтно-импульсная (ШИМ);

фазо-импульсная (ФИМ).

При АИМ изменяемым параметром является амплитуда, т. е. амплитуда импульсов в отдельные моменты времени соответствует амплитуде аналогового модулирующего сигнала U(t). U(nT_K) = f[n(Tх)] (рис. 1.1, а).

При широтно-импульсной модуляции информационным параметром является длительность импульса ширина импульса (рис. 1.1, в). t_и = f[x(nTк)].

 

 

 

 

Рис. 2. Квантование по времени и уровню

 

 

 

t

 

Рис. 3. Цифровое кодирование сигнала

 

 

 

Рис. 1. Квантование сигнала в импульсную последовательность

Для характеристики ШИМ могут быть использованы g-совокупность импульсной последовательности, которая определяется как отношение или коэффициент заполнения Кз = 1/g.

При фазо-импульсной модуляции изменяемым (модулируемым) параметром является расстояние между импульсами исходной последовательности и импульсами модулированного сигнала (рис. 1, г). j = f[Х(nTк)].

Релейные электронные устройства (РЭУ) обеспечивают квантование исходного аналогового сигнала U(t) по уровню и преобразуют его в ступенчатый сигнал (рис. 2).

Изменение уровня сигнала происходит в произвольные моменты времени, определяемые ограничениями nh и параметрами U(t). Амплитуды сигнала РЭУ и U(t) совпадают в отдельные моменты времени (рис. 2). РЭУ используются преимущественно в силовой преобразовательной технике и по сравнению с импульсными устройствами обладают более высоким быстродействием.

Цифровые электронные устройства (ЦЭУ) обеспечивают квантование входного сигнала U(t) как по времени, так и по амплитуде, поэтому в дискретные моменты времени цифровые сигналы приближенно соответствуют аналоговому U(t), рис. 3. Чем больше уровней дискретизации, тем точнее будут соответствовать ЦС аналоговым.

Процесс преобразования дискретных уровней сигнала в числовые значения называется кодированием, а последовательность полученных чисел - кодом сигнала. Таким образом, последовательность преобразования сигнала можно заменить последовательностью обработки кодов сигнала. Устройства, обеспечивающие преобразование, передачу и обработку кодов (кодированной информации, которая определенным образом связана с аналоговым сигналом), называются цифровыми устройствами.

Достоинства ЦЭУ:

высокая помехоустойчивость;

высокая надежность;

возможность длительного хранения информации без ее потери;

энергетическая эффективность;

высокая технологичность и повторяемость устройств, практически не требующая настройки.

Недостатки ЦЭУ:

низкое быстродействие по сравнению с АЭУ;

частичная потеря информации;

работа, как правило, не в реальном времени;

низкая точность.

3. Электронные усилители. Классификация усилителей.

усилителем называют устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала без изменения его формы. Превышение мощности, выделяемой в нагрузке усилителя, над мощностью сигнала, подаваемого на его вход, осуществляется за счет энергии источника питания. Входной сигнал управляет передачей энергии от источника к нагрузке. Структурная схема электронного усилителя приведена на рис. 1. На рис. 2 приведены схемы замещения усилителя.

 

 

Рис. 1. Структурная схема электронного усилителя

 

 

 

 

а б

Рис. 2. Схемы замещения усилителя

 

Источник входного сигнала подключен параллельно входному сопротивлению R_вх = U_вх/I_вх. Со стороны выхода усилитель можно представить генератором напряжения или тока с внутренним сопротивлением R_вых.

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника входного сигнала (генератора) R_г и входного сопротивления усилителя R_вх источник входного сигнала может работать в режиме холостого хода (х.х.), если R_вх >> R_г, короткого замыкания (к.з.) при R_вх << R_г и в режиме согласования при R_вх» R_г.

По соотношению R_вых и R_вх усилители подразделяются на усилители:

с потенциальным выходом, если R_н >> R_вых;

с токовым выходом, если R_вых >> R_н;

с мощностным выходом, при R_вых» R_н.

Поэтому различают усилители по напряжению, току и мощности. Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными рис. 3.

 

Рис. 3. Многокаскадный усилитель

 

Первый каскад называется входным, предпоследний (n – 1-й) – предоконечным, последний – оконечным. Связи между каскадами различают емкостную, трансформаторную и гальваническую.

 

Классификация усилителей

Усилители различают:

1) по виду усиливаемого сигнала – усилители постоянного тока (УПТ), усилители гармонического и импульсного сигналов;

2) по виду усиливаемой величины – усилители напряжения, тока и мощности;

3) по диапазону усиливаемых частот – усилитель постоянного тока, усилители переменного тока подразделяются; усилители низких частот (УНЧ),усилители высоких частот (УВЧ), усилители СВЧ-диапазона, оптические усилители, широкополосные, узкополосные, избирательные усилители, усилители с управляемой полосой усиливаемых частот;

4) по виду соединения между каскадами в многокаскадных усилителях различают – усилители с гальванической, емкостной и трансформаторной связью. Связь по постоянному току обеспечивается только при наличии гальванической связи;

5) по виду нагрузки – усилители с активной, емкостной и индуктивной нагрузкой;

6) резонансные усилители (в процессе усиления используются резонансные системы);

7) по способу усиления – электронные, магнитные, электромашинные, оптические или квантовые, параметрические усилители.

