Шарапов А.В. Аналоговая схемотехника

Подождите немного. Документ загружается.

А.В. Шарапов

АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Учебное пособие

ТОМСК – 2003

Томский межвузовский центр

дистанционного образования

Рецензенты: зав. кафедрой промышленной и медицинской электроники

Томского политехнического университета, д-р техн. наук,

проф. Г.С. Евтушенко;

зам. директора по научной работе НИИ автоматики и элек-

тромеханики при ТУСУРе, к.т.н. С.К. Земан

Корректор: Красовская Е.Н.

Шарапов А.В.

Аналоговая схемотехника: Учебное пособие. − Томск: Томский межвузов-

ский центр дистанционного образования, 2003. − 128 с.

Представлены краткие теоретические сведения о характеристиках и параметрах

полевых и биполярных транзисторов, схемы и методики расчета усилителей на их ос-

нове. Приведены основы теории операционных усилителей и примеры их применения.

Изложены принципы построения схем генераторов гармонических колебаний и стаби-

лизаторов постоянного напряжения.

Для студентов вузов радиоэлектронного профиля и инженеров-проектировщиков

средств и систем автоматики и промышленной электроники.

 Шарапов А.В.,

2003

 Томский межвузовский центр

дистанционного образования, 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ………………………………………………………….. 5

1 Классификация и обзор усилительных устройств …………………. 6

2 Обратные связи в усилителях ……………………………………….. 13

3 Эквивалентные схемы и малосигнальные параметры

усилительных приборов ……………………………………………...

3.1 Биполярные транзисторы ...……………………………………....

3.2 Полевые транзисторы .…………………………………………....

4 Усилительный каскад с общим эмиттером ………………………… 33

5 Температурная стабилизация режима работы биполярного

транзистора ……………………………………………………………

5.1 Цепи смещения с фиксированным током базы и

фиксированным током эмиттера ………………………………...

5.2 Цепь смещения с эмиттерной стабилизацией рабочей точки

транзистора ………………………………………………………..

5.3 Цепь смещения с комбинированной отрицательной обратной

связью по постоянному току …………………………………….

6 Каскад с общим эмиттером при работе в режиме большого

сигнала ………………………………………………………………...

6.1 Выбор режима работы транзистора ……………………………..

6.2 Пример расчета усилительного каскада ………………………...

7 Коррекция частотных характеристик ………………………….…… 52

8 Усилительные каскады по схемам с общей базой и общим

коллектором ………………………………………………………….. 54

9 Усилительный каскад на полевом транзисторе ……………………. 58

10 Усилители мощности ………………………………………………...

10.1 Трансформаторный выходной каскад в режиме класса А …...

10.2 Трансформаторный выходной каскад в режимах В и АВ …...

10.3 Бестрансформаторные выходные каскады ….…………………

11 Операционные усилители ……………………………………………

11.1 Дифференциальный усилительный каскад …………………...

11.2 Операционный усилитель ……………………………………...

11.3 Основные параметры и типовые схемы включения

операционных усилителей …………………………………...

12 Примеры применения операционных усилителей …………………

12.1 Инвертирующий усилитель постоянного тока ………………..

12.2 Неинвертирующий усилитель постоянного тока ……………..

12.3 Дифференциальный УПТ ……………………………………….

12.4 Аналоговый сумматор …………………………………………..

12.5 Аналоговый интегратор ………………………………………...

12.6 Усилители переменного напряжения ………………………….

12.7 Усилители с токовым выходом…………………………………

12.8 Усилители тока ………………………………………………….

12.9 Амплитудный детектор ………………………………………....

12.10 Выпрямитель среднего значения ……………………………...

12.11 Преобразователи сопротивления в напряжение ……………..

12.12 Пример расчета погрешностей измерительного УПТ ……….

13 Избирательные усилители …………………………………………... 102

14 Генераторы гармонических колебаний …………………………….. 108

15 Стабилизаторы постоянного напряжения …………………………..

Литература……………………………………………………………..

Приложение А. Пассивные компоненты электронных устройств ...

