Электроника. Аналоговые элементы и узлы электронной аппаратуры

А. Б. Власов





                ЭЛЕКТРОНИКА




АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.382
ББК 32.85
     В58


Рецензенты:
директор ООО «Севремавтоматика» Масюк Сергей Григорьевич;
д. т. н., доцент, замдиректора АНОДО «Учебный центр охраны труда» Подобед Виталий Александрович






     Власов, А. Б.

В58 Электроника. Аналоговые элементы и узлы электронной аппаратуры : учебное пособие / А. Б. Власов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 264 с. : ил., табл.
            ISBN978-5-9729-1560-6

     Представлены материалы, связанные с проблемами строения, принципами работы аналоговых элементов и узлов разнообразной электронной аппаратуры. Включены начальные сведения о силовой преобразовательной технике, в которой используются узлы аналоговой электроники.
     Для учащихся технических специальностей вузов, колледжей, в учебных планах которых предусмотрено изучение разделов аналоговой и цифровой электроники, преобразовательной техники, основ схемотехники. Может быть полезно для школьников старших классов при проведении профориентационных занятий в центрах технического творчества типа «Кванториумов», «Сириуса» при подготовке к научно-техническим конференциям.

УДК 621.382
ББК 32.85














ISBN 978-5-9729-1560-6

     © Власов А. Б., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ...................................................7

ГЛАВА 1. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА..............................8
1.1. Классификация и характеристики усилительных устройств....8
    1.1.1. Общие сведения об усилительных устройствах.........8
    1.1.2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)..........9
    1.1.3. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ)...............12
    1.1.4. Амплитудная и переходная характеристики усилителя.14
1.2. Усилители с обратной связью.............................15
1.3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах.........19
    1.3.1. Усилительный каскад ОЭ............................22
         1.З.1.1. Назначение элементов схемы.................22
         1.З.1.2. Расчет каскада и линии нагрузки по постоянному току.... 26
         1.З.1.З. Расчет линии нагрузки по переменному току..29
         1.З.1.4. Практический расчет параметров каскада по схеме ОЭ.... 34
    1.3.2. Понятие о классах усиления........................37
    1.3.3. Усилительный каскад ОК (эмиттерный повторитель)...41
         1.3.3.1. Строение и режимы работы усилительного каскада ОК... 41
         1.3.3.2. Модулятор на основе эмиттерного повторителя.....44
    1.3.4. Фазоинверсный каскад..............................45
1.4. Усилительные каскады на полевых транзисторах............46
    1.4.1. Усилительный каскад ОИ............................47
    1.4.2. Выбор параметров схемы для задания точки покоя....48
    1.4.3. Практический расчет параметров каскада по схеме ОИ.....51
1.5. Многокаскадные усилители................................54
1.6. Усилители постоянного тока..............................56
1.7. Дифференциальный (параллельно-балансный) каскад.........58
1.8. Усилители мощности .....................................61
    1.8.1. Трансформаторный усилитель мощности класса А......62
    1.8.2. Двухтактные усилительные каскады..................66
    1.8.3. Бестрансформаторные усилители мощности............68

ГЛАВА 2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ....................................71
2.1. Общие сведения..........................................71
    2.1.1. Структурные схемы ОУ при различных включениях.....72
    2.1.2. Характеристики операционного усилителя............74
2.2. Инвертирующие и неинвертирующие усилители с применением ОУ...76
    2.2.1. Инвертирующий усилитель на основе ОУ с обратной связью.77
    2.2.2. Неинвертирующий усилитель на основе ОУ с обратной связью .. 80

