Здавалка
Главная | Обратная связь

Усиление электрических сигналов



Ю.М. Фомичев, В.М. Сергеев

 

ЭЛЕКТРОНИКА

 

Элементная база,
аналоговые и цифровые

Функциональные устройства

Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета

 

 

Издательство

Томского политехнического университета

  УДК 621.38(075.8) ББК 32.85я73 Ф76  
  Ф76 Фомичев Ю.М. Электроника. Элементная база, аналоговые и цифровые функциональные устройства: учеб. пособие / Ю.М. Фомичев, В.М. Сергеев; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 288 с.  

В учебном пособии в лаконичной форме изложены основные задачи, решаемые электронной техникой, дискретные и интегральные компоненты, необходимые для их решения, основы физических процессов
в электронных устройствах и их аналитическое описание. Каждая глава сопровождается резюме, подчеркивающим основные моменты.

Пособие подготовлено на кафедре компьютерных измерительных систем и метрологии, соответствует программе односеместрового курса и предназначено для студентов ИДО, обучающихся по специальностям 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», 220201 «Управление и информатика в технических системах», 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».

УДК 621.38(075.8)

ББК 32.85я73

 

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой

теоретических основ радиотехники ТУСУРа

А.В. Пуговкин

Кандидат технических наук,

доцент кафедры телевидения и управления ТУСУРа

В.А. Шалимов

 

© ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2011

© Фомичев Ю.М., Сергеев В.М., 2011

© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2011

I. Основы АнАЛОГОВОЙ электроники

 

1. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКОЙ,
И ЭЛЕМЕНТЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ИХ РЕШЕНИЯ

 

Научное определение электроники – изучение и практическое использование взаимодействия электронов с электромагнитным полем – мало о чем говорит. В то же время, всем понятно, что электроника – это телевидение и компьютеры, современные коммуникационные системы (Internet, например) и управление техническими объектами (от космических кораблей до детских игрушек), это медицинские аппараты, заменяющие важнейшие органы человека (как, например, вживляемые человеку стимуляторы), и т. д. Применение электроники в современной цивилизации стало практически необъятным, тем не менее ее возможности можно легко систематизировать, рассмотрев суть решаемых ею задач. По большому счету таких задач две.

Первая – преобразование информации, представленной электрическими сигналами, с целью удобства ее передачи, приема, хранения или отображения.

Вторая – преобразование электрической энергии с целью удобства ее транспортирования или использования.

Информация, сигналы являются объектом изучения в специальных курсах. Здесь же мы затронем лишь представления о них, минимально необходимые для изучения курса основ электроники.

Любая задача преобразования как информации, так и электрической энергии требует для ее решения широкого круга специальных знаний. В этой главе даются самые первые представления об этих проблемах, с тем, чтобы у читателя возникло системное представление о предмете электроники и понимание необходимости изучения последующих разделов данного курса.

1.1. Электрические сигналы.
Временное и спектральное представление

Информация – это сообщение о новом событии, передаваемом от источника к потребителю информации, в качестве которого могут выступать как люди, так и аппараты.

В электронике носителями информации являются электрические сигналы – изменение во времени параметров электромагнитного поля.

Далее будут рассматриваться сигналы в виде изменения во времени электрического напряжения (тока).

Аналитически сигналы можно описать двумя способами: представлением во временной области (функция времени) – S(t) или разложением в виде суммы элементарных колебаний (спектра).

Важнейшей характеристикой сигнала во временном представлении является его периодичность. Периодом сигнала Т является отрезок времени, для которого справедливо равенство

S(t + nT) = S(t), n = 0, 1, 2, ...

На рис. 1.1 изображен периодический сигнал пилообразного типа

.

На рис. 1.2 изображен гармонический сигнал с начальной фазой j

.

   
Рис. 1.1. Временное представление периодического сигнала пилообразной формы Рис. 1.2. Временное представление гармонического сигнала с начальной фазой j

Спектральное представление сигнала в виде суммы элементарных колебаний может быть проведено с помощью широкого класса полиномов и функций: Лежандра, Чебышева, Лагерра, Эрмита, Хаара, Радемахера, Уолша и др.

Однако для спектрального представления периодических сигналов наибольшее практическое применение нашло разложение в виде суммы гармонических составляющих (гармоник) – ряда Фурье:

, (1.1)

где – круговая частота первой гармоники.

Коэффициенты an, bn вычисляются по формулам:

, ,

Амплитуда An и фаза jn n-гармоники выражаются через an и bn:

.

Совокупность коэффициентов An ряда Фурье называется частотным спектром периодического сигнала.