120

127

128

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие представляет собой краткий конспект лекций по пер-

вой части дисциплины «Электронные цепи и микросхемотехника», читаемых

для студентов специальности «Промышленная электроника» ТУСУРа. Изло-

женные в данной работе основы аналоговой схемотехники (принципы по-

строения и анализа схем усилительных устройств, генераторов гармониче-

ских колебаний, стабилизаторов постоянного напряжения) служат базой для

изучения второй части дисциплины, рассматривающей ключевые режимы ра-

боты транзисторов, вопросы построения базовых схем логических элементов,

генераторов и формирователей импульсов, аналого-цифровых и цифроанало-

говых преобразователей [10].

Точный анализ усилительных устройств приводит к громоздким соот-

ношениям, малопригодным для практики инженерных расчетов. В работе ис-

пользуются приближенные эквивалентные схемы и методы анализа, позво-

ляющие получить простые и наглядные соотношения для параметрического

синтеза изучаемых устройств. Уточненный анализ спроектированных таким

образом устройств может быть выполнен, например, путем компьютерного

моделирования с помощью пакетов Electronics Workbench или ASIMEC.

Читатель может расширить свои представления по вопросам аналого-

вой схемотехники, воспользовавшись работами [1–8] из списка рекомендуе-

мой литературы.

Последовательность изложения материала выбрана такой, что каждый

последующий раздел базируется на знании материала предыдущих разделов.

Результаты анализа отдельных электронных цепей и каскадов используются

при рассмотрении более сложных усилительных устройств. В значительной

мере такое рассмотрение основано на знании характеристик апериодических

звеньев, так как передаточная функция усилителя приближенно моделируется

произведением коэффициентов передачи апериодических цепей первого по-

рядка.

Учебное пособие является составной частью программно-методических

средств дистанционной формы изучения дисциплины, включающих мульти-

медийный курс обзорных лекций, компьютерные программы для проведения

собеседований и контрольных работ и учебное методическое пособие [9] с

программой компьютерных лабораторных работ и вариантами индивидуаль-

ных заданий расчетного характера.

Разделы 3 и 15 написаны совместно с Н.П. Денисовым, раздел 14 под-

готовлен совместно с А.А. Шибаевым, которым автор выражает искреннюю

благодарность.

1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЗОР УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

При решении многих инженерных задач, например при измерении

электрических и неэлектрических величин, контроле и автоматизации техно-

логических процессов, построении радиотехнических устройств и медицин-

ских приборов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов.

Для этой цели служат электронные усилители – устройства, позволяющие

увеличить мощность электрического сигнала без изменения его формы и час-

тотного спектра. Увеличение мощности сигнала происходит за счет энергии

источника питания.

Ко входу усилителя подключается источник сигнала

), ,(

к выходу –

нагрузка

(рис. 1.1).

Электронные усилители классифицируют по различным признакам:

1) по диапазону усиливаемых частот – усилители постоянного тока

(УПТ), усилители низкой частоты (УНЧ), усилители промежуточной частоты

(УПЧ), усилители высокой частоты (УВЧ);

2) по характеру усиливаемого сигнала – усилители непрерывных и им-

пульсных сигналов;

3) по усиливаемой электрической величине – усилители напряжения,

тока, мощности;

4) по ширине полосы усиливаемых частот – узкополосные (избиратель-

ные) и широкополосные усилители;

5) по типу нагрузки – резистивные (апериодические) и резонансные

усилители.

Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характери-

стик.

Коэффициент передачи или коэффициент преобразования – это от-

ношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала, ко входной

Источник

питания

Источник

сигнала

Нагрузка

Усилитель

вх

вых

вх

вых

вх

вых

Рис. 1.1 – Структурная схема усилительного устройства

величине, например

вхвыхпр

/ IUR

= – коэффициент преобразования тока в

напряжение. В частном случае, когда входная и выходная величины одинако-

вы (напряжение, ток, мощность), коэффициент передачи называют коэффи-

циентом усиления.

