Электрорадиотехнические цепи и устройства приема и передачи сигналов

1. «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университетим. Н.И. Лобачевского» Балахнинский филиал ННГУ

Электрорадиотехнические цепи и
устройства приема и передачи
сигналов
Лекционный курс
К.ф.-м.н. Ястребов И.П.
2021

2. Разделы курса

Введение в радиопередающие устройства
Частотные фильтры
Усилители
Цепи с обратными связями
Параметрические цепи
Нелинейные цепи
Преобразователи частоты
Генераторы
Модуляторы
Детектирование сигналов
Радиоприемники
Радиопередатчики

3. Каналы радиосвязи

Каналом связи в общем случае называется совокупность
технических средств и физической среды, в которой сигналы,
отображающие передаваемую информацию, распространяются от ее
источника к ее получателю.
Схема канала
• 1 – источник сообщения, 2 – преобразователь сообщения (ПС) в
сигнал и цепи связи этого преобразователя с радиооборудованием
устройства ПС, 3 – радиопередатчик, 4, 6 – антенна, 5 –
пространство распространения радиоволн, 7 – радиоприемник, 8 –
цепи связи радиоприемного устройства с последующими цепями и
устройствами и преобразователь сигнала в сообщение,
воспроизводящее устройство, 9 – получатель сообщения.

4. Радиопередающее и радиоприемное устройства

5. Диапазоны электромагнитных волн

6. Диапазоны радиоволн

Приняты и применяются следующие пределы и условные обозначения
диапазонов:
№ 4 – мириаметровые волны и очень низкие частоты (ОНЧ) – от 3 до 30
кГц;
№ 5 – километровые волны и низкие частоты (НЧ) – от 30 до 300 кГц;
№ 6 – гектометровые волны и средние частоты (СЧ) – от 300 до 3000 кГц;
№ 7 – декаметровые волны и высокие частоты (ВЧ) – от 3 до 30 МГц;
№ 8 – метровые волны и очень высокие частоты (ОВЧ) – от 30 до 300
МГц;
№ 9 – дециметровые волны и ультравысокие частоты (УВЧ) – от 300 до
3000 МГц;
№ 10 – сантиметровые волны и сверхвысокие частоты (СВЧ) – от 3 до
30 ГГц;
№ 11 – миллиметровые волны и крайне высокие частоты (КВЧ) – от 30
до 300 ГГц;
№ 12 – децимиллиметровые волны и гипервысокие частоты (ГВЧ) – от
300 до 3000 ГГц (иначе – до 3 ТГц).

7. Особенности распространения

• Длинные волны огибают поверхность земли
• Средние волны могут отражаться ль ионосферы
• Короткие волны распространяются в пределах
прямой видимости
• В диапазонах выше 1 Ггц эффективное
распространение возможно только в окнах
прозрачности

8. Окна прозрачности находятся между линиями поглощения атмосферных газов на частотах переходов между уровнями: электронными,

колебательными,
вращательными

9. Структурные схемы приемников

Приемник состоит из радиотракта и детектора. Назначение
радиотракта в приемнике – обеспечить усиление сигнала и его
фильтрацию от помех. Приемник с радиотрактом, в котором
осуществляется усиление на радиочастоте, называется
приемником прямого усиления, приемник с преобразованием
частоты в радиотракте – супергетеродинным.
Приемник прямого усиления.

10. Супергетеродинный приемник

• На преобразователь частоты (ПрЧ) подается два колебания: с
частотой сигнала fc с выхода УРЧ (в некотрых приемниках УРЧ
может отсутствовать) и с частотой fг от местного генератора (Г),
называемого гетеродином.

11. Цифровые радиоприемники

Приемники, в которых основную обработку принятых
сигналов производят с помощью цифровых устройств, называют
цифровыми.
УАО - устройстве аналоговой обработки, которое включает в себя
элементы структурной схемы супергетеродинного приемника
УВХ - устройство выборки-хранения
ПОС - процессор обработки сигнала

12. Основные характеристики радиоприемника

Чувствительностью называют способность приемника
принимать
слабые
радиосигналы.
Количественно
чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне
ЕА или мощностью РА, при которой на выходе приемника
сигнал воспроизводится с требуемым качеством.
Селективность – это способность приемника отделять
полезный сигнал от мешающих. Односигнальная
селективность определяется АЧХ фильтров радиотракта
приемника.
Стабильность приемника – способность
обеспечивать прием полезного сигнала
длительное время без ухудшения качества
воспроизводимого сообщения и без каких-либо
ручных регулировок.

13.

• Динамический диапазон приемника – диапазон амплитуд
входного сигнала, при которых обеспечивается требуемое
качество воспроизведения принятого сообщения.
• Качество воспроизведения принятого сообщения определяется
линейными и нелинейными искажениями в каскадах приемника,
допустимые значения которых зависят от назначения РПУ.
• Помехоустойчивость - способность приемника обеспечивать
нужное качество приема при действии различного вида помех.
• Диапазон рабочих частот или длин волн приемника
определяет область частот, на которые он может быть настроен
• Точность настройки частоты приемника на частоту
принимаемого сигнала.
• Точность установки частоты.
• Время настройки на принимаемую частоту.
• Стоимость и экономичность.

14. Линейная фильтрация

Назначение линейного фильтра – выделение из состава
сложного электромагнитного колебания, подведенного ко входу
фильтра, частотных составляющих, расположенных в заданной
полосе частот, и подавления тех частотных составляющих,
которые расположены в других полосах частот.
По взаимному расположению полос пропускания и
задерживания различают фильтр нижних частот (ФНЧ), фильтр
верхних частот (ФВЧ) и полосовой фильтр (ПФ).

15.

ФНЧ (фильтр нижних частот)

16. Коэффициент передачи ФНЧ

17.

18. ФВЧ (фильтр верхних частот)

19.

20. Полосовая фильтрация. Последовательный колебательный контур

Подставим

21.

• Резонанс получается при определенной частоте, которую
находим из равенства

22.

23. Резонансные кривые

24. Коэффициент передачи

25. Параллельный колебательный контур

практически не отличаются друг от друга, но сдвиг по фазе
между ними близок к 180о , поэтому результирующий ток I ≈ 0

26. Частотные характеристики входного сопротивления параллельного контура

27.

имеет знак, противоположный
знаку фазовой характеристики
последовательного
контура

28. Частотные характеристики токов и напряжений в параллельном контуре

29. Сравнение последовательного и параллельного контуров

30. Сравнение последовательного и параллельного контуров

31. Связанные контура

• Примеры различных связей

32. Уравнения для первой схемы.

I1 и I2 - токи в первом и втором контуре соответственно

33.

Собственные колебания в связанных контурах

34. Характеристическое уравнение

Собственные частоты

35.

36.

- частота биений

37. Отношение периодов

38. Вынужденные колебания в связанных контурах

Преобразуем:

39. Резонансные кривые для токов

40.

Q1 и Q2 – добротности контуров
Введем обобщенную расстройку

41. Амплитуда тока во втором контуре I20

42. Полоса пропускания

43.

Свойство связанных контуров менять полосу
пропускания при неизменной добротности входящих
в систему контуров используется в радиотехнических
системах при создании фильтров с сосредоточенной
селекцией. Существенным преимуществом системы
связанных контуров по сравнению с одиночными
контурами является форма АЧХ и ФЧХ. Фильтры на
основе связанных контуров имеют АЧХ и ФЧХ,
близкие по форме к идеальным, П-образной и
линейной форме соответственно.

