Общие сведения об усилителях электрических сигналов

ТЕМА 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ

Общие сведения об усилителях электрических сигналов

В радиоприемных, радиопередающих устройствах и в устройствах радиоавтоматики первоначально приходится иметь дело с весьма слабыми электрическими сигналами, которые неспособны обеспечить нормальную работу оконечного (исполняющего) устройства.

8 Сигнал (электрический сигнал) – это некоторое сообщение, конкретная форма которого представлена в виде изменений электрического тока и напряжения.

Чтобы усилить мощность полезного сигнала до необходимого уровня, применяются электронные усилители.

8 Определение. Электронным усилителем называется устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током (а, следовательно, и мощностью), поступающим от источника питания в нагрузку.

Усилитель состоит из нелинейного элемента, нагрузки и источника постоянного или (реже) переменного напряжения, называемого источником питания (рис. 4.1).

Под действием входного электрического сигнала U_вх(t) изменяется один из параметров управляемого нелинейного элемента (чаще всего сопротивление), что обуславливает изменение протекающего через него тока и, следовательно, падения напряжения на нагрузке, которое является выходным электрическим сигналом усилителя U_вых(t).

В нагрузку энергия поступает от источника питания, мощность которого значительно больше мощности, потребляемой нелинейным элементом от источника входного сигнала. Поэтому мощность выходного сигнала может в несколько раз превышать мощность входного сигнала.

В качестве управляемого нелинейного элемента в электронных усилителях используются транзисторы (полевые и биполярные), микросхемные операционные усилители, электронные лампы, специальные сверхвысокочастотные диоды: диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, туннельные диоды.

Схема усилителя, а также требования, предъявляемые к нему, существенно зависят от параметров усиливаемого электрического сигнала и характеристик источника этих сигналов.

Для авиационного радиоэлектронного оборудования характерно применение следующих видов сигналов:

постоянных и медленно меняющихся во времени;

высокочастотных;

модулированных;

импульсных последовательностей с длительностями импульсов t _и от долей микросекунд до единиц – десятков миллисекунд с частотой повторения f = 1 /T_п, от единиц герц до нескольких десятков мегагерц (рис. 4.2).

Характерная особенность рассматриваемых электрических сигналов состоит в том, что они в большинстве случаев являются сложными, не синусоидальными. Однако каждый из таких сигналов можно представить в виде суммы конечного или бесконечного числа гармонических составляющих. Так, если усиливаемый сигнал имеет периодический характер, то его можно разложить, например, в тригонометрический ряд Фурье

,

где U _o/2 – постоянная составляющая сигнала u(t); U_im и j _i – амплитуды и начальные фазы i -х гармонических составляющих; w _с = 2p f_с – частота периодического сигнала u(t).

Совокупность гармонических составляющих сложного сигнала называется его спектром. Спектр наглядно может быть представлен в виде графической зависимости амплитуды гармонических составляющих от частоты (рис. 4.3).

Диапазон частот D f_c, включающий все гармонические составляющие сигнала, называется шириной спектра: D f_c = k f_c. Ширина спектра является важнейшей характеристикой сигнала. Зная ширину спектра входного сигнала усилителя, можно предъявить конкретные требования к частотным свойствам усилителя. При отсутствии постоянной составляющей (U _o/2 = 0) в спектре усиливаемого сигнала ширина спектра определяется частотами высшей и низшей гармонических составляющих D f_c = kf_c – f_c. Сигналы, представляемые бесконечной суммой гармонических составляющих, имеют неограниченный спектр. Для таких сигналов используется понятие активной ширины спектра, включающей только те гармонические составляющие, которые отражают сигнал с требуемой точностью.

Кроме ширины спектра важной характеристикой усиливаемого сигнала является значения боковых частот спектра.

Определим спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов величиной U_m (рис. 4.2, в). Известно, что периодический несинусоидальный сигнал u(t) может быть представлен бесконечным тригонометрическим рядом Фурье

,

где w _n = 2p f_п, – частота следования импульсов, – постоянная составляющая напряжения прямоугольной формы. Следовательно, рассматриваемый сигнал имеет неограниченно широкий спектр. Для идеального воспроизведения такого сигнала при усилении необходимо иметь усилитель с бесконечной полосой пропускания, что практически неосуществимо. Но в этом и нет необходимости, так как периодическую последовательность прямоугольных импульсов можно усилить с практически допустимыми искажениями, если считать, что ширина спектра сигнала D f_с = 1/t _и, поскольку большинство гармоник с большими амплитудами содержится в диапазоне частот 0…1/t _и (рис. 4.4). Хотя усилитель, рассчитанный на сигнал с активной шириной спектра D f_с = 2/t _и, позволит усилить его с меньшими искажениями.

Дата добавления: 2015-10-28