Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Банк тестовых заданий в системе UniTest

Учебная программа дисциплины

Учебное пособие

Учебное пособие «Исследование аналоговых

электронных устройств с применением интернет-технологий»

Методические указания по практическим занятиям

Методические указания по самостоятельной работе

Методические указания по курсовому проектированию

Красноярск

ИПК СФУ

2008

Электронный

учебно-методический комплекс

УДК 64.38

ББК 32.844

Г83

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Схемотехника

аналоговых электронных устройств» подготовлен в рамках инновационной

образовательной программы «Структурная перестройка научно-образовательного

центра "Радиоэлектроника"», реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки;

Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов

дисциплин

Громыко, А. И.

Г83 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Версия 1.0

[Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / А. И. Громыко,

А. Г. Григорьев, В. Д. Скачко. – Электрон. дан. (4 Мб). – Красноярск : ИПК

СФУ, 2008. – (Схемотехника аналоговых электронных устройств : УМКД

№ 46-2007 / рук. творч. коллектива А. И. Громыко). – 1 электрон. опт. диск

(DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор

других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 4 Мб свободного

дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft

Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или

аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf).

ISBN 978-5-7638-1489-7 (комплекса)

ISBN 978-5-7638-1492-7 (пособия)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по

дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств», включающего учебную программу,

учебное пособие «Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-

технологий», методические указания по курсовому проектированию, методические указания по

самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Схемотехника аналоговых

электронных устройств. Банк тестовых заданий», наглядное пособие «Схемотехника аналоговых

электронных устройств. Презентационные материалы».

Рассмотрены основные задачи, решаемые аналоговой электронной техникой, методы анализа и

расчета основных технических характеристик отдельных каска-дов и усилителей в целом. Особое

внимание уделено специализированным каскадам аналоговых устройств, синтезируемых на базе

операционных усилителей.

Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 210200.62 «Радиотехника»

укрупненной группы 210000 «Электроника, радиотехника и связь».

Рекомендовано Инновационно-методическим управлением СФУ

в качестве учебного пособия

Редактор Н. Н. Вохман

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий

электронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория

по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного

продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться

зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 01.09.2008

Объем 4 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-3-

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................... 7

1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ

АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ ............................... 8

1.1. Основные параметры сигналов на входе аналоговых

электронных устройств ................................................................................ 8

1.2. Усиление сигналов в АЭУ .................................................................... 12

1.3. Классификация усилителей ............................................................... 14

Выводы .......................................................................................................... 14

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ ............................................................... 15

2.1. Параметры оценки свойств усилительных устройств ................. 15

2.2. Энергетические показатели усилительных устройств ................. 15

2.3. Спектральные характеристики усилительных устройств ........... 19

2.4. Связь между АЧХ, ФЧХ, ПХ. Метод диаграмм Боде....................... 22

2.5. Переходные характеристики .............................................................. 23

2.6. Применение цепей обратной связи в АЭУ ....................................... 30

2.7. Классификация цепей ОС.................................................................... 32

2.8. Влияние ООС на входное сопротивление усилителя ................... 36

2.9. Влияние ООС на выходное сопротивление усилителя ............... 38

2.10. Влияние обратной связи на коэффициент усиления ................. 40

2.11. Влияние ООС на стабильность коэффициента усиления ......... 42

2.12. Влияние обратной связи на внутренние помехи

и нелинейные искажения ........................................................................... 43

2.13. Влияние общей и местной ООС на стабильность

коэффициента усиления ............................................................................ 45

2.14. Влияние ООС на АЧХ, ФЧХ, ПХ ........................................................ 46

2.15. Устойчивость усилителей с ООС .................................................... 47

2.16. Схемы на операционных усилителях ............................................ 49

2.17. Неинвертирующее включение ОУ ................................................... 51

2.18. Инвертирующее включение ОУ ....................................................... 55

Выводы .......................................................................................................... 58

3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

УСИЛИТЕЛЕЙ ............................................................ 61

3.1. Динамический режим работы усилителя ........................................ 61

3.2. Выходная динамическая характеристика ....................................... 61