Различают:

коэффициент усиления по напряжению

;

вх

вых

коэффициент усиления по току

;

вх

вых

коэффициент усиления по мощности

;

вх

вых

IUP

K ==

сквозной коэффициент усиления

вх

вых

U e

K ⋅==

где

свх

вх

= – коэффициент передачи входной цепи;

вх

R = – входное сопротивление усилителя.

Коэффициент усиления может быть выражен в логарифмических еди-

ницах – децибелах (дБ):

.lg 10дБ, ;lg 20дБ, ;lg 20дБ,

PPIIUU

KKKKKK

Логарифмические единицы удобны тем, что общий коэффициент уси-

ления усилителя, составленного из отдельных каскадов, равен сумме коэффи-

циентов усиления отдельных каскадов усиления (выраженных в логарифми-

ческих единицах).

В зависимости от вида электронного усилителя в выражения для оценки

коэффициентов усиления могут входить различные величины. Это значения

постоянных токов и напряжений в УПТ, комплексные, действующие или ам-

плитудные значения для усилителей гармонических сигналов, амплитуды

входного и выходного импульсов для импульсного усилителя.

Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики опреде-

ляют возможности по усилению гармонических колебаний различных частот.

Из-за наличия в усилителе реактивных элементов (в том числе и паразитных),

сопротивление которых зависит от частоты, коэффициент передачи такого

усилителя зависит от частоты.

Коэффициент передачи усилителя гармонических сигналов в общем

случае является комплексной величиной

,)ω()ω(

)ω(

eKjK = (1.1)

где

)ω()ω( jKK = – модуль коэффициента передачи;

)ω(arg)ω( j

– аргумент коэффициента передачи.

Зависимость модуля коэффициента передачи усилителя от частоты

входного гармонического сигнала называют

амплитудно-частотной ха-

рактеристикой

усилителя (АЧХ). Фазочастотной характеристикой уси-

лителя (ФЧХ) называют зависимость фазового сдвига выходного гармониче-

ского колебания относительно входного при изменении частоты.

Примерный вид АЧХ и ФЧХ для усилителя низкой частоты показан

на рис. 1.2. За границами рабочего диапазона частот, характеризуемого коэф-

фициентом усиления

K и близким к нулю

фазовым сдвигом,

появляются частот-

ные и фазовые иска-

жения. Частоты

ω и

ω , на которых ко-

эффициент передачи

падает до уровня

0,707

K = 2/

K ,

называются нижней

и верхней граничны-

ми частотами, а раз-

ность между ними

нв

∆ fff −= или

−

∆

ωωω

2π∆f называют полосой

пропускания усилителя. Для неискаженного усиления сигналов звукового

диапазона усилитель должен иметь полосу пропускания от 20 Гц до 20 кГц.

Переходной характеристикой уси-

лителя называют реакцию усилителя

на входное воздействие в виде еди-

ничного скачка (ступеньки) тока или

напряжения. Аналитически переход-

ную характеристику можно опреде-

лить как оригинал операторного вы-

ражения

K(p)

⋅

где

(p)U

K(p)

вх

вых

= –

операторный коэффициент передачи.

Возможный вид переходной характе-

ристики УНЧ приведен на рис. 1.3.

Эта характеристика отображает пе-

реходные процессы в схеме и позво-

ляет судить об искажениях усиливаемого импульсного сигнала. Представля-

ют интерес следующие параметры переходной характеристики:

0,9

0,1

0,9

Выб

ос δ

Спад ∆

h(t)

Рис. 1.3 – Переходная характе-

ристика усилителя

малые большие времена

0,707K

K(ω )

ϕ(ω )

АЧХ

ФЧХ

Рис. 1.2

– АЧХ и ФЧХ УНЧ

нижние средние верхние частоты

1) время нарастания фронта ,

1,09,0ф

ttt

−

определяемое как время, в

течение которого выходной импульс нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 от

установившегося значения );(

2) относительный выброс фронта импульса ,1δ

−

max

h представляю-

щий собой превышение выходного сигнала над его установившимся значением;

3) относительный спад вершины импульса ),(1

−

∆

где

−

дли-

тельность импульса.

