ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Е.И. Воробьева

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2012

УДК 621.396.6

Воробьева Е.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие / Е.И. Воробьева. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 185 с.

В учебном пособии излагаются основные принципы построения усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах. Рассматриваются построение и работа устройств, выполненных на операционных усилителях, а также устройств, выполненных на базе усилителей таких, как источники постоянного тока и напряжения. В основу предлагаемого пособия положен опыт преподавания дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств», читаемой в Воронежском государственном техническом университете.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки бакалавров 210400 «Радиотехника», профилю «Радиотехнические средства передачи, приема и обработки сигналов», дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле «skhemotekhnikaA5_1_ekz.doc».

Ил. 75. Библиогр.: 30 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, доц. Б.В. Матвеев

Рецензенты: ОАО «Концерн «Созвездие»

(директор НТУ-536 канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник А.А. Дрюченко);

канд. техн. наук, доц. М.И. Бочаров

ã Воробьева Е.И., 2012

ã Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический университет», 2012

Оглавление

Введение…………………………………………………….6

1. Математическое описание усилителей…………….…...8

1.1.Общие сведения…………………………………………8

1.2.Математическое описание усилительных устройств..14

1.2.1.Передаточные функции усилительных устройств..……….14

1.2.2.Представление передаточной функции элементарными звеньями………………………………….16

1.2.3.Частотные характеристики усилительных устройств…………………………………………………....18

1.2.4.Обратные связи. Понятие устойчивости …………...19

1.2.5.Влияние цепи обратной связи на основные характеристики усилительного устройства………………24

2.Усилительные каскады на транзисторах………………..27

2.1.Принцип работы усилителя……………………………27

2.1.1.Усилитель ОЭ с фиксированным током базы……....28

2.1.2.Усилитель ОК (эмиттерный повторитель)……...…..34

2.1.3.Усилитель ОБ………………………………………....37

2.1.4.Понятие о классах усиления

усилительных каскадов…………………………………….39

2.2.Методы стабилизации рабочей точки………………....42

2.2.1. Каскад с последовательной отрицательной обратной связью по току нагрузки…………………………………....46

2.2.2.Формирование частотной характеристики каскадов с цепями ООС………………………………………………....54

2.3.Усилительные каскады переменного тока на полевых транзисторах………………………………………………...57

2.3.1.Общие положения…………………………………….57

2.3.2.Усилительный каскад по схеме с общим истоком….59

2.3.3.Истоковый повторитель……………………………....63

2.3.4.Усилитель ОК (эмиттерный повторитель)…………..64

2.3.5.Основные параметры каскада усилителя на полевом транзисторе………………………………………………….68

3.Каскады предварительного усиления…………………...72

3.1.Условия работы каскадов предварительного

усиления……………………………………………………....72

3.1.1.Требования к каскадам и режим работы………………………………………………………..72

3.1.2.Определение частотной, фазовой и переходной характеристик……………………………………………….75

3.1.3.Резисторный каскад…………………………………...76

3.1.4. Характеристики и расчетные формулы резисторного каскада……………………………………………………….79

3.1.5.Расчетные формулы каскада в области средних частот...………………………………………………………83

3.1.6. Расчет транзисторного резисторного каскада……...93

3.2. Выходные каскады……………………………………..98

3.2.1. Условия расчета каскадов мощного усиления……..98

3.2.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме А…………………………...104

3.2.3.Расчет двухтактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме В………………………………………107

3.2.4. Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления…………………………………………111

3.2.5 Расчет бестрансформаторных

двухтактных каскадов……………………………………..120

3.3. Широкополосные каскады и каскады специального назначения………………………………………………….123

3.3.1. Особенности широкополосных усилителей………123

3.3.2. Схемы коррекции без обратной связи. Низкочастотная коррекция..................................................127

3.3.3. Схемы коррекции с обратной связью.......................137

4.Базовые схемные конфигурации аналоговых интегральных схем. Операционные усилители. Преобразователи аналоговых сигналов на операционных усилителях………………………………………………….142

4.1Усилители постоянного тока…………………………..142

4.1.1Основные свойства и применение…………………..142

4.1.2.Усилители постоянного тока, с непосредственной связью....................................................................................143

4.1.3 Дрейф нуля и способы его уменьшения……………149

4.1.4 Балансные и дифференциальные каскады…………153

4.1.5. Операционный усилитель………………………….160

4.1.7.Идеальный операционный усилитель……………...163

4.1.6. Простейший неинвертирующий усилитель на ………………………………………………………………164

4.2.Преобразователи аналоговых сигналов на операционных усилителях………………………………...166

4.2.1 Инвертирующий усилитель на ОУ............................168

4.2.2 Неинвертирующий усилитель на ОУ………………171

4.2.3 Повторитель на операционном усилителе…………172

4.2.4 Дифференциатор и интегратор на основе ОУ……..174

4.2.5 Дифференциа́льный усили́тель……………………..175

4.2.6.Суммирующие схемы. Инвертирующий сумматор.177

4.2.7. Неинвертирующий сумматор………………………181

4.2.8. Интегратор…………………………………………..181

4.2.9 Дифференциатор…………………………………….183

4.2.8 Активные фильтры…………………………………..184

Заключение………………………………………...……....185

Библиографический список………………………………186

Введение

Электроника - это область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных средств и принципов их использования. В России более широкое применение получил термин радиоэлектроника. Слово "радио", входящее в этот термин, с одной стороны, указывает на радиотехническое происхождение различных методов и средств электроники, а с другой - значительно расширяет область того, что понимается под радиоэлектроникой.

