Энергетическое представление АЭУ

Классификация и область применения АЭУ

Основные определения и классификация электронных устройств

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ

Лекция 1

Все электронные устройства принято подразделять на два класса: аналоговые и цифровые.

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) – это устройства, предназначенные усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Следует различать аналоговые цепи и АЭУ. Одним их основных отличий АЭУ от аналоговых цепей является то, что в состав АЭУ входят электронные компоненты: транзисторы, диоды и т.д. Вольтамперные характеристики таких элементов имеют нелинейный характер, вследствие чего и передаточные свойства АЭУ имеют нелинейный характер, особенно в условиях, когда с помощью АЭУ стремятся сформировать большие значения сигнального тока, напряжения или мощности.

К аналоговым относятся сигналы, выступающие в виде непрерывных электрических колебаний напряжения или тока. Обычно характер этих колебаний в той или иной степени является отражением (аналогом) протекания реальных физических процессов, т.е. аналоговые сигналы изменяются по тому же закону, что и характеризуемые (описываемые) ими физические процессы, например, характер изменения атмосферного давления при формировании звука. Аналоговые сигналы заданы (известны, могут быть измерены) во все моменты времени. Аналоговый сигнал как функция времени может быть наглядно представлен графиком или осциллограммой. График может содержать точки разрыва, например, иметь форму импульсов.

В отличие от аналогового у дискретного сигнала значения известны не во все моменты времени, а только в некоторые, например один раз в каждую миллисекунду. Но по форме (а не по содержанию) любой дискретный сигнал является аналоговым. Он получается, если числовые значения дискретного сигнала выразить группами импульсов, обозначающими соответствующие числа (обычно в двоичной системе счисления, как самой простой для отражения импульсами).

Цифровые электронные устройства (ЦЭУ) являются частным случаем дискретных, или импульсных, электронных устройств (ИЭУ). В устройствах последнего вида сигнальные напряжения или тока выступают в форме импульсов или перепадов, при этом основную информационную роль играет наличие или отсутствие сигнального импульса определенного уровня в рассматриваемый момент времени или на определенном интервале. В ИЭУ импульсный сигнал может быть сформирован с помощью специального генератора или являться отражением текущего (мгновенного) значения какого-либо аналогового процесса. В последнем случае процедура формирования дискретного сигнала из аналогового называется дискретизацией, а само значение сформированного сигнала – его дискретным значением. Процесс дискретизации аналогового сигнала можно рассматривать как процесс замены непрерывного сигнала его значениями, взятыми в определенные моменты времени.

Цифровые сигналы формируют из дискретных с помощью процедуры квантования. Квантованием называется процесс, при котором значение дискретного сигнала округляют до заранее заданного значения, называемого уровнем квантования. Каждому уровню квантования соответствует определенное число, вследствие чего квантованный дискретный сигнал и носит названия цифрового. Уровень цифрового сигнала в каждый момент времени отражен в виде числа, а процесс протекания физического явления – в виде последовательности этих чисел. Текущие значения отображаются при этом в виде кодов. В результате процедура передачи сигналов может быть реализована как передача кодовых комбинаций представленных в форме совокупности одиночных импульсов.

Для передачи и обработки большого импульсного потока требуются как широкополосные системы и линии передачи данных, так и определенный резерв времени, выделяемого на обработку и передачу данных, что снижает возможности передачи и обработки данных с высокой скоростью. Несмотря на указанные трудности, ЦЭУ обработки находят широкое применение. Они обеспечивают высокую степень определенности этой обработки, возможность оперативного управления ее характером с помощью таких устройств возможно осуществлять сложные и высоко эффективные алгоритмы обработки.

К достоинствам АЭУ следует отнести то, что, несмотря на менее высокую точность обработки сигналов, они могут осуществлять непосредственную обработку сигналов, отражающих те или иные физические процессы. Устройства этого типа отличаются относительной простотой построения, надежностью и высоким быстродействием, способностью эффективно обрабатывать сигналы как низкого, так и высокого уровня. Для передачи информации с помощью аналоговых сигналов не требуется привлечения дорогостоящих широкополосных каналов. Практически в большинстве информационно-измерительных систем в качестве входных каскадов применяются аналоговые устройства. При этом предельная чувствительность этих систем измерения и преобразования сигналов определяется в первую очередь свойствами их аналоговых устройств, выступающих в качестве датчиков.

АЭУ можно условно разделить на две большие группы: усилители и устройства, выполненные на их основе.

Усилители являются самыми распространенными электронными устройствами. Их принято классифицировать по нескольким признакам.

