Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Схемотехника аналоговых электронных устройств. Основные понятия, обратные связи, работа усилительного элемента в схеме. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

___________________________________________________________________________

В.В. ДУРКИН, С.В. ТЫРЫКИН

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ,

РАБОТА УСИЛИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

В СХЕМЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2017

УДК 621.38.061(075.8)

Д 841

Рецензенты:

канд. техн. наук, доц. М.А. Степанов;

канд. техн. наук, доц. В.И. Говорухин

Работа подготовлена кафедрой радиоприемных и радиопередающих устройств

для студентов III курса факультета РЭФ направлений «Радиотехника»

и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

дневного отделения

Дуркин В.В.

Д 841 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Основные

понятия, обратные связи, работа усилительного элемента в схеме: учебное пособие / В.В. Дуркин, С.В. Тырыкин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2017. – 100 с.

ISBN 978-5-7782-3206-8

Рассмотрены основные параметры и характеристики усилительных устройств, работа усилительного элемента в схеме, обратные связи, режимы работы и цепи питания усилительных элементов.

Дуркин Валерий Вячеславович

Тырыкин Сергей Владимирович

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ, РАБОТА УСИЛИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА В СХЕМЕ

Учебное пособие

Редактор И.Л. Кескевич

Выпускающий редактор И.П. Брованова

Корректор И.Е. Семенова

Дизайн обложки А.В. Ладыжская

Компьютерная верстка С.И. Ткачева

Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции

Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП)

Подписано в печать 19.04.2017. Формат 60  84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз.

Уч.-изд. л. 5,8. Печ. л. 6,25.

Новосибирского государственного технического университета

ISBN 978-5-7782-3206-8 © Дуркин В.В., Тырыкин С.В., 2017

630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Изд. № 302/16. Заказ № 609. Цена договорная

Отпечатано в типографии

УДК 621.38.061(075.8)

технический университет, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .................................................................................................................. 5

Список принятых сокращений .............................................................................. 8

1. Фрагменты теории электрических цепей .................................................... 9

1.1. Классификация электрических цепей ........................................................ 9

1.2. Основные законы электрических цепей .................................................. 11

1.3. Большой и малый сигналы ....................................................................... 12

2. Начальные сведения об усилительных устройствах ............................... 15

2.1. Определение............................................................................................... 15

2.2. Классификация усилителей ...................................................................... 16

3. Основные параметры и характеристики усилительных устройств ........ 18

3.1. Коэффициенты передачи (усиления) ....................................................... 18

3.2. Передаточные функции ............................................................................ 20

3.3. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики ..................... 21

3.4. Амплитудно-фазовая

3.5. Переходная характеристика ..................................................................... 24

3.6. Связь между АЧХ, ФЧХ и ПХ ................................................................. 26

3.7. Линейные искажения ................................................................................ 26

3.8. Нелинейные искажения ............................................................................ 29

3.9. Внутренние помехи ................................................................................... 30

3.10. Амплитудная характеристика и динамический диапазон................... 34

3.11. Коэффициент полезного действия ......................................................... 36

3.12. Входные и выходные параметры ........................................................... 36

4. Работа усилительного элемента в схеме ..................................................... 38

4.1. Модели транзисторов ................................................................................ 38

4.1.1. Общие сведения .............................................................................. 38

4.1.2. Формальная модель УЭ .................................................................. 40

4.1.3. Физическая модель биполярного транзистора ............................. 42

характеристика ..................................................... 23

4.1.4. Физическая модель полевого транзистора .................................... 46

4.2. Свойства транзистора в различных схемах включения ......................... 47

4.2.1. Транзистор как активный трехполюсник ...................................... 47

4.2.2. Сравнительные свойства биполярного транзистора

в различных схемах включения .................................................... 50

4.2.3. Сравнительные свойства полевого транзистора в трех

схемах включения (ОИ, ОЗ, ОС) ................................................... 53

5. Обратные связи в усилительных устройствах ......................................... 55

5.1. Основные понятия ..................................................................................... 55

5.2. Влияние обратной связи на коэффициент передачи ............................. 58

5.3. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления ........ 62

5.4. Влияние обратной связи на стабильность коэффициента передачи ....... 65

5.5. Влияние обратной связи на амплитудно-частотную, фазочастот-

ную и переходную характеристики ......................................................... 67

5.6. Влияние обратной связи на внутренние помехи ................................... 70

5.7. Влияние обратной связи на нелинейные искажения ............................. 71

5.8. Устойчивость устройств с обратной связью .......................................... 72

6. Режимы работы и цепи

6.1. Режим А ..................................................................................................... 77

6.2. Режим В ..................................................................................................... 80