ОГЛАВЛЕНИЕ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-4-

3.3. Нагрузочная характеристика усилителя по переменному току .. 62

3.4. Входная динамическая характеристика ........................................... 64

3.5. Сквозная динамическая характеристика ......................................... 64

3.6. Режим работы усилительного элемента ......................................... 65

3.7. Эквивалентные схемы и режимы работы усилительных

элементов ...................................................................................................... 66

3.8. Физическая эквивалентная схема биполярного транзистора .... 67

3.9. Определение параметров эквивалентной схемы

по справочным данным ............................................................................. 68

3.10. Основные соотношения параметров в схеме с ОЭ ..................... 69

3.11. Полевой транзистор в схеме с общим истоком ........................... 72

3.12. Эквивалентная схема полевого транзистора ............................... 73

3.13. Определение параметров эквивалентной схемы ........................ 73

3.14. Основные соотношения параметров в схеме

с общим истоком .......................................................................................... 74

3.15. Шумовые эквивалентные схемы .................................................... 76

3.15.1. Биполярный транзистор ............................................................. 76

3.15.2. Полевой транзистор ..................................................................... 76

Выводы .......................................................................................................... 77

4. ЦЕПИ ПИТАНИЯ И ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ

РЕЖИМА РАБОТЫ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ ... 78

4.1. Каскад на биполярном транзисторе ................................................. 78

4.2. Эквивалентная схема для расчета термостабильности .............. 80

4.3. Каскад на полевом транзисторе ........................................................ 85

4.4. Цепи питания ......................................................................................... 86

4.5. Эквивалентная схема для расчета термостабильности .............. 86

4.6. Коэффициенты чувствительности ................................................... 89

Выводы .......................................................................................................... 91

5. РЕОСТАТНЫЙ КАСКАД ....................................... 92

5.1. Принцип деления реостатного усилителя на каскады ................. 92

5.2. Первый метод расчета реостатного каскада .................................. 93

5.2.1. Эквивалентная схема .................................................................... 93

5.2.2. Средние частоты ............................................................................ 96

5.2.3. Область нижних частот ................................................................. 97

5.2.4. Область высоких частот ............................................................... 99

5.2.5. Расчетные соотношения ............................................................. 101

5.3. Второй метод расчета реостатного каскада ................................. 103

5.3.1. Эквивалентная схема .................................................................. 103

ОГЛАВЛЕНИЕ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-5-

5.3.2. Область средних частот .............................................................. 103

5.3.3. Область нижних частот ............................................................... 104

5.3.4. Область высоких частот ............................................................. 106

5.3.5. Площадь усиления ....................................................................... 107

5.3.6. Коэффициент чувствительности .............................................. 108

5.4. Влияние элементов цепи автосмещения

на

характеристики реостатного каскада ..................................................... 109

Выводы ........................................................................................................ 111

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ

УСИЛЕНИЯ ............................................................. 112

6.1. Эмиттерный и истоковый повторители ......................................... 112

6.2. Каскад с общей базой и общим затвором ...................................... 116

6.3. Каскодная схема. Составные транзисторы .................................. 117

6.4. Генераторы стабильного тока ......................................................... 120

Выводы ........................................................................................................ 123

7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ .................. 124

7.1. Оптимальная коррекция .................................................................... 124

7.2. Простая параллельная коррекция .................................................. 126

7.3. Эмиттерная коррекция ....................................................................... 128

7.4. НЧ-коррекция ....................................................................................... 129

Выводы ........................................................................................................ 130

8. ИМПУЛЬСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ............................. 131

8.1. Особенности расчета ......................................................................... 131

8.2. Определение оптимальных параметров усилительных схем в

области малых времен ............................................................................. 133

8.3. Переходная характеристика многокаскадного усилителя ......... 134

8.4. Реостатный каскад на полевом транзисторе ................................ 135

8.5. Каскад на биполярном транзисторе ............................................... 137

8.6. Каскад с коррекцией в области больших времен ........................ 139

Выводы ........................................................................................................ 141

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ .................................... 143

9.1. Особенности оконченных каскадов ................................................ 143

9.2. Однотактный трансформаторный каскад ..................................... 143