В основе развития радиоэлектроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронными устройствами. На определенных этапах становится невозможным решать новые задачи на основе существующей элементной базе, таким образом, создаются предпосылки для дальнейшего совершенствования этой базы, которое заключается в повышении надежности, уменьшении габаритов, массы, стоимости и потребляемой мощности.

Под основами радиоэлектроники понимается минимум основных сведений о методах и устройствах, изучение которых позволяет грамотно разрабатывать основные элементы различных электронных устройств и сами электронные устройства на современной элементной базе. Изучение радиоэлектроники позволяет осуществить подготовку специалистов в области основ построения радиоэлектронной аппаратуры, используемой в системах передачи информации и данных.

В пособии рассматриваются важнейшие количественные соотношения и методы анализа базовых элементов и микроэлектронных устройств, используемые в системах передачи и обработки информации. Представлен необходимый минимум специальных физических, математических и теоретических понятий, которые обеспечили бы возможность понимать и анализировать процессы в радиоэлектронных цепях систем передачи и обработки информации. Материал, изложенный в данной работе, дает возможность иметь представление о перспективных направлениях развития элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, о физических основах работы полупроводниковых приборов, о международных и отечественных стандартах в области электроники. Кроме того, количественные соотношения и методы анализа базовых элементов и микроэлектронных устройств, представленные в пособии, позволяют узнать принципы работы элементов современной радиоэлектронной аппаратуры и физические процессы, протекающие в них. Разбираться в основах схемотехники аналоговых интегральных схем (ИС) и устройствах, созданных на их основе, проводить анализ базовых элементов и устройств радиоэлектронной аппаратуры, используемых в современных системах связи, применяя, при этом, основные методы расчета электронных схем.

В основу предлагаемого пособия положен опыт преподавания дисциплины "Электроника и схемотехника", читаемой в Воронежском государственном техническом университете по специальности "Информационная безопасность телекоммуникационных систем".

Предполагается, что студенты, изучающие курс "Электроника и схемотехника", умеют пользоваться справочными параметрами цифровых и аналоговых интегральных схем при проектировании электронных устройств и электронной измерительной аппаратурой для контроля параметров. А также имеют навыки в чтении и изображении электронных схем на основе современной элементной базы, в проектировании и расчете простейших аналоговых и цифровых схем, работы с контрольно-измерительной аппаратурой.

Введение

1. Математическое описание усилителей

1.1. Общие сведения

В процессе преобразования, обработки и представления информации, заложенной в электрических колебаниях, часто оказывается, что уровень мощности Р этих колебаний недостаточен для работы потребителя, и возникает необходимость в его увеличении. Для этой цели используются электронные усилители.

Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при подаче на вход колебаний с некоторым уровнем мощности Р получить на выходной нагрузке колебания той же формы, но с большим уровнем мощности.

В электронном усилителе для усиления подаваемого сигнала всегда используется активный элемент.

Усиление происходит за счет источника питания, который содержит всякий усилитель (например, транзисторный). Усилитель обеспечивает преобразование энергии питания в энергию полезных колебаний. Входное колебание является управляющим, т.к. под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку.

Любой усилитель, кроме активного элемента и источника питания содержит пассивные элементы.

Классификацию усилителей проводят по различным признакам:

- по виду усилительного элемента – усилители ламповые, транзисторные, на туннельных диодах, параметрических диодах, на микросхемах и т.п.;

- по виду усиливаемых частот – усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (НЧ), радио и промежуточной частот (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ - усилители);

-  по ширине полос усиливаемых частот - узкополосные, широкополосные усилители;

-по характеру усиливаемого сигнала – усилители непрерывных и импульсных сигналов;

-  по усиливаемой электрической величине – усилители напряжения U, усилители тока I, усилители мощности P;

- по типу нагрузки - резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.

Основные параметры и характеристики усилителя.

Коэффициент усиления. Важнейшим количест­венным показателем усилителя является коэффициент усиления. Коэффициентом усиления по напряжению (току или мощности) называется число, показывающее, во сколько раз приращение усиливаемой величины на выходе усилителя превосходит прираще­ние соответствующей величины на его входе.

(1.1.1)

Полоса пропускания — диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот — это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.

Рис. 1.1.1. Ширина полосы пропускания

Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний 1/ (или ½ для мощности) от максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует −3 дБ.