6.3. Режим С ..................................................................................................... 82

6.4. Режим D ..................................................................................................... 83

6.5. Температурная нестабильность режима биполярного транзистора ....... 83

6.6. Температурная нестабильность режима полевого транзистора ........... 87

6.7. Методы стабилизации ............................................................................... 88

6.8. Обобщенная схема задания и стабилизации рабочей точки ................. 90

6.9. Схема эмиттерной стабилизации ............................................................. 92

6.10. Схема коллекторной стабилизации ....................................................... 94

6.11. Цепи питания полевых транзисторов .................................................... 95

6.11.1. Цепи питания с фиксацией напряжения

6.11.2. Схемы истоковой стабилизации .................................................. 97

6.12. Генераторы стабильного тока ................................................................ 98

Библиографический список ............................................................................... 100

питания усилительных элементов .................. 77

на затворе ................... 95

ВВЕДЕНИЕ

Все электронные устройства подразделяются на аналоговые и циф-

ровые.

Аналоговый сигнал (АС) – это сигнал, параметр которого (например, амплитуда, фаза, частота и т. д.) задается функцией непрерывного времени с непрерывным множеством возможных значений. Большинство сигналов, существующих в реальной природе, является аналоговыми. Именно поэтому первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им и затем выполняли обратные преобразования в физические величины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха – в более сильный

функцией дискретного времени с конечным множеством возможных значений, т. е. дискретный во времени сигнал, квантованный по уровню.

ки, связанные именно с природой аналоговых сигналов. Дело в том, что аналоговые сигналы чувствительны к действию разитных сигналов – шумов, наводок, помех. Они ими искажаются. Искажения возникают также из-за несовершенства и нестабильности работы электронных устройств.

наводок и помех гораздо лучше, поэтому цифровые устройства обеспечивают более качественную обработку и хранение сигнала, чем аналоговые. К тому абсолютно точно рассчитать и предсказать. Цифровые устройства

напряжение или ток, производили над ними какие-то операции

звук.

Цифровой сигнал (ЦС) – это сигнал, параметр которого задается

АС и работающая с ними аналоговая электроника имеют недостат-

всевозможных па-

В отличие от аналоговых ЦС защищены от действия шумов,

же поведение цифровых устройств всегда можно

гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифровые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие цифровой электроники.

Однако ЦС, а значит, и цифровая электроника имеют и серьезные недостатки. Во-первых, максимально достижимое быстродействие цифровых устройств всегда принципиально меньше, чем аналоговых, т. е. аналоговые устройства могут работать с более быстро меняющимися сигналами, чем цифровые. Во-вторых, информационная емкость ЦС меньше, чем аналоговых. Для передачи того объема информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифровых (в основном от 4

до 16). Кроме того, поскольку в природе все сигналы – аналоговые, для преобразования их в цифровые и обратно требуется специальная аппаратура

(аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)). Поэтому плата за преимущества цифровых устройств может

порой оказаться неприемлемо большой.

В связи с этим аналоговая электроника достаточно широко применяется и в настоящее время. В некоторых случаях, когда одну и ту же задачу можно решить и цифровым, и аналоговым способом, аналоговый способ выгоднее. В некоторых случаях целесообразно использовать только аналоговый метод. Конечно, имеется также множество процессов, выполняемых только с помощью цифровой электроники. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо принимать хорошо продуманное решение о соотношении объема цифровой и аналоговой обработки сигналов. Чаще всего обе технологии дополняют друг друга, и электронные системы становятся все более дешевыми и высокоэффективными. В этом и состоит искусство разработки.

В последние годы схемотехника аналоговых электронных устройств (АЭУ) претерпела значительные изменения. Это связано со стремительным развитием микроэлектроники. Появление новых специализированных аналоговых микросхем, увеличение номенклатуры операционных усилителей (ОУ), занимающих доминирующее положение в интегральной аналоговой схемотехнике, привели к значительному расширению функций АЭУ и

к постепенной замене аналоговых схем на дискретных элементах на их микросхемные аналоги. Коме того, при проектировании аналоговых схем стали широко использоваться средства вычислительной техники. Естественно, эти изменения нашли

свое отражение и в предлагаемом курсе лекций, который посвящен теории и практике АЭУ, выполненных как по дискретной, так и по интегральной технологии.