3

2.3. Аналоговые преобразователи сигналов на ОУ ..............81
    2.3.1. Инвертирующий сумматор............................82
    2.3.2. Неинвертирующий сумматор..........................83
    2.3.3. Неинвертирующий вычитатель........................84
    2.3.4. Инвертирующий интегратор..........................85
2.4. Преобразователи аналоговых сигналов.....................86
    2.4.1. Схема с регулированием знака и коэффициента усиления.86
    2.4.2. Измерительный усилитель ..........................88
    2.4.3. Преобразователь ток - напряжение (усилитель тока).89
    2.4.4. Преобразователь ток - ток.........................89
    2.4.5. Преобразователь напряжение - ток..................90
    2.4.6. Преобразователь фазы (фазовращатель)..............90
    2.4.7. Логарифмирующий и антилогарифмирующий преобразователи..........................................91
    2.4.8. Преобразователи сопротивления.....................92
2.5. Релейные (пороговые) усилители..........................93
    2.5.1. Триггер Шмитта на транзисторах....................93
    2.5.2. Аналоговые компараторы напряжений на ОУ...........96

ГЛАВА 3. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА..............................102
3.1. Общие сведения об импульсных устройствах и сигналах....102
3.2. Формирователи..........................................104
3.3. Электронные ключи......................................105
    3.3.1. Статические характеристики транзисторного ключа..107
    3.3.2. Динамические характеристики транзисторного ключа.....111
3.4. Усилители импульсных сигналов..........................114
3.5. Аналоговые ключи на полевых транзисторах...............118
3.6. Коммутаторы аналоговых сигналов........................123

ГЛАВА 4. МНОЖИТЕЛЬНО-ДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА.................125
4.1. Общие сведения.........................................125
4.2. МДУ на базе датчика Холла..............................127
4.3. Перемножители на основе переменной крутизны............133
4.4. Логарифмический преобразователь напряжения.............136
4.5. Применение МДУ в различных устройствах.................137
4.6. Классификация и типы перемножителей....................140

                                   -
ГЛАВА 5. ГЕНЕРАТОРЫ КОЛЕБАНИЙ...................................142
5.1. Генераторы синусоидальных колебаний....................142
    5.1.1. Общие сведения...................................142
    5.1.2. Принципы построения генераторов .................142
    5.1.3. Генераторы гармонических колебаний с LC-контуром.....144
    5.1.4. RC-генераторы гармонических сигналов.............146
    5.1.5. Генераторы с внутренней обратной связью..........148

4

    5.1.6. Кварцевые генераторы...............................150
5.2. Генераторы импульсных сигналов...........................151
    5.2.1. Генератор сигналов прямоугольной формы на биполярных транзисторах................................151
    5.2.2. Практический расчет параметров мультивибратора надискретныхтранзисторах..................................159
    5.2.3. Симметричный мультивибратор на ОУ..................163
    5.2.4. Ждущий мультивибратор (одновибратор) на ОУ.........164
    5.2.5. Генераторы линейно изменяющегося напряжения........167
    5.2.6. Магнитно-транзисторные генераторы..................169

ГЛАВА 6. ВЫПРЯМИТЕЛИ..........................................176
6.1. Структура источниковэлектропитания.......................176
6.2. Однофазные неуправляемые выпрямители.....................177
    6.2.1. Однополупериодный (однофазный) неуправляемый выпрямитель.................................178
    6.2.2. Однофазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель.................................183
    6.2.3. Мостовой однофазный неуправляемый выпрямитель......184
6.3. Трехфазные неуправляемые выпрямители.....................186
    6.3.1. Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом ..........188
    6.3.2. Трехфазный мостовой выпрямитель....................190
6.4. Принцип действия управляемого выпрямления................192
6.5. Выпрямители с умножением напряжения......................193
6.6. Фазочувствительные выпрямители (фазовые детекторы).......195
6.7. Понятие об электрических фильтрах для выпрямителей.......198
    6.7.1. Емкостной фильтр...................................199
    6.7.2. Индуктивный фильтр.................................201
6.8. Внешние характеристики маломощных выпрямителей...........203
6.9. Стабилизаторы постоянного тока...........................204
    6.9.1. Параметрический стабилизатор.......................206
    6.9.2. Параметрический стабилизатор с усилителем..........208
    6.9.3. Многокаскадные и мостовые параметрические стабилизаторы.... 208
    6.9.4. Стабилитронные интегральные микросхемы.............209
    6.9.5. Компенсационные стабилизаторы......................210
         6.9.5.1. Последовательный КС.........................212
         6.9.5.2. Параллельный КС.............................215
         6.9.5.3. Релейный КС.................................216
         6.9.5.4. Практический расчет параметров компенсационного стабилизатора.......................................218

