ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное

образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

------------------------------------------------------------------------------------------------

А. Г. Алексеев, П. В. Климова

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Анализ частотных характеристик

типовых структур

аналоговых устройств

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

СПб ГУТ )))

Санкт-Петербург

2012

УДК 621.375(075.8)

ББК 32.842–5я73

А47

Рецензенты:

кандидат технических наук, профессор кафедры РТС СПбГУТ

В. Н. Жемчугов,

кандидат технических наук, профессор кафедры ТЭ СПбГУКиТ

Ю. П. Осипков

Утверждено

редакционно-издательским советом СПбГУТ

в качестве учебного пособия

Алексеев, А. Г.

А47

Схемотехника аналоговых электронных устройств : учеб. пособие / А. Г. Алексеев, П. В. Климова. – СПб. : Издательский центр СПбГУТ, 2012. – 52 с.

Написано в соответствии с учебной программой дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных узлов».

Излагаются вопросы общих методов определения различных характеристик и параметров аналоговых устройств, выполненных на дискретных элементах или на интегральных микросхемах. Объясняется принцип усиления электрических сигналов, построение схем усилителей на различных видах активных четырехполюсников, способы получения их коэффициентов усиления, вид частотных характеристик и дается их анализ с помощью нулей и полюсов функции передачи и диаграмм Боде.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению бакалавров 210400 «Телекоммуникации».

УДК 621.375(075.8)

ББК 32.842–5я73

Ó Алексеев А. Г., Климова П. В., 2012

Ó Федеральное государственное образовательное

бюджетное учреждение высшего профессионального

образования «Санкт-Петербургский

государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М. А. Бонч-Бруевича», 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Усиление электрических сигналов…………………………………....	4
1.1. Основные определения………………………………………………………………..	4
1.2. Структура усилительного устройства…………………………………………	4
1.3. Принцип усиления……………………………………………………………………….	6
1.4. Классификация электронных усилителей…………………………………..	8
1.5. Основные технические показатели усиления……………………………..	10
1.5.1. Линеаризация………………………………………………………………………..	10
1.5.2. Коэффициенты усиления усилителей…………………………………..	11
1.6. Схема усилителя…………………………………………………………………………..	13
1.7. Активные четырехполюсники и их параметры…………………………..	14
1.8. Эквивалентные схемы и коэффициент усиления………………………..	16
1.9. Многокаскадный усилитель………………………………………………………..	19
Глава 2. Линейные искажения…………………………………………………………..	22
2.1. Амплитудно-частотные искажения……………………………………………..	22
2.2. Фазочастотные искажения…………………………………………………………..	26
2.3. Переходная характеристика………………………………………………………..	28
Глава 3. Амплитудно-частотные искажения…………………………………….	31
3.1. Двойной логарифмический и полулогарифмический масштабы	31
3.2. Децибелы……………………………………………………………………………………..	33
3.3. Вспомогательные графические построения………………………………..	34
3.4. Полюс и нуль в начале координат……………………………………………….	35
3.5. Полюс или нуль на действительной оси……………………………………...	37
3.6. Комплексно-сопряженные пары………………………………………………….	40
Глава 4. Введение в анализ усилителей методом асимптот……………..	43
4.1. Структура первая…………………………………………………………………………	43
4.2. Структура вторая…………………………………………………………………………	44
4.3. Структура третья…………………………………………………………………………	45
4.4. Структура четвертая……………………………………………………………………	46
4.5. Структура пятая…………………………………………………………………………...	47
4.6. Асимптотический портрет усилителя с ОЭ………………………………….	49
Список литературы…………………………………………………………………………..	51

Глава I усиление электрических сигналов

1.1. Основные определения

Аналоговые устройства обработки сигналов продолжают занимать важное место в электронике. Это объясняется тем, что большинство датчиков информации являются источниками аналоговых сигналов, а многие исполнительные элементы управляются непрерывно изменяющимся электрическим током.