Как следует из (1.1), частотный спектр периодического сигнала носит дискретный характер, т. к. состоит из отдельных «линий» высотой An, соответствующих дискретным частотам 0, w1, w2, w2 = 2w1, w3 = 3w1 и т. д. (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Пример частотного спектра сигнала

 

Хотя ряд Фурье и содержит бесконечное число гармоник, амплитуды этих гармоник у большинства реальных сигналов убывают с увеличением номера гармоник n. Физически это означает, что влияние высших гармоник на общую энергию сигнала и его форму может быть незначительным, что позволяет при анализе искусственно «урезать» спектр, ограничившись наиболее «влиятельными» низкими гармониками.

Частотный спектр пилообразного напряжения, изображенного на рис. 1.1, имеет вид

Как видно, амплитуды гармоник убывают с частотой по закону 1/n. При «удержании» в спектре, например, пяти первых гармоник форма сигнала принимает вид, изображенный на рис. 1.4 (сплошная линия), для многих случаев такая погрешность представления сигнала может оказаться приемлемой.

К сожалению, чем больше скорость изменения сигнала во времени, тем медленнее снижаются амплитуды гармоник по мере увеличения n. Для периодической (с периодом Т) последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой Е и длительностью t амплитуда n-й гармоники определяется по соотношению

и при , когда sinx ® х,

т. е. амплитуды всех гармоник (от 0 до ¥) становятся одинаковыми, спектр становится равномерным.

Увеличение ширины спектра при увеличении скорости изменения сигнала является основным препятствием для увеличения скорости передачи информации по каналам связи.

Разложение сигнала на гармонические составляющие (ряд Фурье) нашло широкое практическое применение по той причине, что гармоническое колебание является единственным физически существующим сигналом, форма которого не меняется при прохождении через линейную цепь (изменяется только амплитуда и фаза). Это свойство делает возможным, при определении установившейся реакции цепи на гармоническое воздействие, применение удобного символического метода – метода комплексных амплитуд.

Как известно из электротехники, амплитуду выходного гармонического колебания можно определить по амплитудно-частотной характеристике цепи (АЧХ), которая может быть определена как аналитически, так и (что очень важно для сложных цепей) экспериментально. АЧХ – это зависимость отношения амплитуды выходного и входного колебания (K) от частоты, которая может, например, иметь вид, представленный на рис. 1.5.

Рис. 1.4. Форма пилообразного Рис. 1.5. Возможный вид

сигнала при удержании пяти АЧХ цепи

первых гармоник спектра

Рис. 1.6. Искажения сигнала, прошедшего через цепь с «узкой» полосой пропускания

В пределах полосы частот (от wн до wв) АЧХ имеет равномерный характер. Это значит, что все гармоники сложного сигнала, «умещающегося» на этом частотном отрезке, пройдут через цепь практически с одинаковым усилением (или ослаблением, если K<1), что приведет лишь к изменению масштаба сигнала, а форма его останется неизменной. Если же полоса равномерной передачи цепи много меньше ширины спектра входного сигнала, то сигнал пройдет через такую цепь с большими искажениями, называемыми частотными.

Так, если через цепь, имеющую АЧХ (см. рис. 1.5), пропустить периодическую последовательность прямоугольных импульсов S1(t), то выходной сигнал S2(t) будет значительно отличаться по форме от входного (рис. 1.6).

Таким образом, введение понятия частотного спектра сигнала позволяет сопоставить свойства канала связи (его широкополосность) с шириной спектра сигнала. Например, телевизионный сигнал, ширина спектра которого превышает 10 × 06 Гц, невозможно передать по телефонной проводной паре, полоса пропускания которой составляет всего несколько десятков килогерц.

Для непериодического сигнала можно при анализе полагать Т®¥. Это означает, что как значение частоты первой гармоники, так и интервал между соседними гармониками будут стремиться к нулю, т. е. спектр становится сплошным, а амплитуды гармоник (коэффициенты ряда Фурье) станут бесконечно малыми.

Предельный переход от дискретного ряда Фурье к сигналу с Т®¥ описывается интегралом Фурье

,

где – спектральная плотность, физически означающая распределение мощности сигнала по диапазону частот.

На рис. 1.7 для примера приведена спектральная плотность одиночного импульса с амплитудой А и длительностью tи.

 

Рис. 1.7. Спектральная плотность S(w) одиночного импульса

 

 

Усиление электрических сигналов

Усиление слабых сигналов являлось самой актуальной задачей на заре развития радиотехники, когда не было еще мощных радиопередатчиков и имелось слабое представление о способах распространения радиоволн при минимальном ослаблении их энергии. Но и в современной электронике усиление сигналов является одной из распространенных задач, причем очень часто усиление сигнала сопровождается некоторым функциональным его преобразованием (например, интегрирование сигнала).