ГЛАВА 7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ.................221
7.1. Общие сведения...........................................221
7.2. Понятие об инверторах....................................222

5

7.3. Преобразователи частоты..................................225
    7.3.1. Циклоконверторы....................................225
    7.3.2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока.230
7.4. Понятие о фильтрах для подавления высших гармоник........231
    7.4.1. Пассивные LC-фильтры для подавления высших гармоник.233
    7.4.2. Понятие об активных фильтрах.......................235
7.5. Подавление высших гармоник без выходных фильтров.........240
    7.5.1. Применение отпаек..................................240
    7.5.2. Векторный способ синтезирования синусоидального напряжения..............................241
    7.5.3. Особенности аппроксимации синусоидального напряжения ступенчатыми сигналами..................................243

ГЛАВА 8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ПИТАНИЯ СУДОВОЙ СИЛОВОЙ НАГРУЗКИ..........................244
8.1. Преобразователи для питания судовой силовой нагрузки.....244
8.2. Выпрямители общего назначения............................245
    8.2.1. Дроссельные и трансформаторные магнитные усилители..245
    8.2.2. Дроссельно-выпрямительные агрегаты ВАКС.............250
    8.2.3. Зарядные и зарядно-силовые выпрямительные агрегаты..252
    8.2.4. Сварочные выпрямительные агрегаты ..................253
    8.2.5. Выпрямители питания систем катодной защиты корпуса судна...........................................254
    8.2.6. Выпрямители для питания систем возбуждения судовых электрических машин.............................256
    8.2.7. Преобразователи для валогенераторных установок.....256

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................260

6

            ПРЕДИСЛОВИЕ



    Учебное пособие создано на основе разделов курсов лекций «Судовая электроника и силовая преобразовательная техника» для курсантов специальности 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» и студентов технических направлений по курсам «Физические основы электроники», «Электротехника и электроника» Мурманского Арктического университета.
    Предназначено для использования при самостоятельной подготовке курсантами и студентами, в том числе, при дистанционном обучении, получающими начальные сведения о приборах, устройствах, схемах аналоговой электроники, преобразовательной техники, применяемых на морских судах, инфраструктуры флота, объектах береговой энергетики.
    Содержание материала в учебном пособии связано с программами ФГОС вузов многих технических специальностей и направлений, которые характеризуются профессиональными компетенциями:
    -      осуществлять безопасное техническое использование, техническое обслуживание электрооборудования и средств автоматики в соответствии с требованиями нормативно-технических документов;
    -      выполнять диагностирование, техническое обслуживание и ремонт электроэнергетического электрооборудования и средств автоматики;
    -      осуществлять выбор электрооборудования и элементов систем автоматики для замены в процессе эксплуатации устройств и приборов;
    -      устанавливать причины отказов электрооборудования и средств автоматики, определять и осуществлять мероприятия по их предотвращению.
    По тематике вопросов, включенных в настоящее пособие, в предыдущие годы написано множество хороших учебников и пособий, тем не менее, многие материалы остаются недостаточно раскрытыми для понимания студентов, в особенности, с учетом сокращения контактных часов, выделяемых в рамках современных ФГОС и учебных планов, разрабатываемых вузами.
    Проблема преподавания и изменения содержания пособий становится еще более актуальной в связи с намеченным переходом от упрощенного бакалавриата к отечественному специалитету, для которого характерна «старая» школа преподавания технических дисциплин с углубленным изучением и пояснением процессов, приборов, принципов их действия.
    В материалы пособия включены начальные сведения о силовой преобразовательной технике, в которой используются узлы аналоговой электроники.
    Приводится расширенный список литературы, в которой учащиеся технических специальностей могут самостоятельно освоить специализированные вопросы, которые выходят за рамки данного материала или детализировать их.
    Пособие может быть полезно учащимся старших классов школ, колледжей при изучении электроники и работе над выбором научной тематики для внешкольного обучения в молодежных научно-технических центрах типа «Кван-ториумов», «Сириуса» и других.