 

4. Основные параметры усилителей.

Работа усилителя оценивается следующими параметрами:

1. Коэффициент усиления .

Иногда коэффициент усиления выражают в логарифмических единицах дБ.

Учитывая, что в устройствах автоматики и связи пределы изменения мощности, напряжения и тока достаточно велики (несколько порядков), то для упрощения расчетов вводится понятие «уровень» Различают абсолютные и относительные уровни. Абсолютные уровни определяются относительно одноименных величин принятых за единицу, Р_o, U₀, I₀.

В соответствие с международными соглашениями (МККТТ) принято Р₀ = 1 мВт, U₀ и I₀ определяются для заданного сопротивления, например, для R₀ = 600 Ом, I₀ = 1,29×10^-3 А, U₀ = 0,775 В., при этом Р₀ = I₀ U₀ = 1мВт.

Абсолютные уровни определяются как логарифм отношения,

А_P(дБ) = 10lg P/P₀, A_U(дБ) = 20 lg U/U₀, A_I(дБ) = 20 lg I/I₀.

Если Z_вх = Z_вых, то относительные уровни равны разности абсолютных.

Если Z_вх ≠ Z_вых, то относительные уровни определяются с учетом неравенства этих сопротивлений.

Важнейшими параметрами усилителя являются входное и выходное сопротивления, их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства, как с источником сигнала, так и с нагрузкой:

при R_н = const;

,

где напряжение и ток на выходе усилителя при подключенной нагрузке.

Часто интересуются только активными составляющими входных и выходных сопротивлений.

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя:

 

К₀ = К₁К₂К₃ … К_n;

К₀(дБ) = К₁(дБ) + К₂(дБ) + … + К_n(дБ),

 

где К₁, К₂, … К_n - коэффициенты усиления отдельных каскадов.

2. Выходная мощность усилителя - мощность, выделяемая на нагрузке с заданным коэффициентом нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

3. Чувствительность усилителя – минимальное значение входного сигнала, при котором обеспечивается номинальное значение выходной мощности.

4. Амплитудная характеристика усилителя – зависимость К_U = f(U_вх) при f = const.

 

Рис. 4. Амплитудная характеристика усилителя

 

5. Динамический диапазон – отношение U_{вх max} к U_{вх min}:

 

.

 

Динамический диапазон обеспечивает работу усилителя на линейном участке амплитудной характеристики.

 

6. Частотная характеристика усилителя – К_U = F(f) при U_вх = const.

 

Рис. 5. Частотная характеристика усилителя

 

7. Диапазон усиливаемых частот – полоса частот Df = f_в – f_н, в пределах которой коэффициент усиления не выходит за заданные пределы. Как правило, диапазон частот определяется по уровню 3 дБ или в 1,41 раза.

8. Коэффициент частотных искажений:

 

 

9. Нелинейные искажения проявляются в том, что при усилении спектрально чистого синусоидального сигнала выходной сигнал не является синусоидальным. В выходном сигнале кроме основной гармоники, имеющей частоту входного сигнала, появляются высшие гармонические составляющие.

Для иллюстрации возникновения нелинейных искажений запишем квадратичную зависимость тока базы I_б от напряжения база – эмиттер U_б-э:

 

I_б = f(U_б) = А(U_б0 + U_вх)²,

 

где А – постоянный коэффициент, имеющий размерность проводимости.

 

; .

Таким образом, при аппроксимации входной характеристики квадратичной зависимостью на выходе появляются составляющие с удвоенной частотой входного сигнала. При наличии нелинейных искажений напряжение или ток первой гармоники является полезным сигналом, а все остальные составляющие – следствием нелинейных искажений.

10. Уровень нелинейных искажений пропорционален мощности высших гармонических составляющих и при усилении синусоидального сигнала оценивается или коэффициентом нелинейных искажений К_ни или коэффициентом гармоник К_г.

 

 

11. Линейные искажения (частотные) обусловлены зависимостью от частоты коэффициента усиления, реактивных составляющих схемы. Уровень линейных искажений не зависит от амплитуды сигнала, а зависит только от частоты. В общем случае:

.

 

На практике отдельно рассматривают модуль и аргумент коэффициента усиления (АЧХ и ФЧХ).

12. Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, но вызывают изменение формы сигнала из-за фазового сдвига отдельных гармонических составляющих сигнала.

Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Частотные и фазовые искажения обусловлены одними и теми же причинами и проявляются одновременно. Большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые и наоборот

 

 

5. Понятие о классах усиления

В зависимости от величины и знака напряжения смещения U_см и напряжения входного сигнала U_с существует несколько принципиально различных режимов работы усилителя, называемых классами.