44. Принципы усиления сигналов. Усилительные элементы

45. Другой пример усиления

Мощность, выделяемая на лампочке P = I2R
Управлять «заслонкой» можно малым током, получая
большой ток на лампочке

46. Что происходит в усилителе

Усилители — большой класс систем, в которых слабое,
маломощное воздействие управляет мощными потоками
энергии.
Что происходит в усилителе
Усиление не меняет форму сигнала и относится к
переменной части сигнала

47. Постоянная и переменная составляющие

Исторические этапы (элементной базы)
1) Электронные лампы
2) Транзисторы
3) Интегральные схемы

48. Электронные лампы

• Электронная лампа (радиолампа) - техническое нововведение
начала XX в., которое коренным образом изменило методы
использования электромагнитных волн, определило
становление и быстрый расцвет радиотехники.
• История открытия
Открытие механизма работы всех ваккумных электронных
приборов (теромоэлектронной эмиссии) совершил Томас
Эдисон в 1883 году во время работы над усовершенствованием
своей лампы накаливания.
Термоэлектронная эмиссия

49.

• В 1905-м году используя это открытие Джон Флеминг создал
первую электронную лампу - "прибор для преобразования
переменного тока в постоянный". Эту дату считают началом
рождения всей электроники
• Электронные лампы сыграли в развитии радиотехники и
электроники очень важную роль. При помощи электронной
лампы оказалось возможным генерировать незатухающие
колебания, необходимые для радиотелефонии и телевидения.
Появилась возможность усиливать принимаемые
радиосигналы, благодаря чему стал доступен прием весьма
отдаленных станций.
• Далее, электронная лампа оказалась наиболее совершенным и
надежным модулятором, т. е. прибором для изменения с
низкой частотой амплитуды или фазы высокочастотных
колебаний, что необходимо для радиотелефонии и
телевидения.
• Выделение колебаний звуковой частоты в приемнике
(детектирование) также наиболее успешно осуществляется
при помощи электронной лампы. Работа электронной лампы в
качестве выпрямителя переменного напряжения долгое время
обеспечивало питание радиопередающих и радиоприемных
устройств.
• Кроме всего этого, на электронныx лампаx них были построены
первые компьютеры.

50.

• Недостатки электронных ламп: большие размеры,
громоздкость, низкая надежность устройств построеных на
большом количестве ламп, необходимость в дополнительной
энергии для нагрева катода, большое выделение тепла, часто
требующее дополнительного охлаждения.
Принцип работы и устройство электронных ламп
В электронной лампе используется процесс
термоэлектронной эмиссии — испускания электронов
накаленным металлом, находящимся в эвакуированном баллоне.
Давление остатков газа настолько ничтожно, что разряд в лампе
практически можно считать чисто электронным, так как ток
положительных ионов исчезающе мал по сравнению с
электронным током.
Двухэлектродные лампы
Двухэлектродные лампы применялись для выпрямления
переменного тока (кенотроны). Подобные же лампы,
применяемые при радиочастотах для детектирования,
назывались диодами.

51.

• Трехэлектродные лампы
Изобретатель триода Ли де Форест (добавил в
электронную лампу управляющую сетку)
Через год после появления технически пригодной
двухэлектродной лампы в нее был введен третий электрод —
сетка, выполненный в виде спирали, расположенной между
катодом и анодом. Получившаяся таким образом
трехэлектродная лампа (триод) приобрела ряд новых ценных
свойств и получила широкое применение. Такая лампа уже
могла работать в качестве усилителя. В 1913-м году с ее
помощью был создан первый автогенератор.

52. Многоэлектродные лампы

Многоэлектродные лампы были созданы для того что бы
повысить коэффициент усиления и уменьшить входную емкость
лампы. Дополнительная сетка как бы экранирует анод от прочих
электродов, поэтому ее называют экранирующей (экранной) сеткой.
Емкость между анодом и управляющей сеткой в экранированных
лампах снижается.
Но работа экранированной лампы осложняется так
называемым динатронным эффектом: при достаточно больших
скоростях электроны, достигающие анода, вызывают вторичную
эмиссию электронов с его поверхности.
Для его устранения между экранирующей сеткой и анодом
вводится
еще
одна
сетка,
называемая
защитной
(противодинатронной). Она соединяется с катодом (иногда внутри
лампы). Находясь под нулевым потенциалом, эта сетка тормозит
вторичные электроны, не оказывая существенного влияния на
движение основного электронного потока.
Подобные пятиэлектродные лампы — пентоды получили
широкое распространение.

53. Структура пентода

54. Вакуумный диод

• Катод внутри содержит изолированный проводник, нагреваемый
переменным или постоянным током. При нагревании, катод
испускает электроны, которые движутся и достигают второго
элемента вакуумного диода – анода. Анод имеет вид овального
или круглого цилиндра. Он с катодом имеет общую ось. Схема
диода вакуумного типа имеет следующий вид.

55.

• Катод представляет собой W-образную или прямую
нить. Он, в процессе работы такой лампы,
нагревается до определенной температуры. В
результате нагрева возникает термоэлектронная
эмиссия. В ходе подачи на анод отрицательного
напряжения
относительно
катода,
электроны
возвращаются обратно на катод. Когда на анод
подается положительное напряжение, часть из
эмитированных электронов начинает двигаться в
нему. В результате возникает ток. В результате
своей работы вакуумные диоды и их аналоги
способны на выпрямление приложенного к ним
напряжения.

56. Вольт-амперная хаpaктеристика диода

57. Графическое пояснение

58. Принцип действия триода

• Когда триод проводит ток, электроны, двигаясь от
катоду к аноду, вынуждены проходить через
отверстия в управляющей сетке. Посредством
подачи небольшого отрицательного потенциала
на управляющую сетку через ножку на основании
лампы, можно управлять количеством электронов,
пролетающих от катода к аноду. Отрицательный
потенциал, подведенный к сетке управления
отталкивает часть электронов, но остальные
проходят через открытое пространство между
проводами и движутся к аноду. Таким образом,
протекание тока через лампу и внешнюю цепь
может управляться отрицательным потенциалом,
поданным на сетку управления.

59. Схема усилителя на триоде

60. О токе сетки

При положительном сеточном напряжении часть
электронов эмитированных катодом притягивается сеткой и
создает сеточный ток. В большинстве случаев появление тока
сетки является нежелательным. Поэтому в большинстве
случаев работа ламп при положительном сеточном напряжении
не используется.
Однако, даже равно нулю сеточное напряжение не на
гарантирует отсутствия тока сетки. Некоторые электроны могут
преодолеть даже тормозящее поле сетки при отрицательном
(небольшом отрицательном) сеточном напряжении и создать
ток сетки. Но при отрицательном сеточном напряжении ток
сетки будет очень малым, что позволяет его практически
игнорировать.
Таким образом, ток катода триода будет являться суммой
тока сетки и тока анода
iк=iа+iс
В то время, когда переменное напряжение на входе сетки
проходит через свой положительный полупериод, напряжение
на сетке управления становится менее отрицательным по
сравнению в катодом, так как положительное входное
напряжение вычитается с отрицательного потенциала сетки
управления. В результате отрицательный потенциал на сетке
управления уменьшается, и большее количество электронов
освобождается из пространственного заряда и движется через

61. Анодно-сеточные и сеточные характеристики

Между точками 1 и 2 тока анода растет. Однако, этот участок не линейный.
Между точками 2 и 3 ток анода возрастает почти линейно с ростом
напряжения на сетке.
В точке 3 начнет проявляться нелинейность возрастания тока катода, так
как катод приближается к пределу эмиссионной способности.
В точке 4 достигнут предел эмиссионной способности катода, далее ток
анода начинает снижаться, так как большинство вылетевших из катода
электронов перехватывается сеткой.

62. Работа триода графически

63. Полупроводники. p-n переход.

Полупроводники. p-n переход.
В зависимости от вида примессй моryт получиться две
разновидности: p -полупроводник и n- полупроводник, в первом
проводимость электронная, во втором – дырочная.
Важнейшее свойство p и n-полупроводников
односторонняя nроводимость в месте спайки Эта спайка
называется р-n пepeходом.