7

            ГЛАВА 1
            УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА



        1.1. Классификация и характеристики усилительных устройств


    1.1.1. Общие сведения об усилительныхустройствах

    Усилителем называют устройство, предназначенное для изменения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности) при допустимом уровне искажений его формы [1,6,32].
    Важнейший признак транзисторных усилителей - вид входного электрического сигнала. По этому признаку различают усилители:
    -      сигналов, не изменяющихся или очень медленно изменяющихся во времени -усилители постоянного тока (УПТ);
    -      гармонических сигналов в заданном диапазоне частот - усилители переменного сигнала;
    -      специальные (связанные с видом сигнала): импульсные, переключающие, фазочувствительные, резонансные и другие.
    Рассмотрим свойства усилителя как четырехполюсника (рис. 1.1). Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, к которой подключается нагрузка или последующие каскады¹. Усилитель представляется в виде активного четырехполюсника (рис. 1.1) с электрическими параметрами, характеризуемых действующими значениями комплексных величин на входе Iвх, Увх, Твх, Рвх и выходе: Iвых, 1/вых, 2вых, Рвых, а также значением Zн - полным комплексным сопротивлением нагрузки.


Рис. 1.1. Обобщенная схемаусилителя как четырехполюсника

     Здесь и далее переменные составляющие токов и напряжений обозначены i(t) и u(t), а их действующие значения и постоянные составляющие буквами/, U.


¹ Особо следует отметить, что для работы любого усилителя необходимо первоначально подключить источник питания с напряжением постоянного тока. В данной схеме питание усилителя не указывается и принимается по умолчанию.

8

     Заметим, что ниже в большинстве случае речь будет идти о переменных составляющих сигналов. Поэтому в качестве переменных будут рассматриваться как собственно переменные составляющие, так и приращения² токов Лi, напряжений Л и.
     Активная мощность на выходе (полезная выходная мощность) равна:

Рвых

Uвых²/R н R нIн²,

(1.1)

где Rн - активная составляющая полного сопротивления нагрузки; Uвых, Iн -действующие значения напряжения и тока на нагрузке.
    Коэффициент полезного действия усилителя определяется как:

Л=Р вых/Р о,                           (1.2)
где Ро - мощность, потребляемая усилителем от источника электрической энергии.
     Коэффициенты усиления по напряжению Ки, току Ki и мощности Кр записывается как отношение соответствующих выходных и входных величин в абсолютном или логарифмическом масштабе:
Ки = Uвых/ Uвх; Ки* = 201gКи, дБ (децибел);
Ki = Iвых/1вх; Ki* = 201gKi, дБ;                 (1.3)
Кр = Рвых/Рвх= UвыхIвых/UвхIвх = Ku Ki; Кр* = lOlgKp, дБ.
     Необходимость использования логарифмического масштаба (дБ) связана с тем что, коэффициенты Ki выражаются иногда большими числами (10⁵...10б...), поэтому удобнее их сравнивать в логарифмическом масштабе. Если Ki > 0 говорят о коэффициенте усиления, если Ki < 0 - коэффициенте ослабления сигнала. Желательно запомнить, что при Ki = 10 имеем Ki* = 20 дБ, при Ki = 0,1: Ki* = -20 дБ, при Ki = 100: Ki* = 40 дБ; при Ki = \2: Ki* = 3дБит.д.
     В общем случае входное и выходное полные сопротивления (импеданс) усилителя имеют комплексный характер: Zвх, Zвых, но в области рабочих частот - имеют активный характер: Zвх = Rвх, Zвых = Rвых.


