Классификация и области применения аналоговых электронных устройств

Аналоговые электронные устройства можно условно разделить на две большие группы:

- усилители;

- устройства, выполненные на основе усилителей.

Усилители являются самыми распространёнными электронными устройствами. Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

В свою очередь усилители можно подразделить на два класса:

- усилители с линейным режимом работы;

- усилители с нелинейным режимом работы.

К усилителям с линейным режимом работы (или усилителям мгновенных значений) предъявляется требование получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Ис-кажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть минимальными. Это достига-ется пропорциональной передачей усилителем мгновенных значений напряжения (тока), сос-авляющих во времени входной сигнал. Коэффициенты усиления в данном случае рассчиты-вают по амплитудным или действующим значениям (в случае синусоидального сигнала) нап-ряжения и тока.

В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче мгно-венных значений входного сигнала отсутствует. После достижения некоторой величины на-пряжения входного сигнала при его увеличении сигнал на выходе усилителя остается без из-менения (ограничивается на некотором уровне). Такие усилители применяются для преобра-зования входного сигнала, например синусоидального, в импульсный сигнал (усилители-ог-раничители). Они используются также для усиления импульсов (нелинейные импульсные усилители).

Усилители с линейным режимом работы можно классифицировать по нескольким признакам:

по форме (виду) усиливаемых сигналов:

- усилители гармонических (непрерывных) сигналов;

- усилители импульсных сигналов.

Усилители гармонических (непрерывных) или квазигармонических (почти гармонических – речевых, музыкальных и т.п.) сигналов предназначены для усиления сигналов, изменение которых во времени происходит намного медленнее длительности переходных процессов в самих усилителях. Свойства таких усилителей оценивают по качеству передачи гармонического колебания.

Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсных периодических или непериодических сигналов, например радиолокационных, телевизионных, телеграфных и т.д. Здесь проявляются переходные процессы, поэтому длительность собственных переходных процессов в усилителе не должна вызывать искажения исходной формы усиливаемых сигналов. Свойства таких усилителей оценивают по форме переходной характеристики.

По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени:

- усилители переменного тока;

- усилители постоянного тока.

Усилители переменного тока усиливают только переменную составляющую входного сигнала. Они усиливают колебания с частотами от нижней граничной частоты f_Н до верхней граничной частоты f_В. За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания Df = f_В – f_Н , усиление падает ниже допустимого уровня. Под условной полосой пропускания понимают частотный диапазон, в пределах которого уровень выходного сигнала не ниже 0,707 максимальной амплитуды сигнала.

Усилители постоянного тока УПТ (усилители медленно меняющихся напряжений и токов) усиливают колебания с частотами, начиная с нуля герц. Верхняя граничная частота в УПТ может составлять в зависимости от назначения 10³ – 10⁸ Гц. Усилители называют УПТ даже в том случае, если они в первую очередь предназначены для усиления мощности или напряжения. Эти усилители широко применяются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники [1 – 3, 5, 6].

По диапазону усиливаемых частот:

- усилители постоянного тока УПТ – устройства с диапазоном усиливаемых частот от нуля герц до сотен мегагерц;

- усилители низкой частоты УНЧ - устройства с диапазоном усиливаемых частот от единиц герц до сотен килогерц, причем f_В >> f_Н . Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней граничной частоты к нижней у усилителей данного типа велико и обычно составляет не менее нескольких десятков, доходя в отдельных случаях до десятков тысяч. Часто усилители низкой частоты называют усилителями звуковой частоты УЗЧ, т.к. спектр усиливаемых ими колебаний находится в области звуковых частот (20 Гц – 20 кГц);

- усилители высокой частоты УВЧ - устройства с диапазоном усиливаемых частот от десятков герц до сотен мегагерц;

- широкополосные усилители ШУ (ШПУ) - устройства с диапазоном усиливаемых частот от нескольких герц и ниже до нескольких мегагерц и выше. Обычно ШУ имеют нижнюю граничную частоту примерно такую же как УНЧ, а верхнюю – как УВЧ. К ШУ относятся усилители видеотракта в телевизионной технике, видеоусилители радиолокационных приёмников, усилители многоканальных линий связи (например, радиорелейных), на основе ШУ выполняют линейные импульсные усилители, кроме того они с успехом применяются также в устройствах автоматики и вычислительной техники. Во многих случаях усиленные сигналы воспроизводятся на экране электронно-лучевой трубки и регистрируются визуально. Поэтому часто ШУ называют видеоусилителями;

