Электроника. Аналоговые устройства

Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а  также разработкой и применением  устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом  теле. Сфера применения электроники  постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными. Промышленная электроника является одним из направлений технической электроники, которое связано с применением электронных приборов и устройств в промышленности, на транспорте, в электроэнергетике.

В свою очередь, в промышленную электронику, обеспечивающую разнообразные виды техники электронными устройствами измерения, контроля, управления и защиты, а также электронными системами преобразования электрической  энергии, входят:

1) информационная  электроника, к которой относятся  электронные системы и устройства, связанные с измерением, контролем  и управлением промышленными  объектами и технологическими  процессами;

2) энергетическая  электроника (преобразовательная  техника), связанная с преобразованием  вида электрического тока для  целей электропривода, электрической  тяги, электротермии, электроэнергетики.

Если рассматривать  идеализированную систему управления некоторыми объектами, то получим Электрические сигналы, содержащие информацию о контролируемых величинах, вырабатываются соответствующими датчиками. Эти сигналы фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Затем они обрабатываются микропроцессором, который может взаимодействовать с ЭВМ. Формируемые микропроцессором сигналы управления преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), усиливаются и подаются на силовые электронные устройства, управляющие исполнительными устройствами, непосредственно воздействующими на объект.

Рассмотренная система содержит электронные устройства, работающие с аналоговыми сигналами (фильтры, усилители, силовые электронные устройства), цифровыми сигналами (микропроцессор, ЭВМ), а также устройства, осуществляющее преобразование сигналов из Аналоговой формы в цифровую и обратно. В данном курсе изучаются все основные элементы, из которых строятся вышеназванные устройства. Некоторые представления об электронных устройствах имеет каждый: радиоприемники; магнитофоны, телевизоры, калькуляторы состоят в основном из электронных элементов. Характеристики электронных устройств определяются, прежде всего, характеристиками составляющих их элементов.

Роль электроники  в настоящее время существенно  возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии.

К концу второй мировой войны масса электронного оборудования тяжелых самолетов  приближалась к 1 ООО кг. (без учета энергетического оборудования, необходимого для питания электронной аппаратуры). Создание в конце 40-х годов первых полупроводниковых элементов (диодов и транзисторов) привело к появлению нового принципа конструирования электронной аппаратуры — модульного. Дальнейшее совершенствование полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов и других элементов, уменьшение их размеров привели к созданию микромодулей. В схемотехническом отношении интегральная электроника часто не отличается от транзисторной, так как в интегральной схеме можно выделить все элементы принципиальной схемы устройства, но размеры этих элементов очень малы (примерно 0,5—1 мкм). 

2. Аналоговые устройства.

Усилитель —  это электронное устройство, управляющее  потоком энергии, идущей от источника  питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

Все усилители  можно классифицировать по следующим признакам:

• по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц; широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц; избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;
• по роду усиливаемого сигнала: усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше; усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;
• по функциональному назначению: усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилителя усиливает.

Усилитель может  состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен  произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К, • К2 ■ • К„. Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К(дБ) = К,(ДБ) + К2(дБ) +... + Кл(дБ).

Обычно в усилителе  содержатся реактивные элементы, в  том числе и «паразитные», а  используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

К и = Ku-ei'9 >

гае Ки = -ых — модуль коэффициента усиления;

U вх

Ф — сдвиг  фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами Uex и ивых. 

2.1.Основные характеристики усилителей.

Классификация. Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

• по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов с частотой от 10 Гц до 100 кГц; широкополосные усилители, усиливающие сигналы от 1 до 100 МГц; избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;
• по роду усиливаемого сигнала: усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от 0 Гц и выше; усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;
• по функциональному назначению: усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности (в зависимости от того, какой из параметров усиливается усилителем).

Амплитудная характеристика – зависимость амплитуды сигнала на выходе устройства (прибора) от амплитуды сигнала на его входе. По форме А. х. судят о линейности системы (электрических, механических и др. устройств) и нелинейных искажениях (при отклонении А. х. от прямой линии), степени совершенства автоматической регулировки усиления приёмника и т. д.

   Типовая  амплитудная характеристика.

О линейности усилителя  можно судить и по его амплитудной  характеристике (АХ), т.е. зависимости  амплитуды выходного сигнала  от амплитуды входного U m ​​ вых =f( U m  вх ). Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического сигнала частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Отношение выходного и входного напряжений равно K0. Поэтому амплитудная характеристика, казалось бы, должна быть прямой линией, исходящей из начала координат. Однако в действительности она совпадает с этой прямой только в средней части.

Начальный участок  амплитудной характеристики отклоняется от прямой из-за наличия на выходе усилителя собственных помех. Основными из них являются фон, наводки и шумы, а в УПТ - еще и дрейф нуля. Они приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала.

Амплитудно-частотная характеристика, зависимость амплитуды синусоид, колебания от его частоты на выходе устройства. Измеряется при постоянной амплитуде изменяемого по частоте колебания на входе устройства и линейном режиме его работы. Часто А.-ч. х. упрощённо называют частотной характеристикой. Для наглядности А.-ч. х. строят в виде графика: по оси ординат откладывают амплитуды  или относительные амплитуды, а по оси абсцисс — частоты (иногда в логарифмическом масштабе). В электротехнике, радиоэлектронике и др. областях техники по амплитудно-частотной характеристике определяют различные параметры (полосу пропускания частот, избирательность и др.), по которым судят о работе устройств, приборов.

Амплитудно-частотная   характеристика.

Амплитудно-частотная  характеристика  показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Вместо амплитуды в этой характеристике часто используют также такой параметр сигнала, как его мощность.

Знание амплитудно-частотной  характеристики реальной линии позволяет  определить форму выходного сигнала  практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти  спектр входного сигнала, преобразовать  амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной  характеристикой, а затем найти  форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники.

Несмотря на полноту информации, предоставляемой  амплитудно-частотной характеристикой  о линии связи, ее использование  осложняется тем обстоятельством, что получить ее весьма трудно. Ведь для этого нужно провести тестирование линии эталонными синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту  входных синусоид нужно с небольшим  шагом, а значит, количество экспериментов  должно быть очень большим. Поэтому  на практике вместо амплитудно-частотной  характеристики применяются другие, упрощенные характеристики - полоса пропускания  и затухание.

Переходная  характеристика        

Об искажениях усиливаемого импульсного сигнала (например, в видеоусилителях) можно  судить по переходной характеристике усилителя. Переходной характеристикой  h(t) усилителя называют реакцию усилителя на входное воздействие в виде единичного скачка (ступеньки) тока или напряжения:  

U вх (t)=0  при  t<0,

U вх (t)= 1  при  t≥0.         

Аналитически  переходную характеристику h(t)   можно определить как оригинал операторного выражения K(p) K 0 ⋅p , где K(p)= U вых (p) U вх (p) - операторный коэффициент передачи (передаточная функция усилителя). Возможный вид переходной характеристики усилителя приведен на рис. 1.3.

Переходная  характеристика усилителя       

 Представляют  интерес следующие параметры  переходной характеристики:        

1) время нарастания фронта t ф = t 0,9 − t 0,1 ,  определяемое как время, в течение которого выходной импульс нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 от установившегося значения h(t);        

2) относительный выброс фронта импульса δ = h max −1,  представляющий собой превышение выходного сигнала над его установившимся значением;        

3) относительный спад плоской вершины выходного импульса Δ = 1 − h ( t и ) за время действия входного импульса прямоугольной формы длительностью tи .

2.2.  Обратная связь  в усилителях. 

Понятие «обратная  связь» (ОС) широко используется как  в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние  некоторой выходной величины на некоторую  входную, которая в свою очередь  существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину). В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС), которая и будет рассматриваться ниже. При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал, таким образом, влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала.

    Усилитель, у которого часть энергии  выходного сигнала подается на вход, называется усилителем с обратной связью. Структурная схема усилителя  с обратной связью показана на рисунке: 
 
 
 

   Обратные  связи бывают полезными, если мы их создаем сами, и паразитными (вредными), если они возникают в схемах помимо нашего желания.

   По  месту нахождения по отношению к  усилителю ОС могут быть внутренними, если передача сигнала с выхода на вход происходит через внутренние элементы усилителя, и внешними, если они охватывают усилитель снаружи.

   По  воздействию на величину коэффициента усиления ОС бывают положительными, если увеличивают его, и отрицательными, если уменьшают.

   Реализация  полезных обратных связей может быть различной. Различают 4 вида обратных связей:

   -последовательная ОС по напряжению 
   -параллельная ОС по напряжению 
   -последовательная ОС по току 
   -параллельная ОС по току

Для определения  вида обратной связи (ОС) нужно "закоротить" нагрузки. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это  ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль, то это ОС по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя  на вход, пропорционален выходному  напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи  используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала.

Влияние отрицательной  обратной связи на основные характеристики усилителя.

   Влияние положительной обратной связи не рассматриваем, т.к. она в усилителях практически не используется. Возникновение  паразитных положительных обратных связей приводит к ухудшению характеристик  усилителя и отказам в работе, что приводит к необходимости  предпринимать меры, обеспечивающие устранение или ослабление действия положительной обратной связи.

   На  практике широко используются отрицательные  обратные связи (ООС) в усилителях для  целенаправленного изменения характеристик:

• Коэффициент усиления

• АЧХ усилителя, охваченного ООС

• Входное сопротивление  усилителя, охваченного ООС

• Выходное  сопротивление усилителя, охваченного  ООС