64. ВАХ полупроводникового диода

65. Биполярные транзисторы

Очень важно запомнить, что площадь коллекторноrо
перехода больше nлощади эмиттерноrо и, кроме этоrо, оба
перехода находятся очень близко друг к другу, т. е. база очень
тонкая, примерно 1-20 мкм.

66. Усиление биполярным транзистором

Если проделать соответствующие измерения, то можно
увидеть, что ток и напряжение на выходе транзистора
значительно больше тока и на пряжения на входе.

67. Водяная модель биполярнго транзистора

68. Схемы включения транзистора

Возможны следующие варианты усилителей:
1. ОЭ. Схема усиливает по напряжению и по току. Входное и
выходное сопротивления не очень велики
2. ОБ. Схема усиливает только по напряжению,а ток на входе и на
выходе почти один и тот же. Схема обладает малым входным и
большим выходным сопротивлением
3. ОК. (Эмиттерный повторитель) Схема усиливает только по току,
а напряжение на входе и на выходе почти одинаковое. Схема
обладает большим входным и малым выходным
сопротивлением
Схема ОЭ – хорош как усилитель по мощности
Схема ОБ хороший усилитель по напряжению. Кроме тoro, она
имеет очень хорошие частотные свойства и хорошую
температурную стабильность. Поэтому она часто используется
для усиления высоких частот.
Схема ОК применяется для согласования и развязки

69.

Схемы включения транзистора

70. Транзистор в роли ключа

В импульсной технике транзистор чаще всеro
используется в качестве ключа. В этом случае он или
заперт (сопротивление коллектор-эмиттер большое) или
открыт (сопротивление коллектор-эмиттер мало). Это
запирание и открывание достиrается путем
соответствующеrо запирания или пропускания тока базы.

71. Особенности биполярных транзисторов

1. Сопротивление эмиттерного перехода много меньше
коллекторного
2. Малый ток базы по сравнению с том коллектора или
эмиттера
- коэффициент усиления по
току (в схеме с ОЭ)
( до 1000)
3.
.
- коэффициент усиления по
току (в схеме с ОБ)
1

72. Характеристики биполярноrо транзистора

• В схеме с ОЭ входные характеристики выражают зависимость
тока базы Iб от приложенноо между базой и эмиттером
напряжением при определенном напряжении Uкэ.

73.

По входной характеристике можно найти входное
сопротивление транзистора для постоянного и переменного тока.
R вх от 0,5 до 5 кОм

74. Входные статические характеристики в схеме с ОБ

R вх от 10 до 100 Ом

75. Выходные статические характеристики в схеме с ОЭ

76. По выходной характеристике можно найти выходное сопротивление транзистора для постоянного и переменного тока.

R вых от 20 до 50 кОм

77. Выходные статические характеристики в схеме с ОБ

Выходное
сопротивление в
схеме с ОБ выше по
сравнению с ОЭ
R вых до 500 кОм

78. Статические характеристики прямой передачи по току

79. Проходная характеристика транзистора

– крутизна ВАХ

80. Рабочая точка транзистора

• Рабочая точка задает режим работы транзистора,
Она соответствует отсутсвию переменной
составляющей на входе

81. При таком выборе рабочей точки можно без искажений усиливать только слабые сигналы

82. Выбор рабочей точки

83. Схемы усилителей

Oсновные требования к схемам, обеспечивающей
рабочую точку транзистора:
• 1. Схема должна питаться от одноro источника тока.
• 2 Должно быть обеспечено соответствующее
напряжение смещения
• 3. Должна быть обеспечена соответствующая цепь
для переменного входноrо сигнала, чтобы он мor .оз-
действовать на управляющий эмиттерный переход.

84. Схема без стабилизации

Нагрузочное сопротивление
по переменному току
Импеданс C1 << сопротивления
управляющего перехода по
переменного тока
C2 и C3 – большие, что обеспечить к. з . по
переменному току

85. Схема с температурной стабилизацией

R.э и Сэ обеспечивают отрицательную обратную связь.

86. Примеры величин токов и напряжений

87. Цепи с обратными связями

Обратная связь в усилителе может иметь место по
следующим причинам:
- особенности конструкции усилителя – внутренняя ОС;
- из-за введения специальных цепей – внешняя ОС;
- из-за паразитных связей – паразитная ОС.
Структурная схема линейной системы с обратной связью

88. Цепи с обратными связями

Активное звено с передаточной функцией К(р)
называется основным элементом Другое звено с
передаточной функцией β(р) называется
элементом обратной связи.

89.

Если
то это отрицательная обратная связь (ООС)
Если
То в системе положительная обратная связь (ПОС)
Преимущества ООС
1)
2)
3)
4)
5)
Сглаживание АЧХ (при снижении кэффициента.усиления)
Уменьшает нестабильность коэффициента усиления
Уширение полосы пропускания
Уменьшение нелинейных искажений
Отсутствие самовозбуждения

90. Способы включения ОС

• Если вход цепи ОС присоединен к выходу усилителя
параллельно нагрузке, то напряжение на выходе цепи ОС
будет пропорциональным напряжению на нагрузке. Это ОС по
напряжению

91.

Если вход цепи ОС подключен к выходу усилителя
последовательно с нагрузкой, то напряжение ОС
будет пропорциональным току в нагрузке – ОС по
току.
Возможна комбинированная ОС: и по току, и по
напряжению

92.

Если выход цепи ОС подключен ко входу усилителя
последовательно с источником сигнала – это
последовательная ОС, если параллельно – то это
параллельная ОС.

93. Влияние ООС на частотную характеристику

Если цепь ОС частотно не зависима (активное
сопротивление), то происходит общее уменьшение
КУ на всех частотах
Если цепь частотно зависима, то эта зависимость
проявляется в АЧХ всего усилителя

94. Электрическое согласование

Обычно требуется получить максимальную мощность на
выходе усилителя
Вопрос соrласования сводится к соотношению между
внутренним (выходным) сопротивлением источника питания и
сопротивлением наrрузки.
Задача. Дан источник питания с ЭДС E и
внутренним сопротивлением r. К нем
присоединена активная нагрузка R, при
какой нагрузке величине R выделяемая
мощность на ней максимальна?

95.

Мощность, выделяемая на нагрузке R:
2
2
P I R E
R
( R r)2
Берем производную по R , приравниваем ее к нулю
2
E
1
( R r)2
2R
( R r )3
0
После преобразований находим условия экстремума
R=r
Получили так называемое условие
согласования нагрузки. Когда нагрузка согласована,
на ней выделяется максимальная мощность

96. Примеры для различных соотношений сопротивлений источника и нагрузки

97. Закономерности

1. Если основное требование состоит в том, чтобы
данный источник питания обеспечивал
максимальный ток, то сопротивление наrрузки
должно быть во много раз меньше внyтpeннero сопротивления источника.
2. Если основное требование состоит в том, чтобы
получить от данноrо источника максимальную
мощность, сопротивление наrрузки должно быть
равным внутреннему сопротивлению.
3. Если основное требование состоит в том, чтобы
источника обеспечивал максимальное напряжения,
сопротивление нагрузки должно быть много больше
внутреннего сопротивления источника питания.

98. Правила для входного и выходного сопротивления усилительных каскадов

• При каскадном соединении схем каждый
предыдущий каскад является источником питания
для следующеrо, а каждый следующий - нагрузкой
предыдущеrо.
• Главным требованием к предварительным каскадам максимальная отдача напряжения гeнepaтopa на
наrрузку, а к выходным каскадам rлавное
требование максимальная отдача мощности
генератора на нагрузку.
• На практике эти требования осуществляются путем
соответствующеrо подбора внyтpeннero
сопротивления гeнepaтopa и входноrо сопротивления
наrрузки.

99. Пример 1

Нет согласования
Есть согласование

100. Пример 2

Нет согласования
Есть согласование

101. Параметры четырехполюсников

1. Y - параметры

102.