Линейные и нелинейные искажения. Хотя усилители должны усили-

вать сигналы без искажений, в действительности формы входного и выходно-

го колебаний в точности не совпадают. Уровень искажений формы сигналов

оценивается коэффициентами искажений. Искажения сигнала разделяют на

линейные и нелинейные.

Линейные искажения, вносимые усилителем, обусловлены непостоян-

ством его АЧХ и нелинейностью ФЧХ. Если усилитель не имеет нелинейных

искажений и на его вход подан гармонический сигнал, то его выходной сиг-

нал будет чисто гармоническим. Меняются лишь амплитуда и фаза. Степень

неравномерности АЧХ оценивают коэффициентом частотных искажений

)(

= или .lg20дБ,

Упомянутый ранее уровень

707,0 K соответствует

M 2

== M или

дБ. 3=

Входной сигнал сложной формы можно разложить на гармонические

составляющие (с помощью ряда или интеграла Фурье), определить сдвиг фа-

зы и изменение амплитуды на выходе усилителя отдельно каждой состав-

ляющей, а затем сложить их. Так как в реальных усилителях АЧХ непостоян-

на, искажается форма сложного сигнала. В частности, не равные нулю

, t δ

∆ характеризуют искажения сигнала ступенчатой формы.

АЧХ, ФЧХ и переходная характеристика усилителя однозначно связаны

друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристи-

ка в области малых времен. Время нарастания фронта импульса обратно про-

порционально верхней граничной частоте и может быть оценено по формуле

35,0

t =

Области нижних частот соответствует переходная характеристика в области

больших времен. Спад импульса пропорционален нижней граничной частоте

f и длительности импульса.

Для неискаженного усиления импульсных сигналов усилитель должен

обеспечить равномерное усиление широкого спектра частот. Чем круче фронт

входного сигнала, тем шире его спектр в области верхних частот. В этом слу-

чае стремятся расширить полосу пропускания в области верхних частот, т.е.

обеспечить возможно меньшие искажения в области малых времен. Если же

усиливаемый импульс содержит медленно изменяющиеся участки, то для бо-

лее точного его воспроизведения требуется расширить полосу пропускания в

области нижних частот (в идеале

– иметь ,0

f как в УПТ), т.е. уменьшить

искажения в области больших времен. Частотные, фазовые и переходные ис-

кажения относятся к числу линейных искажений.

Нелинейные искажения при синусоидальном входном сигнале прояв-

ляются в том, что выходной сигнал содержит гармоники с частотами, крат-

ными частоте входного сигнала. Степень нелинейности оценивают коэффи-

циентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник)

mmm

III

≈=

∑

∞

(1.2)

где

P – мощность K-й гармоники выходного сигнала;

– амплитудное значение K-й гармоники выходного тока;

P – мощность первой гармоники выходного сигнала;

– амплитудное значение первой гармоники выходного тока.

Нелинейные искажения обусловлены наличием нелинейных элементов

в схеме (транзисторов) и связаны с величиной амплитуды сигнала, а не со

скоростью изменения сигнала во времени. Эти искажения обычно уменьша-

ются с уменьшением амплитуды.

Амплитудная характеристика, динамический диапазон. О линейно-

сти усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (АХ), т.е.

зависимости амплитуды выходного

сигнала от амплитуды входного

)(

вхвых mm

UfU

(рис. 1.4). Ам-

плитудная характеристика снима-

ется при подаче на вход усилителя

гармонического сигнала частотой f,

лежащей в полосе пропускания уси-

лителя. Реальные АХ нелинейны,

что наиболее ярко выражено при

малых и больших уровнях входного

сигнала.

Нелинейность начального

участка АХ обусловлена собствен-

ными шумами и наводками, кото-

рые приводят к появлению напря-

жения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При

больших амплитудах входного сигнала начинает сказываться нелинейность

0 U

m вх мин

m вх макс

m вх

m вых

Рис. 1.4

– Типовая амплитудная

характеристика усилителя