Аналоговые элементы и устройства

Наряду с явно прогрессирующим в последнее время распространением цифровых устройств обработки информации аналоговые устройства по-прежнему широко применяются в современной электронной технике. Это объясняется принципиальной особенностью аналогового способа обработки информации, при котором такая обработка происходит непрерывно и все преобразования происходят практически мгновенно.

Среди аналоговых устройств обработки информации, получивших широкое применение в электронной технике, можно выделить такие основные устройства, как разнообразные усилители, генераторы, различные аналоговые преобразователи и др.

Усилители электрических сигналов

Общие сведения

При решении многих инженерных задач, например, при измерении электрических и неэлектрических величин, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители.

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления слабых электрических сигналов по напряжению, току или мощности. В усилителе входной сигнал напряжения или тока используется для управления током (а следовательно, мощностью), поступающим от источника питания в нагрузку. Обобщенная схема усилителя приведена на рис. 10.26. В современных усилителях, широко применяемых в промышленной электронике, используются транзисторы (биполярные и полевые) и интегральные микросхемы.

Обобщенная схема усилителя

Рис. 10.26. Обобщенная схема усилителя

Источниками сигналов могут быть различные преобразователи неэлектрических величин в электрические: микрофоны, пьезоэлементы, считывающие магнитные головки, термоэлектрические датчики и др. Частота и форма напряжения или тока этих источников может быть любой, например импульсной, гармонической и др.

Нагрузкой усилителя могут быть различные устройства, преобразующие электрическую энергию в неэлектрическую, например громкоговорители, индикаторные устройства, осветительные и нагревательные приборы и др. Характер нагрузки может существенным образом влиять на работу усилителя.

Простейшим электронным усилителем является усилительный каскад (рис. 10.27), содержащий нелинейный усилительный элемент УЭ (транзистор), нагрузочный резистор RH и источник электрической энергии Еп с напряжением питания Un. Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение пвх (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения иВых (усиленный сигнал).

Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет энергии источника Еп. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления и тока через УЭ, а следовательно, и тока iBbIX в выходной цепи, под воздействием входного напряжения ивх. Выходное напряжение пвых снимается с резистора RH. Довольно часто, когда необходимо иметь общий вывод для источника входного сигнала нагрузочного устройства, выходное напряжение пвых снимается с УЭ. Величина выходного напряжения пвых и выходная мощность рвых зависят от величины напряжения питания Un источника и сопротивления нагрузки RH. Усилительные свойства усилителя зависят от степени влияния входного сигнала ивх на ток управляемого элемента УЭ. Чем больше это влияние, тем больше будет падение напряжение от тока iBbIX на резисторе RH, а значит, и выходное напряжение ивых.

Структурная схема усилительного каскада

Рис. 10.27. Структурная схема усилительного каскада

Таким образом, усиление основано на преобразовании энергии источника питания в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Важно отметить, что, поскольку усиление происходит за счет энергии источника напряжения питания, выходное напряжение усилителя не может быть больше напряжения Un источника питания для усилителей с двуполярным питанием и половины Uu для усилителей с однополярным питанием.

В современных усилителях в качестве УЭ широко используются транзисторы и интегральные микросхемы.

В зависимости от того, какой параметр входного сигнала (напряжение, ток или мощность) требуется увеличить с помощью усилителя, различают усилители напряжения, тока и мощности.

В инженерной практике наиболее широкое распространение получили многокаскадные усилители напряжения, позволяющие получить усиление напряжения в десятки тысяч и даже миллионы раз.

Усилители тока применяют в тех случаях, когда в нагрузочном устройстве, обладающем, как правило, малым сопротивлением, требуется получить значительный ток.

Усилителями мощности обычно являются выходные каскады многокаскадных усилителей. Они работают в режимах, обеспечивающих получение максимально возможной мощности нагрузочного устройства.

В зависимости от диапазона частот усиливаемых сигналов усилители подразделяют на несколько видов. Для усиления медленно изменяющихся сигналов используются усилители постоянных сигналов или усилители постоянного тока (УПТ), для усиления сигналов в диапазоне частот от десятков герц до десятков килогерц — усилители низкой частоты (УНЧ), для усиления сигналов в диапазоне частот от сотен килогерц до сотен мегагерц —усилители высокой частоты (УВЧ). Для усиления импульсных сигналов, имеющих спектр частот от десятков герц до сотен мегагерц, применяются широкополосные усилители (ШПУ). При необходимости усиления сигналов в узком диапазоне частот применяются узкополосные или избирательные усилители.

Способы соединения (связи) каскадов зависят от вида многокаскадного усилителя. Так, в УПТ связь между каскадами осуществляется непосредственно или с помощью резисторов. Такие усилители называются усилителями с непосредственной или резистивной связью.

В усилителях переменного напряжения (УНЧ, УВЧ и ШПУ) для связи между каскадами чаще всего используются конденсаторы и резисторы. Такие усилители называются усилителями с емкостной или резистивно-емкостной связью (RC-усилители). Конденсаторы в усилителях переменного напряжения служат для отделения переменной составляющей напряжения от его постоянной составляющей, действующей в каскаде усиления.

По способу включения УЭ различают три основных типа усилительных каскадов как на биполярных (с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой), так и на полевых (с общим истоком, общим стоком и общим затвором) транзисторах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >