Схемотехника 1

СОСТАВИТЕЛЬ: Т.М. Жолшараева. Схемотехника 1. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050704 – Вычислительная техника и программное обеспечение. – Алматы: АИЭС,

2008. – 50 с.

Конспект лекций предназначен для самостоятельного изучения курса «Схемотехника». В конспекте приведены основные аналоговые устройства: усилители и устройства на основе усилителей. Приведены основные структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы и описан принцип действия устройств.

Конспект лекций предназначен для студентов всех форм обучения специальности 050704 – Вычислительная техника и программное обеспечение и может быть использован студентами специальностей 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации и 050702 – Автоматизация и управление.

Ил. 70, библиогр. – 14 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, проф. А.Б Берикулы.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский институт энергетики и связи» на 2008 г.

© НАО «Алматинский институт энергетики и связи», 2008 г.

2

3

1 Лекция 1. Основные характеристики аналоговых электронных устройств

Содержание лекции:

–классификация аналоговых электронных устройств;

–классификация аналоговых электронных усилителей;

–основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств.

Цели лекции:

изучить классификацию аналоговых электронных усилителей; изучить основные технические показатели и характеристики аналоговых

электронных устройств;

1.1 Классификация аналоговых электронных устройств

Электронные устройства делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые (АЭУ) – это устройства, предназначенные для усиления,

преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Преимущества аналоговых устройств (сравнительная простота, надежность и быстродействие) обеспечили им самое широкое применение.

Цифровые устройства служат для обработки импульсных сигналов в двоичном или каком-либо другом коде.

АЭУ делятся на две большие группы (рисунок 1.1):

­усилители;

­устройства на основе усилителей.

Электронный усилитель электрических колебаний – это устройство для увеличения мощности сигнала за счет энергии источника постоянного напряжения. Является одним из основных узлов радиоаппаратуры и

электронных систем.

Устройства на основе усилителей делятся на:

а) преобразователи электрических сигналов или устройства аналоговой обработки сигналов. Выполняются они на базе усилителей со специальными цепями обратной связи. К ним относятся сумматоры, интеграторы, дифференциаторы, активные фильтры, логарифмические усилители, детекторы, перемножители и делители, устройства сравнения (компараторы) и другие;

б) преобразователи сопротивлений. Строятся также на усилителях с обратной связью. Они преобразуют величину, знак и характер сопротивлений;

4

в) особый класс составляют всевозможные генераторы сигналов и связанные с ними устройства.

1.2 Классификация аналоговых электронных усилителей

Усилители классифицируются по нескольким признакам: 1.2.1 по диапазону усиливаемых частот:

а) усилители постоянного тока (УПТ). УПТ усиливают входной сигнал в диапазоне от нулевой до некоторой верхней частоты 0 fУПТ fВ. Они усиливают как переменную, так и постоянную составляющую входного сигнала в диапазоне 0 108 Гц.

б) усилители переменного тока способны усиливать только переменную составляющую сигнала. Они усиливают колебания с частотами от нижней fН граничной частоты до верхней fВ граничной частоты fН f fВ.

1.2.2 по виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилители переменного сигнала делятся на:

а) УНЧ или УЗЧ - усилитель низких или звуковых частот, у которых f н

15 Гц; f В 20 кГц;

б) УВЧ (усилитель высоких частот) имеет f H - десятки кГц; f В - десятки

постоянного тока), усилитель гармонических (синусоидальных) колебаний и усилитель импульсных сигналов;

1.2.4по режиму работы усилителя – на усилитель тока, усилитель напряжения и усилитель мощности;

1.2.5по элементной базе – на ламповые, транзисторные, интегральные

иоптоэлектронные;

1.2.6по способу межкаскадной связи – с гальванической (непосредственной) связью, с резистивно-емкостной (RC) связью и с трансформаторной связью.

1.2.7 по назначению и области применения – микрофонные, трансляционные, измерительные, радиолокационные, малошумящие, многоканальные, высоколинейные и т. д.

Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие: например, по типу питания, числу каскадов, конструктивному или технологическому исполнению и др.

