Устройства приёма сигнала

 

 

 

РЕФЕРАТ

На тему:

«Линейные и нелинейные усилители»

Дисциплина:

"Устройства  приёма сигнала"

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение
2. Линейный усилитель
3. Нелинейный усилитель
4. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала.

Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным (остаётся механическим движением и т. д.; из одного вида в другой сигнал преобразуют датчики и устройства управления).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Линейный усилитель.

Аппаратура  систем передачи содержит большое число  усилителей электрических сигналов. Наиболее сложными являются линейные усилители, которые устанавливаются на промежуточных усилительных пунктах и служат для компенсации затухания прилегающих к усилительному пункту участков линии связи. Параметры линейных усилителей в значительной степени определяют основные качественные показатели системы передачи в целом. 
          Исходными данными для проектирования линейных усилителей служат следующие основные параметры, задаваемые в технических требованиях: рабочий диапазон частот, номинальное усиление, входные и выходные сопротивления, затухание нелинейности, нестабильное усиление и др.

Рабочий диапазон частот линейных усилителей определяется линейным спектром системы передачи. Так, в системе передачи К-60П линейный усилитель работает в диапазоне 12–125 кГц, в системе передачи К-120 усилитель в одном направлении работает в диапазоне 60–552 кГц, а в другом – в диапазоне 812–1304 кГц (в задании в учебных целях рассматривается не один, а два усилителя – для каждого направления передачи).

Под номинальным  усилением усилителя S понимается: то усиление усилителя, которое соответствует затуханию усилительного участка номинальной длины на верхней частоте рабочего диапазона частот усилителя. В линейных усилителях предусмотрена установочная регулировка усиления при отклонении длины усилительного участка от номинального значения. Для этого в цепь общей ООС усилителя включен переменный удлинитель.

В технике связи  в качестве меры усиления усилителя  пользуется значением величины его  рабочего усиления. При согласованных сопротивлениях    рабочее усиление определяется по формуле: 
, дБ  
где  напряжение на выходе усилителя;  напряжение на входе усилителя.

Наличие нелинейных искажений в линейных, усиливающих  одновременно сигналы различных  каналов, приводит к тому, что паразитные нелинейные продукты могут попадать из одних каналов в другие. Взаимные помехи каналов проявляются в этих случаях в виде шума, мешающего качественной передаче.

Количественно оценить нелинейные искажения, можно  с помощью коэффициента нелинейных искажений   или коэффициента затухания нелинейности а  по формуле а = 20 lg , Дб.

Обычно наибольшее значение в усилителях имеют вторые и третьи гармоники основного сигнала, поэтому  в линейных усилителях величина затухания  нелинейности задается по второй и  третьей гармоникам: 
A2_г=20lg 1/K_2г, дБ; а3г=20lg 1 /K3u_,дБ 
где К_2г и К_3г  – коэффициенты нелинейных искажений по второй и третьей гармоникам.

Величина нелинейных искажений нормируется обычно при  выходной мощности усилителя, равной мощности 1 мВт (при нулевом уровне на выходе); тогда затухание нелинейности по второй гармонике обозначается а , а по третьей а .

Весьма существенной является высокая стабильность величины и частотной зависимости усиления усилителя во времени. Как известно, причинами нестабильности во времени  характеристик усилителя являются старение транзисторов, их замена, изменение напряжения питания усилителя и температуры окружающей среды.

Нестабильность  усилителя   определяется по формуле 
=20lg*(1+ ), дБ. 
где  - изменение коэффициента усиления, отн. ед.;  - коэффициента усиления, отн. ед.

Входные и выходные сопротивления линейных усилителей должны быть согласованны с сопротивлениями  подключаемых к ним цепей. Степень  несогласованности входного сопротивления  усилителя   и сопротивления источника  , а также выходного сопротивления усилителя   и сопротивления нагрузки   определяется коэффициентом отражения  и   
=   и  = .

Требования  к коэффициенту отражении должны выполняться во всём рабочем диапазоне  частот.