    1.1.2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

    Поведение усилителя при изменении частоты входного сигнала описывает амплитудно-фазовой частотной характеристикой (АФЧХ). На ее основе стоят амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики.
    Усилители (рис. 1.2) подразделяются на два класса: с линейным режимом работы и с нелинейным режимом работы.

² В ряде литературных источников значок Л не пишется.

9

Рис. 1.2. Классификация усилителей и их амплитудно-частотные характеристики

     Усилители с линейным режимом работы должны вносить минимальные искажения по мере прохождения входного сигнала по элементам устройства. Поэтому данный усилитель характеризуется пропорциональной передачей мгновенных значений входных напряжения или тока, т. е. сигнал на выходе изменяется пропорционально изменению сигнала на входе.
     В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче мгновенных значений входного сигнала отсутствует. Поэтому эти усилители используются для преобразования формы и усиления импульсных сигналов.
     АЧХ различных усилителей отражает зависимость модуля коэффициента усиления |KU\, определенного для синусоидального входного сигнала от частоты (рис. 1.2). На практике АЧХ представляет собой зависимость коэффициента усиления Ки (в децибелах или в относительных единицах) устройства от частоты/ (или угловой частоты ю) в логарифмическом масштабе. На оси абсцисс откладываются декады частот, например, 1...10 Гц; 10...100 Гц; 100...1000 Мгц и выше.
     В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяют (рис. 1.2) на усилители: постоянного тока (УПТ), низкой (звуковой) частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные (ШПУ) и узкополосные (УПУ). Отличительная особенность УПТ - это возможность усиливать сигналы с частотой, равной нулю, другими словами, усиливать постоянный ток. Это обеспечивается тем, что нижняя граница частотного диапазона f пн = 2дюпн ^ 0. Верхняя граница частотного диапазона/га = 2дюпв усиливаемых сигналов в зависимости от назначения УПТ может быть достаточно высокой (до 10⁸Гц). УПТ могут применяться, например, в качестве усилителей входного сигнала в осциллографах.
     Диапазон усиливаемых частот/, или Юп усилителя (рис. 1.2; 1.3, б) оценивается с учетом показателя, который называется полосой пропускания.:
f1 = f18 -f1н или Юп = Юпв - Юпн.            (1.4)
     Одной из особенностей УНЧ является частотный диапазон (fга...fга) усиливаемых сигналов (20 Гц...20 кГц). Поэтому УНЧ применяются в усилителях звуковых частот (УЗЧ).

10

    УВЧ имеют полосу пропускания (/йн...f]в) от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц и применяются в радиоприемных и радиопередающих устройствах.
    ШПУ имеют нижнюю граничную частоту f™ примерно такую же, как у УНЧ, а верхнюю f-w. - как у УВЧ. На основе ШПУ выполняют линейные импульсные усилители и видеоусилители в телевизионной технике.
    УПУ характеризуются пропусканием узкой полосы частот. Применяются в усилителях промежуточной частоты радио- и телеприемников.
    Как отмечено выше, основными показателями многокаскадных усилителей являются амплитудно-частотная, фазо-частотная и амплитудная характеристики [6].
    Вид этих характеристик зависит от типа связи между каскадами, применяемой в многокаскадном усилителе. Обратим внимание на тот факт, что в области низких частот коэффициент усиления усилителя стремится к нулю, кроме усилителя УПТ. Этот факт связан с особенностью строения усилительных каскадов, которые имеют на входе схемы так называемый разделительный конденсатор³.
    В качестве примера рассмотрим усилитель с емкостной связью между каскадами (рис. 1.3, а), как наиболее распространенный.
    В многокаскадных усилителях, имеющих несколько каскадов усиления, емкостная RC связь выступает как звено схемы, через которое выходной сигнал от каскада 1 (например, UЗых1 на рис. 1.3, а) поступает во входную цепь каскада 2.
    Фактически, емкостная связь представляет собой делитель напряжения в виде цепочки «разделительный конденсатор Ср - сопротивление R» (рис. 1.3, а).
    Емкостное сопротивление Xз конденсатора на произвольной частоте / (Гц) рассчитывается по соотношению