По форме усиливаемых сигналов – усилители непрерывных и усилители импульсных сигналов. К первым относятся усилители квазигармонических сигналов, например речевых, музыкальных, которые изменяются во времени сравнительно медленно, так что переходные процессы в усилителе почти не проявляются. Свойства таких усилителей оценивают по качеству передачи гармонического колебания. Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсов, например радиолокационных, телевизионных, телеграфных и т.д. Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства таких усилителей оценивают по форме переходной характеристики.

По диапазону рабочих частот – усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока. Первыми называют такие, которые усиливают колебания с частотами, начиная с нуля (f_н = 0 Гц), т.е. способны усиливать как постоянную, так и переменную составляющую входного сигнала. Усилители, способные усиливать только переменную составляющую, называются усилителями переменного тока. Они усиливают колебания с частотой от нижней граничной частоты f_н до верхней граничной частоты f_в. За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания, усиление падает ниже допустимого уровня.

Среди усилителей переменного тока выделяют:

- усилители звуковых частот, рабочий диапазон которых соответствует диапазону слышимых звуковых колебаний и находится в пределах от 20 Гц до 20 кГц, причем f_в >> f_н, или низкочастотные (НЧ) усилители;

- усилители высоких частот (ВЧ) (f_в до 300 МГц);

- усилители сверхвысоких частот (СВЧ) (f_в > 300 МГц).

Под усилителями НЧ условно понимают усилители, предназначенные для усиления естественного (не преобразованного) спектра сигналов. Для таких усилителей отношение f_в/f_н имеет порядок от десятков до 10⁵…10⁶.

К усилителям НЧ относятся усилители звуковой частоты (обычно отождествляемые с усилителями НЧ), широкополосные усилители гармонических колебаний, импульсные усилители различного назначения, в том числе видеоусилители, усилители постоянного тока, для которых f_н = 0, низкочастотные избирательные усилители.

Под усилителями ВЧ и СВЧ условно понимают усилители, предназначенные для усиления спектров модулированных радиосигналов. Для таких усилителей отношение f_в/f_н обычно не превышает 1,1.

В специальной литературе принято классифицировать усилители переменного тока по диапазону рабочих частот согласно табл. 1.1.

Таблица 1.1 - Границы частотных диапазонов

Кроме того, усилители ВЧ и СВЧ диапазонов подразделяются на:

- узкополосные усилители (усилители радиочастот с частотной селекцией сигналов), у которых соотношение f_н/f_в близко к единице (f_н/f_в < 2), а диапазон частот намного выше звуковых. Эти усилители широко применяются в радиоприемных устройствах (их изучают в соответствующем курсе). В выходные цепи каскадов здесь включаются колебательные контуры, резонансная частота которых f_р ≈ (f_н+f_в)/2. Поэтому они называются также резонансными или частотно-избирательными усилителями. Их полоса пропускания ∆f = f_в−f_н << f_р;

- широкополосные усилители (ШУ) (f_н/f_в > 2), у которых f_в > 100 кГц, а f_н – десятки Гц. Сюда относятся усилители видеотракта в телевизионной технике, видеоусилители радиолокационных приемников и т.д. Такие усилители в отличие от резонансных иногда называют апериодическими; они имеют почти монотонную (апериодическую) передаточную характеристику и без явно выраженной частотной селекцией сигналов.

- импульсные усилители (ИУ), которые в свою очередь классифицируются по длительности усиливаемых импульсов на микро-, нано- и пикосекундные.

ШУ гармонических колебаний, применяемые в основном в измерительной аппаратуре (широкополосные генераторы, вольтметры, осциллографы и т.д.), рассчитываются на работу в полосе частот от десятков Гц до нескольких единиц или десятков МГц.

Спектр частот, необходимый для неискаженного усиления различного рода импульсов, зависит от их формы и длительности. В частности, для видеоусилителей необходимый спектр частот имеет тот же порядок, что и для ШУ гармонических колебаний.

ВЧ усилители с резонансными контурами или полосовыми фильтрами представляют собой в основном усилители ВЧ трактов радиопередающих и радиоприемных устройств различного назначения (усилители высокой и промежуточной частот).

По типу усилительных элементов – на ламповые, транзисторные, на интегральных микросхемах, квантовые и др.

По области применения – микрофонные, трансляционные, измерительные, телевизионные, магнитофонные, радиолокационные и т.д.

По функциональному назначению – на усилители напряжения, тока и мощности.

Кроме рассмотренных основных признаков усилители могут классифицироваться по ряду дополнительных признаков – числу каскадов, типу питания, конструктивному исполнению и др.

Устройства на основе усилителей – это в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений. Первые из них называются также активными устройствами аналоговой обработки сигналов. Их выполняют на базе усилителей либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратной связи (ОС), либо путем некоторого видоизменения.