Когда речь идет об усилении сигналов, то подразумевается, что усиливается его первоначальная энергия. Энергия электрического сигнала, описываемого в терминах тока и напряжения, определяется соотношением

(1.1)

Если под Эс понимать энергию входного (слабого) сигнала усилителя, то энергия выходного (усиленного) сигнала – сигнала в полезной нагрузке Эн

, Эн>> Эс. (1.2)

Важно отметить, что выполнение условия усиления Эн>>Эс возможно при любом из приведенных ниже соотношений:

iн(t)>iс(t), Uн(t)<Uс(t), iн (t)<iс(t), Uн (t)>Uс(t).

Это означает, что в процессе усиления, например, гармонического сигнала амплитуда напряжения в нагрузке может быть меньше амплитуды входного сигнала, но при этом выходной ток будет значительно превышать по амплитуде входной.

Поскольку вечных двигателей не бывает, то усиление энергии входного сигнала невозможно без привлечения энергии некоторого специального источника – источника питания усилителя.

Таким образом, под усилителем электрического сигнала следует понимать устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию сигнала в нагрузке под воздействием входного сигнала значительно меньшей энергии.

Поскольку носителем электрической энергии является ток, то для «перекачки» энергии от источника питания к нагрузке необходимо соединить их в замкнутую цепь, а для регулирования включить последовательно в эту цепь электронный регулятор элемент, сопротивление которого можно менять в широких пределах под воздействием слабого электрического сигнала (рис. 1.8), где ИП – источник питания; Н – нагрузка; ЭР – электронный регулятор.

Электронные регуляторы получили в электронике название усилительных (или активных) элементов, но более точно отражающим суть процесса было бы название – управляемые элементы (регуляторы).

Рис. 1.8. Структурная схема усилителя электрических сигналов

Предположим, что нагрузка носит омический характер и обладает сопротивлением Rн. Тогда соотношение (1.2) можно переписать в виде

; (1.3)

.

Из (1.3) следует два способа регулирования энергии в усилителях.

Первый – регулирование тока в нагрузке под воздействием входного сигнала iн=F(Uc). Это способ непрерывного регулирования (усиления). Второй – регулирование при постоянном токе нагрузки интервала времени Dt=t2t1, в течение которого пропускается ток через нагрузку

Dt= F(Uc), iн= const.

Такой способ регулирования называется ключевым. Оба способа находят широкое применение при построении усилительных устройств. Хотя в усилительной технике используют такие термины, как «вход», «выход» усилителя, – это не означает, что сигнал «проходит» через усилитель. На самом деле он лишь воздействует на регулятор, оставаясь на «пороге» усилителя.

Лишь в частных случаях (аудиотехника, видеотехника, осциллографическая аппаратура) сигнал в нагрузке усилителя должен по форме как можно ближе совпадать с входным сигналом. Во многих же других случаях точное воспроизведение формы входного сигнала необязательно. Например, входной сигнал – постоянное напряжение с датчика температуры, а усилительный элемент регулирует мощность переменного тока в нагревателе электропечи и т. д.

Важнейшими характеристиками усилительных (управляемых) элементов являются статические характеристики «вход-выход» и быстродействие. Статическая характеристика – это зависимость выходного тока элемента от управляемого сигнала при постоянном напряжении источника питания. По своему виду эти характеристики могут быть плавными или скачкообразными релейными (рис. 1.9).

 

а б в

Рис. 1.9. Схемы для определения:
а – статической характеристики «вход-выход» усилительного элемента; б – плавной характеристики регулирования; в – релейной характеристики регулирования

 

Быстродействие усилительного элемента – это скорость реакции на изменение входного воздействия. Наиболее наглядно эта реакция проявляется при скачкообразном изменении управляющего сигнала (см. рис. 1.10).

Конечное время переходного процесса tП приводит к тому, что при достаточно высокой частоте повторения входных скачков усилительный элемент практически перестает на них реагировать, т. е. теряет управляемость (см. рис. 1.11).

 

Рис. 1.10. Реакция усилительного элемента на скачкообразное изменение управляющего сигнала Рис. 1.11. Потеря усилительных свойств (управляемости) из-за инерционности усилительного элемента

 

Усилительные элементы являются основными компонентами современной электроники, и в последующих разделах данного курса им будет посвящено достаточно большое внимание.

 

Модуляция сигналов

Модуляция – это преобразование спектра сигнала с целью удобства его передачи, усиления, хранения или обработки. В электронике практически используются различные способы модуляции, которые детально исследуются в специальных курсах. Здесь мы рассмотрим наиболее распространенные виды модуляции, выясняя, какие электронные элементы для этого необходимы.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.