2. Z - параметры
3. H - параметры

103.

4. G - параметры
На основе уравнений с
параметрами можно
построить схемы
замещения

104. Характеристики и дифференциальные параметры транзисторного усилителя

105.

106.

Когда приращения являются гармоническими функциями

107.

108.

Выходная проводимость g22 транзистора мала, т.к.
коллекторный переход закрытый.

109.

Напряжение коллектора слабо сказывается на величине токов
транзистора, поэтому проводимость g12 - мала.

110. Апериодический усилитель (резистивный каскад)

Назначение элементов:
Вспомогательные цепи фильтр RфCф, эмиттерный стабилизатор RэCэ
не являются обязательными
Rб1, Rб2 - сопротивления для подачи начального смещения на базу
транзисторов;
RК - сопротивление нагрузки по постоянному току и предназначено для
подачи постоянного напряжения на коллектор;
RфCф – низкочастотный (НЧ) фильтр по постоянному напряжению
RЭ - сопротивление температурной стабилизации.
Сэ - устраняет обратную связь по переменному току (шунтирует Rэ по
переменному току).

111. Эквивалентные схемы апериодического усилителя

112.

Будем считать, что для всех частот СЭ и СФ замыкаются
накоротко. Поэтому RФ, СФ и RЭ, СЭ опускаем из эквивалентной
схемы.

113. Область средних частот.

114. Область низких частот.

115. Область верхних частот

116.

117. Резонансный усилитель

Эквивалентная схема

118.

119.

120. Эмиттерный повторитель (каскад с общим коллектором)

Схема по переменному току

121.

сопротивление между базой транзистора и землей
Эквивалентная схема
В этом смысле усилитель
называется повторителем.
Такие усилители не изменяют
полярности входного сигнала

122. Усилитель постоянного тока (УПТ)

123.

В УПТ отсутствуют элементы, предназначенные для
отделения усилительных каскадов по постоянному току, в
результате схема подвержена дрейфу нуля. Необходима
стабилизация режимов УПТ
Для уменьшения дрейфа нуля используются
дифференциальные усилители.

124. Дифференциальный усилитель (ДУ)

Дифференциальным усилителем (ДУ) называется
устройство, усиливающее разность двух напряжений.
Если при измерении небольшой разности двух
больших потенциалов измерить сами большие
потенциалы, то усилитель переходит в нелинейный
режим. Отсюда вытекает необходимость измерения
только разности потенциалов.

125.

У идеального ДУ коэффициент передачи разностного
сигнала равен
Если выходное напряжение снимается с одного из
несимметричных выходов, то коэффициент усиления
разностного сигнала
приращение напряжения на первом
выходе, обусловленное разностью входных
напряжений

126.

если напряжение снимается с
другого выхода.
При симметрии схемы выполняется
Однако, реальный усилитель не обладает
идеальной симметрией, в результате чего
напряжение на выходе зависит не только от
разности, но и от суммы входных сигналов.
Сумма входных сигналов, поделенная на два,
называется синфазным сигналом.

127. Выходное напряжение реального усилителя

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

128. Cхема дифференциального усилителя на биполярных транзисторах

129.

Схема имеет тем большую симметрию, чем больше
общее сопротивление RЭ для переменного тока.
При RЭ=∞, ΔiЭ1 = - Δ iЭ2, т.е. Δ i=0, это стабилизирует
рабочую точку, т.е. снимает влияние дрейфа нуля.
Под действием синфазных сигналов потенциалы
эмиттеров изменятся на одинаковую величину.
Напряжение на RЭ изменится и через него пойдет
новый ток, который поровну распределится между
обоими транзисторами, коллекторный потенциал
изменится одинаково и ΔUвых=0, т.к. RЭ создает в
каждом транзисторе отрицательную обратную связь,
уменьшающую синфазные компоненты

130. Противофазные сигналы на входе.

Соответственно токи Δ iЭ1=- Δ iЭ2, т.е. сумма эмиттерных
токов не изменится, т.к. приращения Δ Δ Δ i= Δ iЭ1- Δ
iЭ1=0, а значит, не изменится и потенциал эмиттеров.
Такие сигналы не создадут напряжения на RЭ, т.к.
равные токи имеют противоположный знак (т.е. Δi=0 и
нет отрицательной обратной связи для таких
сигналов). Таким образом, КУ каждого плеча будет
такой же, как в обычном усилителе с ОЭ.

131.

Отметим, что стабильность рабочей точки и
подавление синфазного сигнала можно значительно
увеличить, если резистор RЭ заменить источником
тока. Это эквивалентно тому, что

132.

Здесь дифференциальные усилители действуют по
принципу уравновешенного моста, образованного
идентичными транзисторами Т1, Т2 и резисторами RK1,
RK2. При отсутствии входных сигналов мост уравновешен,
и выходное напряжение усилителя Uвых=0.
Пусть выходной сигнал в схеме снимается с выхода
Uвых2, входной сигнал подключен к входу Uвх2, а вход
Uвх1 заземлен. При подаче на вход Uвх2 положительного
приращения усиливаемого напряжения Δ Uвх2
увеличивается коллекторный ток IK2 и падение
напряжения Δ UК2=IK2 Δ RK2. Выходное коллекторное
напряжение Uвых2= ЕК1-IK2 Δ RK2 при этом уменьшится и
окажется в противофазе с входным.
Вход Uвх2 по отношению к выходу Uвых2 называется
инвертирующим.

133.

Пусть вход Uвх2 заземлен, а сигнал подается на вход
Uвх1. При увеличении входного сигнала возрастает ток
эмиттера Iэ1 транзистора Т1, а ток эмиттера Iэ2
транзистора Т2 уменьшается (т.к. Iэ=Iэ1+Iэ2=const).
При этом ток коллектора IK2 транзистора Т2 и
падение напряжения на сопротивлении RK2
уменьшается, выходное напряжение увеличится.
Таким образом, выходное напряжение Uвых2
оказалось в фазе с входным Uвх1. Вход Uвх1
неинвертирующий для выходного сигнала,
снимаемого с транзистора Т2.

134. Дифференциальный усилитель с однополюсным выходом

Этот усилитель – устройство, усиливающее
дифференциальный сигнал и преобразующее его в
несимметричный сигнал, с которым могут работать
обычные схемы.

135. Операционные усилители (ОУ)

УН – усилитель напряжения
ЭП – эмиттерный повторитель
Это усилитель с дифференциальным входом и
однотактным выходом, с большим входным и малым
выходным сопротивлениями

136.

Идеальный ОУ характеризуется следующими
параметрами:
Rвх разн=∞; Ku= ∞ ; Rвых=0.
Если Rвх разн= ∞, то Iвх=0, т.е. U1-U2=0. Итак, два
правила идеального ОУ:
1) Разность потенциалов между входными контактами
равна нулю.
2) Вход не потребляет тока (Iвх=0)

137. Основные способы включения операционных усилителей

1) Инвертирующее включение ОУ

138.