9.3. Эмиттерный повторитель как усилитель мощности .................. 145

9.4. Двухтактные усилительные каскады ............................................. 146

9.5. Двухтактный трансформаторный каскад ...................................... 150

9.6. Бестрансформаторные каскады усилителей ............................... 151

9.7. Комплементарный эмиттерный повторитель Дарлингтона ...... 153

ОГЛАВЛЕНИЕ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-6-

9.8. Схемы защиты по току ...................................................................... 154

Выводы ........................................................................................................ 154

10. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ НА

БАЗЕ ОУ .................................................................. 155

10.1. ОУ в линейных схемах ..................................................................... 155

10.2. Дифференциальное включение ОУ .............................................. 157

10.3. Суммирующий усилитель ............................................................... 158

10.4. Усилитель с регулируемым усилением ....................................... 158

10.5. Интеграторы....................................................................................... 159

10.6. Дифференциатор .............................................................................. 160

10.7. Источник стабильного напряжения .............................................. 161

10.8. Операционные усилители с нелинейными

элементами в цепях ОС ............................................................................ 161

10.9. Логарифмический усилитель ......................................................... 162

10.10. Умножитель аналоговых сигналов ............................................. 163

10.11. Генераторы гармонических колебаний ..................................... 163

10.12. Преобразователи тока в напряжение ......................................... 164

10.13. Усилители постоянного тока ........................................................ 165

Выводы ........................................................................................................ 166

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИ СПИСОК........................... 167



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-7-

Целью изучения дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных

устройств» является формирование знаний и навыков исследования и проек-

тирования устройств аналоговой электроники. Основными компонентами со-

временной электроники являются усилительные элементы (электрически

управляемые сопротивления).

Изучение режимов работы усилительных элементов под воздействием

управляющего сигнала в непрерывном и ключевом режимах необходимо для

построения аналоговых и цифровых электронных устройств. В данном учеб-

ном пособии изложены основы физических процессов, протекающих как

в отдельных усилительных элементах (каскадах), так и в сложных электрон-

ных устройствах, также дано их математическое описание.

Достаточно подробно рассмотрено влияние отрицательной обратной

связи на повышение стабильности коэффициента усиления, уровень внут-

ренних помех, коэффициент гармоник, уровень частотных и фазовых, вели-

чину постоянной времени.

Большое внимание уделено расчету и схемным решениям повышения

термостабильности электронных устройств. Рассмотрены особенности схем-

ных решений: широкополосных усилителей, импульсных усилителей, око-

нечных каскадов с высоким уровнем выходного сигнала, а также каскадов на

операционных усилителях, выполняющих различные функции, включая реа-

лизацию математических операций.

Учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины

«Схемотехника аналоговых электронных устройств» и может быть использо-

вано при изучении подобных дисциплин других технических специальностей

и направлений подготовки бакалавров и инженеров. Кроме того, пособие

может быть полезно магистрам и аспирантам радиотехнических специально-

стей, желающим повысить свою квалификацию.



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-8-

Электроника решает следующие задачи:

1. Преобразование информации, представленной электрическими

(электромагнитными) сигналами, с целью ее передачи, приема, хранения и

отображения.

2. Преобразование электрической энергии с целью удобства ее исполь-

зования или транспортирования.

Существует множество определений информации, приведем то, кото-

рое, по нашему мнению, наиболее полно раскрывает сущность этого понятия.

Информация – это новые сведения логического и физического харак-

тера, снижающие неопределенность (энтропию) наших знаний о данном объ-

екте.

Энтропия – мера неопределенности. Например, если дискретное со-

общение состоит из L элементов, каждый из которых может принять m раз-

личных фиксированных состояний, то возможно образование M = mL сооб-

щений.

Здесь М выступает как количественная оценка информации. Логарифм от М

принято использовать как меру информации (мера Хартли)

I = loga M = –loga m.

Основание логарифмов a может быть выбрано любым, но наибольшее рас-

пространение получили логарифмы с основанием 2. Мерой информации при-

нято считать бит. Одному биту соответствует одна двоичная единица.