- избирательные (селективные, узкополосные УПУ) усилители – устройства, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней граничной частоты к нижней (обычно f_В / f_Н < 1,1). Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяя выделить (или подавить) заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качестве нагрузки таких усилителей одного или нескольких колебательных (резонансных) контуров, резонансная частота которых f_Р » ( f_Н + f_В ) / 2. Поэтому они называются также резонансными или полосовыми усилителями. Их полоса пропускания Df << f_Р . Остальные усилители называются апериодическими, т.к. в них используются апериодические (нерезонансные) нагрузочные и согласующе-разделительные цепи с минимальной зависимостью коэффициента передачи от частоты.

Рис. 1.1. Классификация усилителей по диапазону усиливаемых частот

Важнейшим показателем усилителей с линейным режимом работы является амплитуд-но-частотная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля коэффициента усиления K_U , определенного для синусоидального входного сигнала, от частоты. При использовании АЧХ классификация усилителей по диапазону усиливаемых частот становится более наглядной (см. рис. 1.1) [1, 2, 4 – 8].

По функциональному назначению или типу усиливаемой величины:

- усилители напряжения;

- усилители тока;

- усилители мощности.

Данный признак классификации имеет в виду предназначение усилителя, т.е.: если определяющим свойством усилителя является усиление напряжений (тока), то усилитель называется усилителим напряжения (тока); под усилителем мощности обычно понимается усилитель (или оконечная его часть), рассчитанный на отдачу в цепь внешней нагрузки определённой мощности при соответствующей величине выходного сигнала. Однако усиление сигнала по мощности наблюдается в любом усилителе в отличие от других преобразователей электрического сигнала. Например, у трансформатора, преобразующего напряжение или ток, мощность на выходе всегда остается неизменной по отношению к его входной мощности. Поэтому указанная классификация для усилителей имеет несколько условный характер, выражая лишь основное целевое назначение усилителя.

По характеру связей между усилительными каскадами:

- усилители с гальванической или непосредственной связью, предусматривающие передачу между каскадами сигнала как переменного, так и постоянного токов;

- усилители с RC – связями, в которых между выходом предыдущего и входом последующего каскадов включают резистивно-емкостную связь, исключающую передачу сигнала постоянного тока;

- усилители с индуктивной (трансформаторной) связью, в которых между каскадами включается трансформатор;

- усилители с резонансно - трансформаторной связью.

По типу усилительных элементов:

- ламповые;

- диодные;

- транзисторные;

- на интегральных микросхемах;

- диэлектрические;

- магнитные;

- оптоэлектронные и др.

В ряде случаев усилители выполняются комбинированными с применением активных компонентов различных типов.

По виду нагрузки:

- усилители с активной нагрузкой;

- усилители с активно-индуктивной нагрузкой;

- усилители с емкостной нагрузкой;

- резонансные усилители, нагрузка в которых обладает свойствами резонансного контура.

По области применения:

- микрофонные;

- трансляционные;

- измерительные;

- телевизионные;

- магнитофонные;

- радиолокационные и др.

Кроме того усилители подразделяются на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием усиливаемого сигнала.

Также усилители можно классифицировать по типу питания (батарейное, сетевое и т.д.), по числу каскадов (однокаскадные, двухкаскадные и т.д.), по конструкторскому и технологическому исполнению и др.

Если рассматривать источник сигнала, который управляет передачей энергии источника питания в нагрузку R_Н , как идеальный генератор напряжения E_Г с внутренним сопротивлением R_Г , а усилитель как эквивалентный четырёхполюсник, то в зависимости от соотношения входного сопротивления усилителя R_ВХ и R_Г различают:

- усилители напряжения, если R_ВХ >>R_Г ;

- усилители тока, если R_ВХ << R_Г ;

- усилители мощности, если R_ВХ » R_Г ,

а в зависимости от соотношения выходного сопротивления усилителя R_ВЫХ и R_Н :

- усилители напряжения, если R_ВЫХ << R_Н ;

- усилители тока, если R_ВЫХ >> R_Н ;

- усилители мощности, если R_ВЫХ » R_Н .