Сюда относятся устройства суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. Преобразователи сопротивлений также выполняют на основе применения принципа ОС в усилителях. Они могут преобразовывать величину, знак и характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах обработки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства (их изучают в соответствующем курсе).

АЭУ предназначены для усиления и обработки сигналов, к которым относятся сигналы, изменяющиеся по тому же закону, что и описываемые ими физические процессы.

Усилением называется процесс управления энергией, полученной от местного источника питания при помощи значительно меньшей управляющей энергии, поступающей от источника сигналов. Таким образом, усиление – это процесс преобразования энергии источника, вызываемый действием сигнала и сопровождающийся увеличением его мощности.

Управляющая мощность называется мощностью возбуждения усилителя или входной мощностью P₁. Управляемая мощность представляет собой мощность, преобразуемую от источника питания P₀. Часть потребляемой мощности, отдаваемая во внешнюю цепь, представляет собой выходную мощность P₂. Входная мощность P₁, полученная от источника возбуждения, например, микрофона, характеризует уровень сигнала так же, как и выходная мощность P₂, отдаваемая нагрузке, например, громкоговорителю. Назначением усилителя, таким образом, является повышение мощности источника сигнала путем использования его энергии для управления более мощным источником, питающим усилитель.

В отличие от пассивной цепи, например, трансформатора, коэффициент усиления мощности усилителя всегда превышает единицу, т.е. K_P = P₂/P₁ > 1.

Возможно и энергетическое представление усилителя. Усилитель рассматривается как устройство, управляющее потоком энергии от источника энергии (аккумулятор, выпрямитель) к нагрузке. Управление энергией происходит по закону определяемому входным сигналом S_вх, в результате чего в нагрузке выделяется мощность P₂, соответствующая сигналу S_вых. Часть мощности источника энергии P_п составляют тепловые потери в самом усилителе. Энергетический баланс изображенной на рис. 1.1 схемы выражается равенством P₀ = P₂+P_п. величина η = P₂/P₀ представляет собой коэффициент полезного действия (КПД) усилителя, который, естественно, всегда меньше единицы.

Рис. 1.1. Энергетическое представление усилителя

На энергетической схеме усилитель представляется пассивным элементом цепи.

В электронном усилителе усиление по мощности обычно сопровождается усилением по напряжению и усилением по току. Однако в некоторых случаях усиление по напряжению или по току может отсутствовать, в то время как усиление по мощности, являясь выражением существа работы усилителя, имеет место во всех случаях.

Построение АЭУ на основе активных электронных приборов позволяет усиливать сигналы. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В усилителе входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, которое за счет энергии источника питания формирует новое колебание, являющееся по форме более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходит его по напряжению, току или мощности. Усиление колебания не обязательно сопровождается увеличением его мощности, но создается выходное колебание за счет энергии источника питания. Напряжение последнего в усилителе преобразуется в напряжение заданной формы. Поэтому можно считать, что усилитель является преобразователем формы напряжения.

Совокупность усилителя и источника питания составляет усилительное устройство (рис. 1.1,а). Главной его частью является усилитель, вследствие чего эти два понятия обычно отождествляют.

Рис. 1.1. Энергетическое представление усилителя

К входным зажимам 1-1′ подключают источник усиливаемого колебания (сигнала), который можно представить в виде эквивалентного активного двухполюсника, с генератором ЭДС E_г (рис. 1.1,а) или с генератором тока I_г (рис. 1.1,б), имеющим внутреннее сопротивление Z_г. Оба эти представления равноценны и могут быть преобразованы одно в другое. Однако высокоомный источник сигнала (имеющий большое по сравнению с входным сопротивлением усилителя) целесообразно представлять схемой с генератором тока, а низкоомный – схемой с генератором ЭДС. Тогда в первом приближении сопротивление Z_г можно не учитывать и эквивалентный активный двухполюсник упрощается до идеальных генераторов тока или ЭДС. Источниками входных сигналов могут быть микрофон, детектор, датчик, диодный фотоприемник, выход предыдущего усилителя и т.п.

В усилителе энергия источника питания преобразуется в энергию усиленного с помощью усилительных активных элементов. Если в качестве их применяют электронные приборы, то усилители называют электронными. В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы, такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. Для усиления электрических сигналов они имеют почти исключительное применение.

Электронные усилители в современной технике находят самое широкое применение и как самостоятельные устройства, и как составные части более сложных устройств. Их используют в бытовой электронике, звуковом кино, радиолокации, медицине, технике измерений, автоматике и т.д. на их основе строятся почти все другие АЭУ обычно посредством добавления тех или иных цепей обратной связи (ОС).