В электронике носителями информации являются электрические (элек-

тромагнитные) сигналы. Информационные параметры сигналов – период,

частота, амплитуда и фаза.

Аналитически сигналы могут быть представлены:

• во временной области

( )

(изменение параметра сигнала как

функция времени);

• в частотной области

(ω)S

(в виде спектральной плотности).

Физические процессы в радиотехнических цепях, которые могут быть

использованы в качестве сигналов, делятся на два класса.

1. Процессы, течение которых во времени можно предсказать заранее,

имея априорные сведения. Например, если известна амплитуда

, частотой

1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ

1.1. Основные параметры сигналов на входе аналоговых электронных устройств



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-9-

и фаза сигнала

, то напряжение на входе генератора

( )

может быть

представлено в любой наперед заданный отрезок времени:

0 00

( ) cos( )Ut U t= ⋅ ω ⋅ +ϕ

Подобные процессы называются

детерминированными

ленными). Таким образом, детерми-

нированный процесс может быть

дан математически вполне опреде-

ной функцией времени.

Наиболее важным классом

прерывных детерминированных

налов являются периодические,

летворяющие при

t−∞ < < ∞

условию

() ( )St S t mT=⋅+⋅

где m – любое целое чис-

ло; Т – период повторе-

ния. Периодом сигнала Т

является отрезок времени,

для которого справедливо

равенство

( ) ( ), 1, 2,3,...St nT St n+= =

() .

S t nT t

Простейшим периодическим сигналом является гармонический, где

2π

, , ω,

= ϕ

– постоянные параметры: амплитуда, период, частота, фаза.

На рис. 1.2 изображен гармонический сигнал с начальной фазой

2π

( ) sin( )

S t nT U t

+ = −ϕ

Для колебания модулированного сигнала по амплитуде имеем:

S(t) = U

⋅ (1 + m ⋅ cos(Ω ⋅ t)) ⋅ cos(ω

⋅ t)),

поскольку – cosα ⋅ cosβ = 1/2 ⋅ [cos(α − β) + cos(α + β)],

то – S(t) = U

⋅ cos(ω

⋅ t) +

mU⋅

⋅ cos(ω

+ Ω) ⋅ t +

mU⋅

⋅ cos(ω

– Ω) ⋅ t. (1.1)

T/2

-T/2

-E

Рис. 1.1. Временное представление

периодического сигнала

пилообразной формы

–E

S (t)

Рис. 1.2. Временное представление

гармонического сигнала с начальной фазой φ

1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ

1.1. Основные параметры сигналов на входе аналоговых электронных устройств



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-10-

Из выражения (1.1) следует, что

простейшее АМ колебание, огибаю-

щая которого изменяется по гармони-

ческому закону, можно представить в

виде суммы трех гармонических со-

ставляющих.

Первое слагаемое ω

– несущая

частота, ω

± Ω – верхняя и нижняя

боковые частоты. Амплитуда несущей

частоты U

, а амплитуды боковых частот равны

mU⋅

и зависят от глубины

модуляции m.

Количество информации, передаваемое сигналом, зависит от основных

параметров: длительности, формы импульса сигнала, амплитуды, частоты

повторения, полосы частот, мощности.

Спектральное представление сигнала в виде суммы элементарных колеба-

ний может быть проведено с помощью широкого класса полиномов и функций:

Лежандра, Чебышева, Лагерра, Эрмита, Хаара, Радемахера, Уолша и др.

Однако для спектрального представления периодических сигналов наи-

большее практическое применение нашло разложение в виде суммы гармониче-

ских составляющих (гармоник) ряда Фурье:

( ) ( cosω sin ω )

S t a nt b nt

∞

=++

∑

где

2π

– круговая частота i-й гармоники.

Коэффициенты

вычисляются по формулам:

Рис. 1.4. Периодическая последовательность импульсов – а;

их частотный спектр – б: 1/Т – частота повторения импульсов;

τ – длительность импульса; q = Т/τ – скважность

S(t)

S(ω)

2ω

3ω

4ω

5ω

6ω

7ω

S(ω)

–

Ω ω

+ Ω

Рис. 1.3. Спектр АМ

гармонического сигнала