2015-02-24
1807
Радиотехнические цепи и сигналы
2004г. II курс (4 семестр) РФФ
Глава №1. Усиление электрических колебаний.
§1.Принцип усиления. Классификация усилителей.
Усилителем называют устройство, которое служит для преобразования информационных сигналов, и для которого выполнено условие: мощность сигнала, несущего информацию, на выходе устройства больше чем на входе. Усиление - можно определить как непрерывный процесс управления большим количеством энергии с помощью малых затрат энергии.
Форма как управляющей, так управляемой энергии может быть разной:
электрической, механической, световой.
Мы в этом курсе будем рассматривать усиление и усилители электрических сигналов.
Управляющий источник энергии - источник сигнала; цепь, по которой поступает энергия - входная цепь, вход усилителя.
Потребитель усиленных сигналов - нагрузка усилителя, выходная цепь, выход.
Как уже было сказано, мощность усиливаемых сигналов, отдаваемая в нагрузку должна быть больше мощности, подводимой к входу, отсюда следует: усилитель не может работать без источника дополнительной энергии.
Источник управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемых сигналов, называют источником питания усилителя или основным источником питания. Кроме основного существует еще вспомогательные источники питания, энергия которых не преобразуется в усиливаемые сигналы, а служит для приведения усилительных элементов в рабочее состояние (пример источники напряжения смещения для транзисторов и т. д.)
Усилители находят широкое применение в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, телевидении, проводной связи, аппаратуре записи и воспроизведения звука и видео, измерительной аппаратуре, ЭВМ, следящих и управляющих устройствах, аппаратуре геофизической разведки, точного времени, медицине.
Классификация усилителей:
Усилители можно классифицировать: по характеру усиливаемых сигналов, по полосе усиливаемых частот, по назначению усилителя, по роду используемых усилительных элементов.
· По характеру усиливаемых сигналов:
a) Усилители гармонических сигналов. Для усиления непрерывных и квазипериодических электрических сигналов, гармоническая составляющая которых меняется много медленнее нестационарных (переходных) процессов в усилителе.
Примеры: звукозаписывающая аппаратура, многие усилители измерительной аппаратуры.
б) Усилители импульсных сигналов (или импульсные усилители). Предназначены для усиления электрических импульсов различной формы и величины.
Нестационарные процессы в таких усилителях должны быть настолько короткими по времени, чтобы форма усиливаемых сигналов этими процессами почти не менялась. Усилители импульсных радиолокационных и навигационных систем, усилители цифровых сигналов телевизионные видео усилители и т. д.
· По ширине полосы частот и абсолютным значениям усиливаемых усилителем частот:
а) Усилители постоянного тока. Хотя правильнее было бы называть их усилителем медленно меняющихся токов и напряжений полоса от 
до высшей рабочей частоты 
, т.е. усиливающие как переменную, так и постоянную составляющие сигнала.
б) Усилители переменного тока. Усиливающие лишь переменную составляющую сигнала в полосе частот от низшей рабочей частоты 
до верхней частоты .
в) У силители высокой частоты. Для усиления колебаний модулированной высокой частоты, например, радиосигналов. Иногда подразделяют:
10МГц 
1ГГц - ВЧ
свыше 1 ГГц - СВЧ
г) Усилители промежуточной частоты. Например, усилители модулированных колебаний, применяемые в радиоприемных устройствах супергетерофазного типа. Усилители высоких и промежуточных частот обычно характеризуются малой величиной отношения 
.
д) Усилители низких частот. По смыслу близки к усилителям постоянного тока (к ним относятся усилители звуковых частот). Усилители преобразованной частоты не всегда можно отнести к усилителям НЧ. Так для усиления сигнала TV изображения 3 10МГц
усилитель называют особо видео усилитель.
· По отношению к полосе усиливаемых частот усилители бывают:
а) Широкополосными 
и выше.
б) Избирательные и селективные усиливающие сигналы в узкой полосе частот, за ее пределами усиления резко падает.
в) Резонансные с резонансной характеристикой.