Собственные помехи усилителя нормируются величиной  допустимого уровня собственных помех, приведённых ко входу усилителя Р  Собственные помехи усилителя, как правило, определяются входным каскадом, поэтому входной каскад должен быть малошумящим и иметь возможно большие усиление по мощности.

Затухание линии  возрастает с повышением частоты и зависит от типа линии и длины участка. Кроме того, затухание участков линии не остаётся постоянным во времени, а изменяется при изменение внешних условий, воздействующих на параметры линии.

При этом затухание на разных частотах изменяется различным образом, т.е. изменяется не только его величина, но и форма частотной характеристики затухания. Для подземных кабельных линий изменение внешних условий заключается в изменении температуры почвы. Таким образом, линейный усилитель должен не только компенсировать затухание прилегающего участка линии, но и корректировать вносимые линией амплитудно-частотные искажения.

Цепь отрицательной обратной связи (ООС) содержит:

• переменный удлинитель, обеспечивающий частотно-независимое ручное регулирование усилителя под длину усилительного участка, так называемое установочное усиление  ;
• частотно-зависимый четырехполюсник с постоянными параметрами, обеспечивающий заданную амплитудно-частотную характеристику, иначе называемый контуром начального наклона (КНН);
• частотно-зависимый четырехполюсник с переменными параметрами, обеспечивающий плавную регулировку усиления в соответствии с температурными изменениями затухания цепи (контур автоматической регулировки АРУ).

Дифференциальные  системы представляют собой шестиполюсники мостового типа, позволяющие реализовывать комбинированную обратную связь. Трансформаторная дифференциальная система содержит дифференциальный (трёх обмоточный) трансформатор и балансное сопротивление, которое является опорным при сбалансировании дифференциальной системы. Так как выход цепи ООС и источника сигнала подключены к различным диагоналям входной дифференциальной системы, а вход цепи ООС и сопротивление нагрузки – к различным диагоналям выходной дифференциальной системы, при изменение глубины ООС входное и выходное сопротивление усилителя практически не будет меняться.

Использование глубокой ООС, вводимой с помощью  дифференциальных трансформаторов, позволяет  помимо всего согласовывать входное  и выходное сопротивления усилителя  с сопротивлениями внешних цепей.

Структурная схема линейного усилителя. В качестве входного и выходного устройства линейного усилителя используются трансформаторные дифференциальные системы. Оконечный каскад (ОК) усилителя обеспечивает заданную мощность сигнала в нагрузке при допустимых, с учетом действия ООС, нелинейных искажений. Достаточная величина тока (напряжения) сигнала, необходимого для управления оконечным каскадом, обеспечивается каскадами предварительного усиления (КПУ). Значения качественных показателей (затухания нелинейности, нестабильность и т.д.). Определяются максимальной глубиной ООС, которая охватывает все каскады усиления. В цепь общей ООС для компенсации затухания усилительного участка и коррекции вносимых линий амплитудно–частотных. Искажений включаются: переменный удлинитель (дБ); контур начального наклона (КНН), контур автоматической регулировки (АРУ). Источником сигнала и нагрузки служит линия связи.

Линейные усилители обычно имеют относительно небольшую выходную мощность, от долей ватта до десятков ватт, и их элементы работают при малых линейных отклонениях напряжения или тока от статического значения. Когда в нагрузке требуется получить значительную мощность, применяют усилители, элементы которых работают в нелинейном или импульсном режиме. Это связано с желанием, во-первых, получить на выходе максимальное возможное напряжение (ток), а во-вторых, повысить КПД. Нелинейный режим работы элементов сопровождается увеличением нелинейных искажений сигнала.

Линейный усилитель представляет собой усилитель, выход которого линейно зависит от входа. Такое широкое определение, требующее лишь линейности работы, позволяет единым образом рассчитать квантовые пределы для таких устройств, не вдаваясь в детали их внутренней работы. 

Линейный усилитель имеет то преимущество, что позволяет получить синусоидальную форму кривой выходного напряжения. Это создает предпосылки для определенных энергетических выгод, так как вследствие селективности приемного устройства электромагнитное поле образуется током только первой, основной гармоники выходных колебаний генератора. Поэтому при выходных синусоидальных колебаниях вся мощность, отдаваемая передатчиком в КЛ, используется для создания полезного сигнала, а в случае квазипрямоугольных выходных колебаний - только 60 % выходной мощности генератора. 