В зависимости от назначения аналоговые микросхемы подразделяются на специализированные и общего применения. К микросхемам общего применения относятся ОУ, ограничители, компараторы, перемножители и фильтры. На их основе

могут быть построены АЭУ, выполняющие различные операции над аналоговыми сигналами. В курсе основное внимание уделено схемам общего применения, специализированные же схемы (в частности, схемы обработки радиочастотных сигналов, стабилизаторы напряжения и др.) рассматриваются в специальных дисциплинах.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АС – аналоговый сигнал АХ – амплитудная характеристика АЦП – аналого-цифровой преобразователь АЧХ – амплитудно-частотная характеристика АЭУ – аналоговое электронное устройство БТ – биполярный транзистор ДС, СС – дифференциальный и синфазный сигналы ДХ – динамическая характеристика ИМС – интегральная микросхема ИП – источник питания НИ – нелинейные искажения ОБ – общая база ОЗ – общий затвор ОИ – общий исток ОК – общий ООС – отрицательная обратная связь ОС – общий сток, обратная связь ОУ – операционный усилитель ОЭ – общий эмиттер ПОС – положительная обратная связь ПТ – полевой транзистор ПФ – передаточная функция ПХ – переходная характеристика УЗЧ – усилитель звуковых частот УК – усилительный каскад УПТ – усилитель постоянного тока УРЧ – усилитель радиочастот УУ – усилительное устройство УЭ – усилительный элемент ФИ – фазовые ФЧХ – фазочастотная характеристика ЦАП – цифроаналоговый преобразователь ЦОС – цепь обратной связи ЦС – цифровой сигнал ЧИ – частотные искажения

коллектор

искажения

1. ФРАГМЕНТЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Элементы электрических цепей можно классифицировать по ряду признаков: числу полюсов, соотношениям воздействия и реакции, виду характеристик, потреблению энергии и др.

В зависимости от числа полюсов (внешних зажимов) различают двухполюсные, трехполюсные и многополюсные элементы.

К двухполюсным элементам относят управляемые (зависимые) и неуправляемые источники тока и напряжения, резисторы, катушки дуктивности, конденсаторы, диоды и др.

К трехполюсным элементам относят биполярные и полевые транзисторы, электровакуумные триоды, усилительные каскады.

К многополюсным элементам относят операционный усилитель в дифференциальном включении, сумматор на базе операционного усилителя, многосеточные электронные лампы, различные интегральные полупроводниковые приборы.

Свойства электрических цепей и их элементов принято оценивать соотношением следствия (рис. 1.1). В зависимости от вида уравнения, связывающего воздействие и реакцию, элементы подразделяют на инерционные и безынерционные, линейные и нелинейные, управляемые и неуправляемые, обратимые и необратимые, стационарные и нестационарные.

К безынерционным относят элементы, для которых воздействие и реакция связаны алгебраическими уравнениями, например, резисторы. К инерционным – элементы, для которых воздействие и реакция связаны интегро-дифференциальными уравнениями, например, индуктивности и емкости. Для таких элементов изменение реакции y( t ) во времени отличается от временной зависимости воздействия x ( t ). Воздействия и реакции математически описываются величинами, которые называют переменными

воздействия x(t) и реакции y(t), т. е. причины и

, и являются функциями времени.

ин-



Связь между реакцией ствием

где

для безынерционного элемента определяется уравнением

– коэффициент пропорциональности, называемый парамет-

k-го элемента и приложенным воздей-

yax

kkk

ром k-го элемента.

Воздействие

x(t)

Рис. 1.1. Воздействие и реакция в электрической цепи

Если параметр

a(x, y, t)

является постоянным, то реакция пропорцио-

Реакция

y(t)

нальна воздействию и элемент называют линейным. Если же пара-

метр

зависит от значения воздействия или реакции, такой элемент

называют нелинейным. Цепи, содержащие только линейные элементы, называют линейными, а цепи, в которых имеется хотя бы один нелинейный элемент, – нелинейными.

()Wt

Если энергия

, поступающая в элемент, в любой момент вре-

мени имеет положительное значение, то такой элемент называют пассивным, так как он способен только потреблять энергию. Если же

энергия, поступающая в элемент, в какой-либо момент времени может принимать отрицательное значение, то такой элемент называют активным, так как он способен отдавать

энергию во внешнюю цепь. К активным элементам относят управляемые и неуправляемые источники тока и напряжения, транзисторы, электровакуумные лампы, операционные усилители и другие усилительные элементы, которые при наличии сторонних источников питания способны отдавать энергию во внешнюю цепь; их можно рассматривать как источники напряжения или тока, управляемые внешними воздействиями.

Цепи с

электронными и полупроводниковыми приборами в определенных режимах способны усиливать воздействие по мощности за счет потребления энергии от сторонних источников питания. Поэтому такие цепи называют активными в отличие от пассивных цепей, которые способны только потреблять энергию и в которых усиление по мощности невозможно.

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]