Xз= 1/2л/Ср = 1/ю Ср,

(1.5)

где со - угловая частота (рад/с).
     Для средних частот емкостное сопротивление разделительного конденсатора Ср можно считать равным нулю (Xз = 1/юСр2 ^ 0), т. е. сигнал от предыдущего каскада передается к последующему каскаду без ослабления, т. е. в пределах полосы пропускания коэффициент усиления усилителя Kuо незначительно зависит от частоты (рис. 1.3, б).
                                              Полоса средних

с-р
U ВЫХ1
1

R

I I ^вх2

t
^вых2
1

Полоса пропускания

    Сы>Ср2>СрЗ Кио

Каскад

Каскад 2

/ и /гпй/пнзЛиЗ

а)                             б)                     в)
Рис. 1.3. Цепь с емкостной связью (а), АЧХ многокаскадного усилителя с конденсаторной связью (б), влияние конденсаторов связи Ср на АЧХ в области низких частот (в)

³ Разделительный конденсатор разделяет каскады по постоянной составляющей питания.

11

    По мере снижения частоты f входного сигнала реактивные сопротивленияхг разделительных конденсаторов увеличиваются, падение напряжения на реактивном сопротивлении растет, и, следовательно, напряжения сигналов, поступающих на последующие каскады с делителей цепочки Ср - R, уменьшаются. Общий коэффициент усиления Кио многокаскадного усилителя в области низких частот уменьшается (рис. 1.3, б, в). Частота, при которой модуль коэффициента усиления снижается в 72 раз (3 дБ), считается нижней граничной частотой fₘ усилителя звуковых частот. Влияние величины емкости разделительного конденсатора Cр на нижнюю граничную частоту fпн и, как следствие, на ширину полосы пропускания усилителя показано на рис. 1.3, в.
    Факторами, влияющими на модуль коэффициента усиления Кио в области высоких частот, являются особенности строения транзисторов схемы. Это поясняется схемой, приведенной на рис. 1.3, а: реактивное сопротивление конденсатора Св на выходе каскада 2 (обозначен пунктиром) при увеличении частоты согласно (1.5) стремится к нулю, так что фактически выходные конденсаторы, связанные с наличием межэлектродных емкостей транзисторов и емкостей монтажа усилителей, закорачивают выход каскада 2, уменьшая напряжение Uвых2.
    Для усилителей звуковых частот верхней граничной частотой f га считается частота, при которой модуль коэффициента усиления снижается в 72 раз (3 дБ) от максимального значения Кио в средней области частотного диапазона.
    При усилении малых входных сигналов используются многокаскадные усилители; выходной сигнал каждого предыдущего каскада является входным для последующего каскада. Общий коэффициент усиления усилителя Кисх равен произведению коэффициентов усиления Kui всех входящих в него каскадов:
Кисх= Ки 1 Ки2 ... Kun,               (1.6)
где n - общее количество каскадов схемы.

    1.1.3. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ)

    При анализе работы любого усилителя следует учитывать, что процесс прохождения сигнала по усилительному каскаду и цепям устройства может сопровождаться не только его усилением (рис. 1.4, а), но и изменением фазы ф сигнала на выходе по отношению к входному сигналу. Поэтому фазо-частотная характеристика ф = fю) (рис. 1.4, б) определяет зависимость угла сдвига фаз ф (угол фазового сдвига) между выходным 7вых и входным Uвх напряжениями от частоты сигнала в обычном или логарифмическом масштабе.
    Например, для усилителя (рис. 1.4) в области средних частот (в области значений юо) фазовый сдвиг равен нулю (ф = 0), т. е. входное и выходное напряжения изменяются с одной фазой.