В силу того, что K0 является большой величиной
(K0 →∞), а напряжение на выходе Uвых всегда конечно,
потенциал инвертирующего входа ОУ (потенциал
точки A) близок к нулю.
Это позволяет считать точку A «виртуальной землёй» с
потенциалом U ≈ 0.
Упрощенная модель
инвертирующего
усилителя

139. 2) Неинвертирующее включение ОУ

Для идеального ОУ

140. Неинвертирующая схема усилителя напряжения

141. Повторитель напряжения на ОУ

Частный случай неинвертирующего включения ОУ включение по схеме повторителя напряжения. Такое
включение получается в пределе R1→ 0, R2 →
(R2 отсутствует). При этом K → 1.
∞

142. Варианты применения операционных усилителей

Вычитающий усилитель

143. Разностный усилитель напряжения

144. Инвертирующий усилитель тока

145. Преобразователь ток-напряжение

Сумматор инвертирующий

146. Сумматор неинвертирующий

147. Прецизионный аттенюатор

Масштабный усилитель

148. Включение ОУ в инерционные линейные цепи

Аналоговый интегратор и дифференциатор

149. Фазовращатель

150. Активный RC-фильтр нижних частот

151. Активные RC-фильтры нижних и верхних частот

Активный ФНЧ
Активный ФВЧ

152. Активный полосовой RC-фильтр

153. Полевые транзисторы

Впервые идея регулировки потока основных
носителей электрическим полем в транзисторе с
изолированным
затвором
была
предложена
Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако трудности в
реализации этой идеи на практике позволили создать
первый работающий прибор только в 1960 году.
В 1953 году Джордж Клемент Дейси и Росс предложили и
реализовали конструкцию полевого транзистора — с
управляющим p-n-переходом

154.

• Полевой транзистор – это полупроводниковый
полностью управляемый ключ, управляемый
электрическим полем. Это главное отличие с точки
зрения практики от биполярных транзисторов,
которые управляются током. Электрическое поле
создается напряжением, приложенным к затвору
относительно истока. Полярность управляющего
напряжения зависит от типа канала транзистора.

155. Классификация полевых транзисторов

156. Транзисторы с управляющим p-n-переходом

с затвором со
стороны подложки
с диффузионным затвором
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без
приложенного управляющего напряжения к затвору
является максимально открытым.

157. Второе состояние – подаём напряжение на затвор

При подаче положительного напряжения на затвор
относительно истока (Uзи) для p-канального и
отрицательное для n-канального область p-n-перехода
расширяется в сторону канала. В результате чего ширина
канала уменьшается, ток снижается. Напряжение затвора,
при котором ток через ключ перестает протекать
называется, напряжением отсечки

158. Проходная или стоко-затворная характеристика

159. Выходные характеристики

График можно разбить
на три области:
1) омическая область
2) область
насыщения
3) область пробоя

160. Схемы включения

а) С общим истоком; б) с общим затвором; в) с общим стоком

161. Особенности, преимущества, недостатки полевых транзисторов

- Высокое входное сопротивление
- Полевые транзисторы управляются напряжением
- Практически не потребляет тока управления, это
снижает потери управления, искажения сигнала,
перегрузку по току источника сигнала…
- Частотные характеристики лучше, чем у биполярных
- Низкий уровень шумов обусловлен отсутствием
процесса инжекции зарядов
- Стабильность при изменении температуры
- Малое потребление мощности в проводящем
состоянии – больший КПД устройств

162. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Работают они чаще всего в ключевом режиме
(два положения «вкл» и «выкл»). У них есть
несколько названий:
1. МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник).
2. МОП-транзистор (метал-окисел-полупроводник).
3. MOSFET-транзистор (metal-oxide-semiconductor).

163. Транзисторы со встроенным каналом

При подаче отрицательного напряжения затвор-исток ток
стока падает, транзистор начинает закрывать – это
называется режим обеднения.
При подаче положительного напряжения на затвор-исток
происходит обратный процесс – электроны
притягиваются, ток возрастает. Это режим обогащения.

164. Выходные статические характеристики и сток-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом.

Выходные статические характеристики и сток-затворная
характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом

165. Транзисторы с индуцированным каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором и
индуцированным
каналом
аналог
нормальноразомкнутого ключа, ток не протекает.
При наличии напряжения затвор-исток появляется
«коридор» для электронов от истока к стоку, таким
образом, появляется канал, транзистор открывается,
и ток через него начинает протекать. Подложка pтипа, в ней но под действием поля электроны
отрываются от своих атомов, и начинается их
движение. Отсюда отсутствие проводимости при
отсутствии напряжения.

166. Выходные статические характеристики и сток-затворная характеристика

167. Особенности использования ключей с изолированным затвором

Такой транзистор работает только в режиме
обогащения
В этом транзисторе затвор имеет паразитную
ёмкость, она замедляет процесс переключения
транзистора.

168. Нелинейные и параметрические цепи Линейные цепи с переменными параметрами

Такая электрическая цепь содержит хотя бы один
или несколько линейных элементов (сопротивлений,
индуктивностей, емкостей), параметры которых
изменяются во времени.
Следует разделять параметрические линейные и
параметрические нелинейные цепи. В данном параграфе
рассматриваются первые
В линейных параметрических цепях выполняется
принцип суперпозиции, но возможно появление новых
частот на выходе цепи

169. Линейные параметрические двухполюсники

Рассмотрим двухполюсники
y=p(t)X в виде изменяемых
во времени сопротивления R,
емкости С и индуктивности L.
Для сопротивления
Для емкости

170. Для индуктивности

Наибольший интерес представляет тот случай, когда
p(t) – гармоническая функция времени
- коэффициент
вариации
параметра

171. Если параметр изменяется во времени по сложному периодическому закону

mk парциальный коэффициент изменения параметра,
равный отношению k- ой гармоники Δpk к среднему
значению параметра p0

172.

Линейная параметрическая цепь обладает свойствами,
позволяющими получать комбинационные частоты.
В последнем примере таковыми будут ω + ωn и ω - ωn
На основе данного примера можно построить
амплитудный модулятор

173. Линейный параметрический четырехполюсник

Выходное напряжение Uвых(t) можно по-прежнему
определить как сумму реакций четырехполюсника на
каждый δ-импульс в отдельности, а четырехполюсник
характеризовать импульсной характеристикой.
Однако, т.к. параметры элементов четырехполюсника со
временем изменяются, то импульсная характеристика
четырехполюсника зависит не только
от времени t, но и от момента воздействия δ-импульса τ
т.е. g(t,τ).

174.

- импульсная характеристика
четырехполюсника, зависящая
не только от времени, но и от
момента воздействия импульса

175.

Для импульсной характеристики, как и прежде,
выполняются условия физической реализуемости:
Аналитического метода отыскания импульсной
характеристики параметрических четырехполюсников
пригодного для всех случаев, не существует.
Задача упрощается для систем, параметры
которых изменяются медленно.

176. Частотные характеристики параметрического четырехполюсника

Коэффициент передачи параметрического
четырехполюсника есть функция не только частоты, но и
времени
Если передаточная функция изменяется во
времени по периодическому закону, то при периоде
можно представить в виде ряда Фурье

177.

- не зависящие от времени
коэффициенты, которые можно истолковать как
передаточные функции некоторых
четырехполюсников с постоянными параметрами.
- можно рассматривать как
передаточную функцию каскадного включения двух
четырехполюсников: одного с не зависящей
от времени передаточной функцией
второго - с передаточной функцией

178.

Эквивалентная схема

179. Пример. Пусть Uвх=cos ωt,

В линейной системе с переменным параметром
появляются комбинационные частоты

180. Параметрический резонанс

Существует обширный класс явлений, где так же, как
при действии периодической силы на гармонический
осциллятор, результат воздействия на колебательную
систему (ее «отклик») сильно зависит от темпа
воздействия.
Рассмотрим воздействие на колебательный контур,
заключающееся в следующем: с помощью механического
устройства (например, мотора) периодически меняют
емкость конденсатора; никакая э. д. с. при этом в контур
не вносится.

181.

Если емкость меняется с периодом
(Т равно половине «среднего собственного периода»
контура), происходит неограниченное нарастание
колебаний в контуре без потерь. Это явление называется
параметрическим резонансом.

182.

Колебания нарастают неограниченно в контуре
без потерь также и в том случае, если Т не равно
(Т1 + Т2)/4, но достаточно близко к этому значению.
Фазовый портрет
Первая емкостная
параметрическая машина
Л. И. Мандельштама и Н.
Д. Папалекси.

