Усиление электрических колебаний (Принцип усиления и классификация усилителей. Неопределенная матрица проводимостей и поворот трехполюсников. Общие соотношения для усилителей. Нелинейные цепи в режиме постоянного тока. Цепи питания усилителей от одного источника)

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) Усилители высокой частоты. Для усиления колебаний  модулированной высокой частоты, например, радиосигналов. Иногда подразделяют:

10МГц1ГГц - 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 выходунадо 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 Y_вх

если   

  т.е. имеет место усиление.