Линейный усилитель обеспечивает постоянство размаха выходного сигнала, так как при коммутации и микшировании сигналов, поступающих от различных источников программ, размах сигнала на входе линейного усилителя может меняться.

В линейных усилителях форсирующий конденсатор выбирается ограниченной емкости с тем, чтобы зарядный ток конденсатора спал к нулю еще до окончания входного импульса тока. Этим предупреждается переход режима усиления в область заметного насыщения, что для линейного усилителя является совершенно необходимым.

В линейном усилителе осуществляется не только усиление сигнала, но производится также преобразование несущей частоты для исключения возможности появления обратной связи между входной и выходной цепями.

По существу линейный усилитель является модулятором входного тока усилителя тока. Усилитель тока обладает малым динамическим входным импедансом, поэтому схема датчика с предусилителем тока обладает повышенной помехоустойчивостью и имеет наиболее широкую частотную характеристику, которая может составлять несколько сотен килогерц при длине соединительного кабеля, равной нескольким сотням метров.

Для построения линейных усилителей применяют операционные усилители с отрицательной обратной связью. В зависимости от того, на какой из входов подается напряжение входного сигнала, различают не инвертирующий и инвертирующий усилители. 

Если на вход линейного усилителя со значительным коэффициентом усиления подается сигнал большой амплитуды, то в последующих каскадах происходит либо насыщение, либо отсечка, либо то и другое одновременно. Отсечка или насыщение обусловливают в транзисторе появление нелинейного сопротивления, которое, в свою очередь, приводит к перераспределению энергии, накопленной в переходном и блокировочном конденсаторах. Блокировочный конденсатор может достаточно быстро разрядиться через сравнительно низкоомное сопротивление в цепи эмиттера. Разряд переходного конденсатора происходит через весьма высокоомные коллекторные цепи транзисторов, поэтому длительность разряда переходного конденсатора относительно велика. Возникающая в результате этого перегрузка усилителя приводит к тому, что в течение некоторого времени после прохождения большого сигнала усилитель не способен усиливать слабые сигналы. Перегрузка может быть устранена, если допускать работу усилителя только в пределах линейного участка характеристики. Однако это несовместимо с требованием обеспечения широкого динамического диапазона входных сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

3. Нелинейный усилитель

Среди нелинейных усилителей наибольшее распространение получили резонансные, называемые иначе генераторами с посторонним возбуждением. В них анодной нагрузкой служит колебательный контур, настроенный в резонанс с возбудителем.

В резонансных усилителях, применяемых в радиоприемных устройствах, отношение I₁/I₀ настолько мало, что вопрос о КПД вообще не принимается во внимание.

Повысить отношение I₁/I₀ можно переводом усилителя в режим работы с отсечкой тока, т.е. в нелинейный режим.

Ток i(t) в выходной цепи усилителя при работе с отсечкой имеет импульсную форму, и содержит наряду с постоянной составляющей и полезной первой гармоникой ряд высших гармоник, которые должны быть подавлены (отфильтрованы). Эту задачу решает параллельный колебательный контур, настроенный на частоту w₀входного колебания.

При резонансе токов  эквивалентное сопротивление параллельного  контура Z_экр между точками 1-2 очень велико и является сопротивлением нагрузки усилителя. По отношению же к высшим гармоникам тока i(t) контур, обладающий достаточно большой добротностью Q, можно рассматривать как короткое замыкание.

В результате, несмотря на искаженную импульсную форму тока i(t), на нагрузочном контуре, как и  в линейном усилителе выделяется напряжение, очень близкое к гармоническому.

Наличие в составе  импульсного тока ряда гармоник с частотами, кратными основной частоте возбуждения, позволяет использовать усилитель, работающий с отсечкой тока, в качестве умножителя частоты. 
 
Для этого не требуется изменения в схемах резонансного усилителя, достаточно лишь нагрузочный колебательный контур настроить на частоту выделяемой гармоники и установить наиболее выгодный для полезной гармоники режим работы активного элемента.