183. Параметрическое усиление сигналов

Рассмотрим конденсатор (варикап), емкость которого
меняется по закону меандра

184.

Фаза изменения C(t) подобрана так, чтобы
уменьшение емкости происходило в моменты перехода
Uc(t) через экстремумы, а увеличение – в моменты
перехода через нуль.
Таким образом энергия электрического поля
конденсатора периодически получает приращение
Если прирост энергии, обусловленная скачком емкости
не превышает расхода энергии за время T, то
параметрическая цепь устойчива. В противном случае
возникает параметрическое возбуждение колебаний.
Регулируя величину ΔC/C0
(глубину модуляции
параметра
С),
можно
осуществить
как
параметрическое
усиление
сигнала,
так
и
параметрическую генерацию

185. Параметрический усилитель

Изменение емкости технически проще делать
по гармоническому закону
Управляющее колебание (накачка)
Накладываем условие
Схема замещения

186.

ток через емкость получается на частотах
и
, но фильтр Ф1
пропускает только последнюю.
Амплитуда тока на частоте ω ≈
Заметим, что аналогичный эффект можно получить и
на изменениях индуктивности

187. Введение в теорию нелинейных цепей

Существует обширный класс исключительно
важных элементов и устройств, параметры которых
существенно зависят от токов и напряжений – это
нелинейные элементы.
Полное математическое описание таких цепей –
нелинейное дифференциальное уравнение. Для них
характерно невыполнение принципа суперпозиции.
Будут рассматриваться внешние характеристики
нелинейных двухполюсников, когда входным
сигналом служит напряжение u, а выходным — ток i в
двухполюснике. Зависимость i(u) обычно принято
называть вольт-амперной характеристикой (ВАХ)
нелинейного элемента.
Все методы и результаты можно перенести и на
случай нелинейного четырехполюсника, например
транзистора, работающего в нелинейном режиме при
больших амплитудах входного сигнала.

188. Аппроксимация характеристик нелинейных элементов

Обычно задача аппроксимации распадается на две
самостоятельные задачи:
1) выбор класса функций;
2) определение коэффициентов аппроксимации.
0 - А – интервал аппроксимации – рабочий участок.

189.

Для определения коэффициентов
аппроксимации нужно конкретизировать
условия аппроксимации, например:
– равномерное приближение
- средне-квадратичное приближение

190. Пример: Аппроксимация характеристики задана полиномом третьей степени

191. Кусочно-линейная аппроксимация.

Данный способ основан на приближенной замене
реальной характеристики отрезками прямых линий с
различными наклонами.
На примере проходной характеристики транзистора

192. Форма тока в цепи, содержащей нелинейный элемент

Пусть на вход подается напряжение

193. Угол отсечки

Угол отсечки импульсов тока определяется из равенства

194. Нелинейное преобразование спектра сигнала

Спектральная функция входного воздействия
Спектральная функция выходного эффекта в
нелинейном каскаде с характеристикой y=f(x) имеет вид
определяется не только сигналом на входе, но и
аналитическим
выражением
функции,
аппроксимирующей
характеристику
нелинейного
элемента

195. Приведем построение функции y=f(xcosωt) для двух типов нелинейности.

Т.к. y(t) периодическая функция времени, она может быть
представлена в виде ряда Фурье

196.

Если бы характеристика элемента была
линейной, то функция y(t) содержала бы только одну
гармоническую составляющую частоты ω.
Все остальные составляющие появились как
следствие нелинейности характеристики и
составляют продукт нелинейности
Нелинейные элементы обладают замечательным
свойством преобразования частоты, заключающегося
в том, что в нелинейных системах спектральная
функция отклика содержит новые частоты, которых
нет в функции воздействия.
Отметим, что высшая степень аппроксимации
характеризует меру нелинейности характеристики
элемента, именно этой мерой определяется
протяженность спектра преобразованного сигнала,
его наивысшая частота.

197. Нелинейные искажения

Наличие нелинейности в вольт-амперной
характеристике приводит к нелинейным искажениям.
Рассмотрим это на примере тонально
модулированного АМ сигнала
Отметим, что чем ближе форма воздействующего
импульса
к
прямоугольной,
тем
меньше
она
претерпевает
изменения
при
нелинейном
преобразовании. В пределе импульс прямоугольной
формы, проходя через нелинейную цепь, не изменяет
своей формы.

198. На частоте ω0

Количественно мерой этих искажений может служить
коэффициент нелинейных искажений
y2д, y3д, … - действующие
значения всех высших
гармоник отклика

199. Эффекты вследствие нелинейности Комбинационные частоты

Рассмотрим для простоты нелинейный
двухполюсник, вольт-амперная характеристика (ВАХ)
которого описывается полиномом второй степени.
Пусть на вход поступает напряжение в виде
бигармонического воздействия

200. Спектральные составляющие на выходе нелинейного элемента

Увеличение степени полинома приводит к появлению
новых гармонических составляющих и комбинационных
частот.
Причем, максимальная частота в спектре колебания,
прошедшего нелинейное устройство с характеристикой в
виде полинома степени k, равно kω0.

201.

При двухсигнальном воздействии
n1, n2 – любые целые, положительные и отрицательные,
включая 0;| n1 + n2 |< k
K – степень нелинейности
При многосигнальном воздействии m гармоник
Возникновение комбинационных составляющих в
выходном сигнале, а также зависимость их от
амплитуд сигналов на входе обусловливает ряд
эффектов

202. Эффект интермодуляции

Интермодуляция – это перенос модуляции с одной
несущей на другую.
Пусть на входе линейного двухполюсника с
кубической ВАХ
действует напряжение
После тригонометрических преобразований получим на
частоте ω2 амплитуду тока
Рассматриваемая составляющая представляет собой
АМ колебание, промодулированное частотами Ω и 2Ω, т.е.
модуляция переносится с несущей ω1 на новую частоту ω2 .

203. Подавление сигнала на нелинейности

Рассмотрим на примере нелинейного элемента с
кубической ВАХ
Пусть на такой нелинейности действуют два
немодулированных сигнала с различными частотами
Амплитуду тока на частоте ω2

204.

Амплитуда тока на частоте ω2 существенно
зависит не только от собственной амплитуды U2, но и
от амплитуды U1 источника с частотой ω1
Характер этой зависимости определяется знаком
коэффициента а3 при кубическом члене.
Если а3>0, то второй сигнал усиливается за счет
энергии первого.
Если а3<0, происходит подавление одного сигнала
другим.

205. Совместное воздействие на нелинейный элемент сигналов большой и малой амплитуд

Рассмотрим характер преобразованного колебания
при одновременном воздействии суммы большого xб(t) и
малого Δx(t) колебаний x(t)= xб(t) + Δ x(t) на нелинейный
элемент с характеристикой y=f(x).
В силу малости Δx(t)

206.

Выходной эффект состоит из двух составляющих
Составляющая Δ y(t) возникает в результате
взаимодействия основного (большого) колебания хб(t)
и малого колебания Δ x(t). При сделанном допущении
малости Δ x(t) величина Δ y(t) и Δ x(t)
пропорциональны.
Коэффициент пропорциональности, связывающий Δ
Δ x(t) и Δ y(t),зависит от основной составляющей
сигнала
В отношении малых приращений входных колебаний,
даже в присутствии большой составляющей,
нелинейный элемент функционирует как линейный

207. Основные свойства нелинейных цепей

• Параметры цепей существенно зависят от токов и
напряжений
• Выходной эффект нелинейной цепи определяется не
только входным сигналом, но и типом нелинейности
и начальным смещением
• В отклике нелинейных цепей содержатся
спектральные составляющие,которых нет в функции
воздействия.
• Нелинейный элемент под воздействием большого и
малого колебания ведетсебя по отношению к малому
колебанию как линейный с переменным параметром.