Кроме того, если 
усилители прямого усиления
усилители с преобразованием частоты
Усилители различаются также по назначению, конструкции и.т.п. Пере-
числить все возможные конфигурации крайне сложно. Еще электронные
усилители можно разделить на ламповые ВЧ и СВЧ (особенно большой мощности) и полупроводниковые транзисторные разных типов, диодные (например, параметрические и.т.п.).
Поскольку обычно усилитель имеет отдельные вход и выход сигнала, то его можно определить как активный четырехполюсник. В тоже время простейшие активные элементы, как правило, транзисторы и лампы имеют по 3 сигнальных вывода. Необходимо провести некоторые сведения из теорий 3 
- полюсников.
§2. Неопределенная матрица проводимостей и поворот трехполюсников.
Y известна. Y=?
Пусть U 
тогда, матрица неопределенных проводимостей
(Y 
)= 
4 
- известных параметра, (
- 5 неизвестных.
Необходимо найти по крайне мере 5 уравнений связывающих параметры проводимостей:
1) Т.к. 
при 
, то сумма элементов столбцов матрицы равна нулю.
3 уравнения
2) Изменим потенциал точки отсчета U на 
, тогда все напряжения изменятся на U 
, а токи не изменятся, т.к. разности U останутся теми же.
Т.о. сумма коэффициентов 
в каждом уравнении должна быть равной 0:
сумма элементов строк (
)=0.
Еще 3 уравнения итого 6 уравнений, 1-следствие 5 
других, т.о. 5 уравнении - 5 неизвестных 
все () определены.
Матрица неопределенных проводимостей описывает любое подключение 3 
полюсника:
1)Если U 
=0 вернемся к 2 -м первым уравнениям
2)Если U 
=0, то для 
и 
есть 2 уравнения, а уравнение для 
можно не
рассматривать т.к. 
Первым должно стать уравнение для выходного тока, а в нем первым – входное направление.
3)Если 
=0 вход 3 выход 1,надо зачеркнуть вторую строку и второй столбец
но это еще не то, что надо: т.к. первая строка соответствует выходу 
надо поменять строки, а кроме того, переставить столбцы
Применение матрицы в усилителях.
Пусть нам известна матрица Y параметров для схемы включения с О.Э.
→ О.Б. 
О.К. 
Аналогично для полевых транзисторов и ламп.
§3 Общие соотношения для усилителей.
Основными параметрами усилителей являются коэффициенты усиления по напряжению 
, по току 
, по мощности 
, входные и выходные проводимости 
и 
.
Рассмотрим усилитель как трёхполюсник:
отдельно постоянный ток, отдельно переменный
; 
; 
это получается если поменять местами вход и выход и закоротить 
, подставляя Yвх
если 
т.е. имеет место усиление.
§4 Нелинейные цепи в режиме постоянного тока.
Определим состояние равновесия (точки покоя) в активных нелинейных цепях, то есть решим первую часть задачи:
· Определим поведение активных элементов на постоянном токе.
Диод i=f(U),
ВАХ в линейном i=U/R
Надо определить рабочую точку, падение напряжения и ток. Возможны и другие варианты:
q=f(u) варикап q=CU
(Трансформатор\катушка) с ферромагнитным сердечником
Вебер АХ
Нелинейные трёхполюсники - вакуумные лампы, транзисторы, ОУ
Расчёт: 1) по постоянному току
2) по переменному току
Примеры:
1) Схемы с нелинейным элементом (диод).
Составим уравнения:
; 
; 
; 
Пути решения уравнений:
а) Аналитический (используя аппроксимации характеристик нелинейных элементов).
; 
; 
; 
; 
, это трудно и такая точность на практике не нужна.
б) Графически-Аналитический.
если 
строим обе характеристики и находим точку пересечения
если K=0
если Е<0
в) Графический способ.
этот способ обычно применяют при соединении двух нелинейных элементов
2) Рассмотрим следующую схему с двумя нелинейными элементами.
найдём 
и сведём задачу к предыдущей.
если