Сложные системы управления, основой которых являются цифровые комплексы, сопрягаются с объектами управления и датчиками с помощью аналоговых и аналогово-цифровых устройств. Все это стимулирует ежегодное появление в мире многих десятков новых моделей аналоговых интегральных микросхем [1].

В большинстве случаев носителями информации являются сигналы переменного (реже постоянного) электрического тока. Вырабатываемые различными маломощными датчиками и первичными преобразователями сигналы, проходя по цепям и каналам передачи информации, претерпевают значительные ослабления и оказываются недостаточными для непосредственного приведения в действие устройств отображения информации или исполнительных механизмов. В связи с этим во многих электронных устройствах возникает необходимость обеспечить усиление электрических сигналов [2].

Усиление электрических сигналов является фундаментальным свойством всей аппаратуры обработки сигналов. Для этих целей используют устройства, называемые усилителями. Они предназначены для увеличения интенсивности электрических колебаний. Активные и пассивные элементы, соединенные в нужную электрическую схему, совместно с источником питания (ИП) образуют усилительное устройство. Главной частью усилительного устройства является усилитель, вследствие чего эти два понятия обычно отождествляют.

Электронные усилители находят применение и как самостоятельные устройства, и как составные части более сложных устройств

1.2. Структура усилительного устройства

Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на его входе колебания с некоторым уровнем мощности получать на выходной нагрузке усилителя те же колебания, но с большим уровнем мощности. Эти устройства преобразуют маломощный сигнал на входе в аналоговый сигнал большей мощности на выходе. Увеличение мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от дополнительного источника (ИП).

Другим источником в устройстве является управляющий источник энергии, от которого усиливаемые сигналы поступают на усилитель. Его называют источником входного сигнала.

Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой.

Электрические колебания усиливаются с помощью специальных приборов – усилительных элементов (УЭ), которые получают электрическую энергию от ИП и преобразуют ее в энергию усиливаемых сигналов, т. е. обладают управляющими свойствами.

Связь усилителя с источником входного сигнала, нагрузкой и источником питания иллюстрирует рис. 1. Усилительное устройство имеет входную и выходную сигнальные цепи и цепи питания. Во входную цепь включен источник сигнала, от которого к входу усилителя подводится сигнал с напряжением U_ВХ, током I_ВХ и мощностью Р_ВХ. В выходную цепь включена нагрузка, к которой от усилителя подводится усиленный сигнал с напряжением U_ВЫХ, током I_ВЫХ и мощностью Р_ВЫХ. Следует отметить, что при усилении возможны искажения формы сигналов, но они не должны превышать допустимых значений.

Рис. 1. Структурная схема усилительного устройства

Мощность Р_ВЫХ, отдаваемая усилителем в нагрузку, меньше мощности Р₀, потребляемой им от ИП. Это обусловлено неизбежными потерями части потребляемой мощности Р_П = Р₀ – Р_ВЫХ в усилительных элементах и пассивных элементах (резисторах и т. д.) усилителя, приводящих к нежелательному нагреву этих элементов, а также к снижению КПД усилителя, оцениваемому как η = Р_ВЫХ/Р₀. Вопросы снижения этих потерь (или, иначе говоря, повышения КПД усилителя) и отвода тепла очень важны, особенно в мощных усилителях и в усилителях в интегральном исполнении.

Нагрузкой усилителя могут быть – электродинамический громкоговоритель («динамик») или устройство из нескольких динамиков («колонка»), электронно-лучевая трубка (в осциллографе), головные телефоны, монитор, последующие усилители, каналы связи и т. д.

В качестве источника сигнала используют микрофоны, передающие телевизионные трубки, детекторы радиоприемников, предшествующие усилителям, каналы связи, различные датчики и т. д.

В качестве усилительных элементов в усилителях телекоммуникационной аппаратуры используют преимущественно биполярные и полевые транзисторы (БТ и ПТ) в виде дискретных приборов и операционных усилителей на интегральных микросхемах (ИМС).

В качестве источника питания в электронных усилителях обычно используют источник постоянного тока (выпрямитель, химический источник) с необходимыми значениями напряжения Е₀ и тока питания I₀.