208. Преобразование частоты

Задачей преобразования частоты является перенос
спектра
радиосигнала
из
одной
области
радиочастотного
диапазона
в
другую.
Сигнал
преобразуется без изменения вида и параметров
модуляции.
Для
преобразования
частоты
требуется
вспомогательное напряжение, при получении которого
используется гетеродин.
Преобразования спектра может осуществляться как
за счет нелинейного взаимодействия сигнала и
гетеродина, так и за счет их параметрического
взаимодействия.

209. Преобразование спектра в нелинейном шестиполюснике

Пусть на некоторый нелинейный шестиполюсник
воздействует напряжение сигнала VC(t), спектр
которого состоит из частот ωC1, ω C2, ω Cn и
гармоническое напряжение VГ(t), полученное от
гетеродина.
Частота сигнала
,

210.

Ток преобразователя можно записать в виде степенного
ряда по малым переменным VC и Vпч:

211. Прямое преобразование (линейное приближение)

Если
,
то при анализе можно не учитывать члены разложения
выше первого.
iГ=f(VГ) - ток преобразователя при действии только
напряжения от гетеродина и постоянных напряжений;
крутизна тока по напряжению сигнала
выходная проводимость преобразователя
–

212.

Если

213. Пример изменения крутизны транзисторного преобразователя частоты при гармоническом напряжении гетеродина

214.

Пусть

215. Коэффициент передачи преобразователя частоты

Эквивалентная схема преобразователя частоты
Коэффициент передачи

216.

217.

Зависимость модулям импеданса нагрузки
Частотная характеристика преобразователя

218. Дополнительные каналы преобразователя частоты

Сигнал
с
частотой
fпр
проходит
через
преобразователь за счет использования постоянной
составляющей крутизны S0. Для этого сигнала
преобразователь ведет себя как усилитель.
Сигналы с частотами fГ ± fпр принимаются за счет
использования первой гармоники крутизны. Сигналы
с частотами 2fГ ± fпр принимаются за счет
использования второй гармоники крутизны и т.д.
Чаще всего для приема сигнала используют канал с
частотой f0=fГ-fпр, который в этом случае является
основным. Остальные каналы – паразитные.
Канал fсим=fГ+fпр – зеркальный. Канал с частотой fпр
называют каналом промежуточной частоты.

219.

Для уменьшения вредного влияния мешающих
станций нужно стремиться к тому, чтобы
коэффициент передачи по дополнительным каналам
был мал.
Единственным эффективным способом
ослабления этих каналов является включение до
преобразователя частотно-избирательных систем,
которые уменьшали бы напряжение сигналов
соответствующих частот
Преселектор уменьшает влияние
зеркального канала и канала промежуточной частоты

220.

221. Комбинационные частоты при преобразовании частоты (нелинейный режим по сигналу)

Комбинационные частоты при преобразовании частоты
(нелинейный режим по сигналу)
Частоты сигнала, при которых есть резонанс
(комбинационные каналы приема)
Коэффициент k определяет соответственно номер
гармоники крутизны, а коэффициент m степень
нелинейности, вследствие которых получился
дополнительный канал.

222. Техническая реализация преобразователя частоты

преобразователь частоты на параметрическом каскаде
преобразователь частоты на диоде

223. Преобразователь частоты на полевом транзисторе с двумя затворами

Здесь фактически имеет место параметрическое преобразование
частоты

224. Нелинейные резонансные усилители и умножители частоты

Принцип работы нелинейного резонансного
усилителя.
Отличительная черта резонансных усилителей
мощности - работа при больших амплитудах входных
напряжений, что делает обязательным учет
нелинейного вида вольт-амперных характеристик
активных элементов.
На вход транзисторный усилителя с нагрузкой в
виде параллельного колебательного контура подано
напряжение
колебательный контур настроен на частоту сигнала
ωрез = ω.

225.

226.

Ток
в
цепи
коллектора
имеет
форму
косинусоидальных импульсов с отсечкой. Эти
импульсы обладают сложным спектральным составом,
однако ведущую роль в работе устройства играет лишь
первая гармоника тока, частота ко- которой совпадает
с резонансной частотой контура; сопротивление
колебательной системы на частотах 2ω, Зω и т.д. столь
мало, что высшие гармоники практически не дают
вклада в выходной сигнал.
Первая гармоника коллекторного тока создает на
выходе полезное напряжение с амплитудой
колебательная характеристика

227.

Аналогично, используя формулу можно записать
выражение амплитуды гармонического сигнала на
выходе резонансного усилителя при степенной
аппроксимации характеристики транзистора:
Важным параметром колебательной
характеристики является ширина ее линейного учета,
который определяет динамический диапазон
усиливаемых сигналов.
Причина, ограничивающая рост колебательной
характеристики, состоит в следующем: при
некотором критическом значении амплитуды
входного сигнала колебательное напряжение на
контуре становится близким по значению к
напряжению источника питания Eпит. Дальнейший
рост амплитуды напряжения на контуре становится
невозможным.

228.

• Если
, то говорят, что усилитель работает
в перенапряженном режиме. Этот режим непригоден
для усиления АМ-сигналов. Однако, значительно
снижая напряжение источника питания, резонансный
усилитель можно перевести в перенапряженный
режим, превратив его в ограничитель амплитуды
квазигармонических
колебаний
—
полезное
устройство, ликвидирующее паразитную амплитудную
модуляцию ЧМ- или ФМ-сигналов.

229. КПД нелинейного резонансного усилителя

- полезная активная мощность,
передаваемая колебательному контуру.
КПД максимален при углах отсечки. При этом резко
снижается коэффициент γ1 и для получения
заданной
полезной
мощности
приходится
существенно увеличивать амплитуду входного
сигнала, что не всегда возможно. На практике
выбирают угол отсечки, близкий к 90°.

230. Резонансное умножение частоты.

Если
в
схеме
резонансного
усилителя,
работающего с большой амплитудой входного
сигнала, колебательная система будет настроена на
частоту nω — частоту одной из высших гармоник
входного сигнала, то данное устройство может
использоваться в качестве умножителя частоты.
Расчеты умножителей частоты н нелинейных
резонансных усилителей в принципе не отличаются,
амплитуда выходного сигнала умножителя при
кусочно- линейной аппроксимации:

231.

Трудность создания резонансных умножителей
частоты заключается в низких значениях γn (ϑ) при
большой кратности умножения. Поэтому следует
выбирать углы отсечки, максимизирующие
соответствующие коэффициенты Берга.
Желая создать умножитель с высокой кратностью,
следует выбирать малые углы отсечки. Анализ
функций показывает, что существует оптимальный
угол ϑ опт.
Именно таким должен быть угол отсечки тока в
умножителе частоты при фиксированном значении
амплитуды возбуждающего напряжения.

232. Автогенераторы гармонических колебаний

Автогенератором
называется
устройство,
генерирующее
колебание
без
внешнего
воздействия.
Электрическая цепь, в которой сохраняются
незатухающие электрические колебания без всякого
периодического воздействия извне, образует
автоколебательную систему.
Автогенератор должен иметь источник питания,
усилитель и цепь обратной связи, причем обратная
связь должна быть положительной.

233.

Из общих соображений ясно, что
а) необходим резонансный усилитель; т.к. мы хотим,
чтобы генерировалось синусоидальное колебание,
следовательно, нагрузкой усилителя должен быть
частотно-избирательный четырехполюсник;
б) обратная связь должна быть положительной, с тем,
чтобы выполнялось условие самовозбуждения;
в) усилитель должен быть не только резонансным, но и
нелинейным, иначе при выполнении условий
самовозбуждения амплитуда колебаний будет
нарастать безгранично при положительной ОС.

234. Коэффициент усиления нелинейного усилителя

• Коэффициент передачи линейного
четырехполюсника обратной связи
Условие стационарного режима
Баланс амплитуд и баланс фаз

235.