Устройства на основе усилителей – это в основном преобразователи электрических си-гналов и сопротивлений. Первые из них называются также активными устройствами анало-говой обработки сигналов. Их выполняют на базе усилителей либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратной связи, либо путем некоторого видоизменения. Сюда относятся устройства суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др.

Преобразователи сопротивления также выполняют на основе применения принципа обратных связей в усилителях. Они могут преобразовывать величину, знак и характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах обработки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства [1 – 3, 7, 9, 10].

Аналоговые усилительные, фильтрующие и генераторные устройства и их место в современной телекоммуникационной аппаратуре

Таким образом, в аналоговом электронном устройстве входной естественно-непрерывный сигнал усиливается предварительным усилителем, затем отделяется от помех с помощью электрических фильтров и поступает, например, в блок измерителя, в котором измеряются основные параметры сигнала (например, амплитуда, фаза, частота, длительность, время запаздывания и т.д.). При этом осуществляются чисто аналоговые преобразования сигнала, не приводящие ни к изменению его непрерывности, ни к изменению длительности его существования.

В телекоммуникационной аппаратуре, например в аналоговых системах связи, одним из важных звеньев является источник сообщения, подлежащий передаче. В общем случае исходное сообщение не является электрическим, и поэтому его необходимо преобразовать в электрический (первичный) сигнал с помощью преобразователя сигнала. Так, например, при передаче речи и музыки такое преобразование осуществляется микрофоном, при передаче изображения – передающими телевизионными трубками, в телеграфии – с помощью телеграфного аппарата последовательность элементов сообщения (букв) заменяется последовательностью кодовых символов (0, 1 или точка, тире), которая одновременно преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока, при передаче информации о каких-либо неэлектрических процессах или величинах – специальными датчиками. В последнее время в структурных схемах радиоканала источник сообщения и преобразователь сигнала объединяют в одно звено, называемое источником первичных сообщений.

Передаваемый сигнал является низкочастотным, поэтому в некоторых случаях первичный сигнал непосредственно передают по линии связи. Так поступают, например, в обычной городской телефонной связи. Для передачи на большие расстояния (по кабелю, оптическому волокну или радиоканалу) первичный сигнал преобразуют в высокочастотный.

Передающее устройство включает в себя, кроме преобразователя сигнала, передатчик (содержащий модулятор, генератор несущей частоты и усилитель мощности) и передающую антенну. При передаче сообщения сигнал необходимо предварительно ввести в несущее высокочастотное электромагнитное колебание. Это осуществляется в модуляторе передатчика. Несущее колебание вырабатывается генератором несущей частоты.

Процесс, в результате которого один или несколько параметров несущего колебания изменяются по закону передаваемого сообщения, называется модуляцией. Модулированное высокочастотное колебание относят к вторичным сигналам и называют радиосигналом.

Передача и приём модулированных электромагнитных колебаний (радиосигналов) осуществляется с помощью антенн.

Высокочастотные сигналы, улавливаемые приёмной антенной, поступают в приёмник. Приёмная антенна улавливает очень малую долю энергии, излучённую передающей антенной, поэтому принятые модулированные колебания подаются предварительно на избирательный усилитель, который помимо усиления выделяет полезный радиосигнал из совокупности многих радиосигналов и помех, одновременно поступающих на приёмную антенну.

Усиление радиосигналов осуществляется и в последующих каскадах приёмника. При этом непосредственное усиление сигнала используется крайне редко. В приёмнике используется преобразователь, в котором разные несущие частоты сигналов, поступающих на вход его смесителя, преобразуются с помощью вспомогательного генератора (гетеродина) в сигналы с одинаковой, более низкой несущей частотой, называемой промежуточной. Тогда дальнейшее усиление информационных сигналов будет происходить на одной частоте без перестройки схем в усилителе промежуточной частоты, который производит основное усиление в приёмнике и улучшает селекцию по частоте полезного сигнала. Такой приёмник называется супергетеродинным.

Детектор или демодулятор осуществляет процесс, обратный модуляции – выделяет из принятого, усиленного и преобразованного высокочастотного колебания передаваемый сигнал.

Оконечное устройство приёмника преобразует низкочастотный электрический сигнал детектора в форму информации, удобную для получателя [4, 11].