12

Рис. 1.4. Амплитудно- (а) и фазо-частотная (б) характеристики усилителя

     Появление положительного фазового сдвига ф > 0 при понижении частоты входного сигнала обусловлено тем, что ток в (разделительных) цепях с конденсаторами опережает (ю < юо) по фазе напряжение. Поэтому фазовый сдвиг фн(ю) в области низких частот имеет опережающий характер, его угол равен сумме углов фазовых сдвигов, создаваемых всеми конденсаторами в усилительном каскаде:
фн(ю) = фн1 + фн2 +...+ ф>,.7.               (1.7)
     Угол фазового сдвига оценивается с учетом параметров конкретной схемы, например, анализируя схему, изображенную на рис. 1.3, а, можно определить:
фн i = arclg(1/w„A вх Cр i).               (1.8)
     На высоких частотах (ю > юо) появление отрицательных фазовых сдвигов ф(ю) < 0 напряжения выходного сигнала по отношению к входному напряжению связано как с наличием конденсаторов в схеме, так и с комплексным характером коэффициента усиления транзисторов. В области высоких частот комплексный характер коэффициента усиления транзистора и шунтирующее действие межэлектродных емкостей создают отстающий фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного. Угол фазового сдвига, создаваемый одним каскадом усиления, можно найти из соотношения
фв i = -агс^ЮвТв i.                     (1.9)
     Для многокаскадного усилителя в области высоких частот угол фазового сдвига фв(ю) равен сумме углов фазовых сдвигов, создаваемых каскадами:
фв(ю) = фв1 + фв2 +...+ фвМ.                 (1.10)
     Значение сдвига фазы напряжения на выходе по отношению к фазе напряжения на входе схемы определяется строением каскада, например, в схеме ОЭ сдвиг составляет 180о, в схеме повторителя - сдвиг фазы отсутствует.

13

    1.1.4. Амплитудная и переходная характеристики усилителя

    Диапазон входных напряжений, в котором происходит усиление сигнала, определяется по амплитудной характеристике анализируемого устройства.
    Амплитудная, характеристика усилителя - это зависимость амплитуды выходного переменного напряжения усилителя от величины амплитуды переменного напряжения на входе. По этой характеристике судят о пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя, и обычно ее снимают при синусоидальном входном сигнале для области средних частот в полосе пропускания. Типичный вид амплитудной характеристики усилителя показан нарис. 1.5, а.
    Область 2-3 - линейный участок характеристики (область усиления). Этот участок определяет диапазон входных значений напряжений сигналов, при которых соблюдается пропорциональная зависимость амплитуды выходного напряжения Uвых m от амплитуды входного напряжения Uвх m без искажения формы сигнала на выходе схемы.
    Коэффициентом усиления каскада называется отношение
Kuо = Uвых m/ Uвх m.                (1.11)
    Амплитудная характеристика не проходит через начало координат из-за наличия собственных шумов на выходе усилителя. Участок 1-2 амплитудной характеристики не используется, так как здесь полезный сигнал трудно отличить от собственных шумов⁴ усилителя. По величине Umm/Kuо оценивают уровень минимальных напряжений входного сигнала (чувствительность) усилителя.

     . _ , , _ б⁾
Рис. 1.5. Амплитудная (а) и переходная (б) характеристики усилителя

    При достижении некоторого уровня напряжения входного сигнала, соответствующего точке 3 (рис. 1.5, а), пропорциональность зависимости выходного напряжения Uвых(Uвх) от входного сигнала нарушается. Причиной этого является ограничение максимального напряжения обеих полуволн (или одной из полуволн) выходного напряжения на фиксированном уровне (рис. 1.5, а). Как будет показано в п. 1.3.1.3, ограничение величины выходного напряжения сигнала обуславливается перемещением рабочей точки усилительного каскада

⁴ Шумами называются переменные ЭДС, возникающие на резистивных элементах схемы и обусловленные хаотическим тепловым движением электронов и дырок, как свободных носителей заряда.

14