не зависит от амплитуды колебаний
Баланс амплитуд можно использовать для
определения коэффициента ОС, требуемого для
поддержания определенной амплитуды U1 стац

236. Самовозбуждение простейшего автогенератора Линейное приближение

Рассмотрим на примере автогенератора с
трансформаторной связью, использующем полевой
транзистор с управляемым затвором р-типа,
колебательную систему - LCR контур и элемент
обратной связи Lсв

237. Запишем систему уравнений Кирхгофа

Переменная составляющая напряжения на затворе
S0 - крутизна в
начальной
рабочей точке

238. Общее решение этого дифференциального уравнения

UK(0) и фаза φ - постоянные величины, зависящие от
начальных условий,

239. Условие самовозбуждения

входное сопротивление контура при резонансе

240. Стационарный режим автогенератора (квазилинейное приближение).

Решение
линейного
дифференциального
уравнения не отражает в достаточной степени
сущность процессов, протекающих в автогенераторе.
При
увеличении
"размаха"
колебаний
усилительные способности активного элемента
ухудшаются и нарастание колебаний, в конце концов,
прекращается.
Стационарные амплитуды напряжений и токов,
очевидно, можно найти лишь при условии учета
нелинейности характеристики активного элемента,
ибо эта нелинейность, как уже говорилось, и
является в конечном счете причиной установления
автоколебаний в генераторе.

241.

Способов точного решения таких уравнений при
любой функции f(UОС) не существует.
Будем искать приближенное решение уравнения
в виде
V(t) медленная функция времени

242. После подстановки получаем укороченное уравнение

Назовем
коэффициент
пропорциональности
между амплитудой первой гармоники тока и
амплитудой напряжения на управляющем электроде
средней крутизной
Согласно квазилинейной теории автогенератора
Ю.Б. Кобзарева, средняя за период колебания
крутизна считается постоянной
Амплитуда стационарна, когда
– условие стационарности амплитуды

243. Виды возбуждения автогенератора

В зависимости от положения начальной рабочей
точки различают режим мягкого и жесткого
возбуждения автоколебаний.
Мягкий режим возбуждения
Рассмотрим процесс на примере транзисторного
каскада.
Начальная рабочая точка выбрана в области
наибольшей крутизны S0 проходной характеристики.
С увеличением амплитуды UБЭ средняя крутизна S1
монотонно уменьшается.

244.

- колебательная характеристика автогенератора.
Вид этой функции существенно зависит от положения
начальной рабочей точки.

245.

246.

При мягком режиме возбуждения линия обратной связи
опускается вниз с увеличением степени
обратной связи (здесь взаимоиндукция) М. Пока линия
не пересекает функцию S1 = S1 (UБЭ) имеет место
устойчивое состояние покоя с нулевой амплитудой
колебаний. Если коэффициент М увеличивается, то
при
автогенератор
возбуждается при сколь угодно малой амплитуде, т.к.
S0 больше любого значения S1. Дальнейший рост М
приведет к плавному увеличению амплитуды
генерируемых автоколебаний. Для данного М имеет
место единственная амплитуда стационарных
колебаний

247. Жесткий режим возбуждения

Если же начальная рабочая точка смещена
влево на нелинейный участок ВАХ, то средняя
крутизна имеет экстремум – это жесткий режим
самовозбуждения

248. Колебательные характеристики в этом случае имеют точку перегиба и три точки равновесия: 1,3 -устойчивое, 2 - неустойчивое

При М=М1 колебание будет отсутствовать, т.к.
линия обратной связи не пересекает графика
средней крутизны.

249.

При М=М2 линия обратной связи касается
графика средней крутизны, но колебание не
возникает т.к. в этой точке средняя крутизна S1
больше чем крутизна S0 в начальной рабочей точке
(S0<S1).
Существующим
малым
флуктуациям
соответствует крутизна S0 в рабочей точке
характеристики, а ее значение недостаточно для
обеспечения баланса амплитуд.

250.

Колебания возникнут лишь при М=М4, т.е. в тот
момент, когда обратная связь становится остаточной
для обеспечения баланса амплитуд даже при малой
крутизне S0. При М=М4 малые флуктуационные
колебания начинают расти. Вначале рост амплитуды
колебаний вызывает увеличение средней крутизны
S1 характеристики, что приводит к увеличению
усиления. С увеличением усиления возрастает
амплитуда колебаний, а следовательно, и средняя
крутизна. При дальнейшем росте амплитуды средняя
крутизна уменьшается и амплитуда в соответствие с
уравнением стационарности
принимает значение Uст4

251.

Последующие увеличение коэффициента взаимной
индукции М (от M4 до M6) вызывает плавное увеличение
амплитуды колебаний (от Uст4 до Uст6 и далее).
При уменьшении М, начиная от больших М (М>M4),
колебания будут существовать до тех пор, пока М не станет
равной M2. Это связано с тем, что при больших амплитудах
S1>S0 и в промежутке между M4 и M2 существующие
колебания обеспечивают необходимую среднюю крутизну
характеристики и условия стационарности выполняются
(здесь dS/dV< 0).
При М<M2 колебания в системе исчезнут, т.к. в этот
момент нарушится баланс амплитуд. Уменьшение
амплитуды стимулирует уменьшение средней крутизны и,
наоборот (здесь dS/dV> 0).
Таким образом, при жестком режиме возбуждения
зависимость Uст(М) неоднозначна и носит петлеобразный
характер, т.е. имеет место колебательный гистерезис.

252. Трехточечные автогенераторы.

В автогенераторах-трехточках напряжение
обратной связи снимается с части колебательного
контура.
На примере индуктивной трехточки.

253. Найдем условия самовозбуждения

Uвх и Uвых — изображения сигналов на входе и выходе
при разомкнутой цепи обратной связи.
Передаточная функция
Характеристическое уравнение, описывающее
замкнутую цепь
Напряжение Uab на зажимах контура возникает за
счет тока —SUвх, проходящего через
последовательно-параллельно соединенные
элементы Z1, Z2 и Z3:

254.

Характеристическое уравнение
Отсюда находим условие самовозбуждения данного
автогенератора:
Частота экспоненциально нарастающих собственных
колебаний определяется корнями кубического
уравнения

255.

Из физических соображений ясно, что трехточечный
автогенератор самовозбуждается на резонансной
частоте
На этой частоте
Напряжения Uвх и Uвых совпадают по фазе, при
выполнения условия
автогенератор действительно самовозбуждается.

256.

Другим
вариантом
схемы
трехточечного
автогенератора является так называемая емкостная
трехточка, в которой напряжение обратной связи
снимается с емкостного делителя, образованного
конденсаторами С1 и С2. Анализ условий
самовозбуждения
такой
схемы
проводится
аналогично.

257. RC-автогенераторы гармонических колебаний.

На частотах ниже нескольких десятков килогерц ,
как правило, используют RC- автогенераторы,
представляющие
собой
комбинации
активных
четырехполюсников (усилителей) и пассивных RCцепей играющих роль элементов обратной связи.
Рассмотрим
условие
самовозбуждения
часто
используемого автогенератора с двумя КС-цепями

258.

Передаточная функция RC-четырехполюсника по
напряжению имеет вид
Ко - коэффициент усиления автивного звена .
Для самовозбуждения автогенератора необходимо,
чтобы выполнялось неравенство

259.

Из характеристического уравнения
находим значение генерируемой частоты:
Отметим, что RC-автогенератор существенсущественно уступает LC-автогенераторам с точки
зрения
качества
спектрального
состава
генерируемых колебаний. Это связано с тем, что в
них цепь обратной связи не содержит колебательных
контуров и не может в достаточной мере
отфильтровать нежелательные высшие гармоники.
Удовлетворительная форма генерируемых колебаний
достигается
специальными
схемотехническими
мерами,
например
за
счет
использования
дополнительной цепи нелинейной инерционной
обратной связи.