5

1.3 Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

1.3.1 Номинальная выходная мощность

1.3.2 Коэффициент усиления Коэффициент усиления – важнейший количественный показатель

работы усилителя. Коэффициент усиления напряжения Кu=Uвых/Uвых;

Коэффициент усиления К выражается безразмерной величиной либо в децибелах (дБ), так как человеческое ухо различает разницу уровня звука на 1 дБ - на величину, пропорциональную логарифму от соответствующего изменения звуковой энергии.

KU (дБ) 20lg(KU ); KI (дБ) 20lg(KI ); KP (дБ) 10lg(KP ) .

Коэффициент усиления К является комплексной величиной, так как выходной сигнал отличается от входного по фазе.

В общем виде, например, для напряжения

сигнала.

1.3.3 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

Амплитудно-частотная характеристика (рисунок 1.2, – это зависимость коэффициента усиления сигнала К от частоты f К=F1(f).

По АЧХ определяются параметры: а) полоса пропускания f fв fн ;

б) fн и fв – нижняя и верхняя граничные частоты усиления;

в) Мf – коэффициент частотных искажений на заданной частоте f

6

коэффициент усиления на нижних и верхних частотах. Они обусловлены наличием реактивных элементов и инерционными свойствами усилительного элемента.

1.3.4 Фазо-частотная характеристика (ФЧХ)

ФЧХ (рисунок1.2,б) – это зависимость сдвига фазы

линейное усиление, то есть форма сигнала не меняется. В точке С начинается нелинейное усиление, Uвыхmax ограничивается заданным уровнем нелинейных искажений.

Амплитудная характеристика дает возможность оценить предельное значение амплитуды входного сигнала, соответствующее границе линейного усиления. По этой характеристике определяется динамический диапазон усилителя D

DдБ=20 lg(Uвхmax /Uвхmin).

На участке CD нелинейные искажения возникают за счет нелинейности характеристик транзистора и проявляются в искажении формы сигнала, которые оцениваются коэффициентом

высшие гармоники, U1 – первая гармоника (полезная). В спектре выходного сигнала появляются новые высшие гармоники, которые искажают сигнал.

Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него, и поэтому называются собственными помехами. Основными из них являются фон, наводки, тепловые шумы резисторов и элементов с активными потерями, шумы усилительных элементов.

1.3.6 Коэффициент полезного действия усилителя – отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников питания =Рн/Р

7

2 Лекция 2. Классы усиления и обратные связи в усилителях Содержание лекции:

–классы усиления усилителя;

–обратные связи в усилителях.

Цели лекции:

–изучить классы усиления усилителя;

–изучить влияние обратных связей в усилителях.

2.1 Классы усиления усилителя

Различаются классы: А, В, АВ, С. Рассмотрим их на работе усилителя (рисунок 2.1).

2.1.1 Класс усиления А Начальная рабочая точка (р.т.) А выбирается на

середине линейного участка сквозной динамической характеристики (СДХ) iк=f(eг) (рисунок 2.2,а). Для задания р.т. на базу транзистора подается смещение

Есм.. Допустим, на вход подан сигнал Uвх Егм sin t (рисунок 2.2 .б).

ТогдаUбэ Есм Егм sin t . На рисунке 2.2,в показано изменение тока

коллектора, на рисунке 2.2,г – IкRк, а на рисунке 2.2,д – изменение напряжение

на выходе Uк=Ек - IкRк.

Ток коллектора носит непрерывный характер. Входной сигнал должен быть таким, чтобы крайние положения рабочей точки не выходили за пределы линейного участка СДХ, т.е. за MN .

Следует обратить внимание на то, что ток коллектора совпадает по фазе с входным сигналом, выходной сигнал в противофазе с входным.

В классе А низкий коэффициент нелинейных искажений, но и низкий к.п.д. 0,4 .

Класс А применяется:

– в каскадах предварительного усиления;

8

–в предоконечных каскадах;

–в RC-генераторах синусоидального напряжения;

–в любой схеме, где недопустимы нелинейные искажения.

2.1.2 Класс усиления B.

Начальная рабочая точка B выбирается в точке запирания транзистора. Ток коллектора носит импульсный характер. Угол, при котором прекращается ток коллектора, называется углом отсечки . При идеальном режиме, т.е. при прямолинейном характере СДХ ток покоя коллектора равен нулю, = 90 .

Этот режим характеризуется высоким к.п.д. 0,7 , но и высоким коэффициентом нелинейных искажений.

2.1.3 Класс усиления АB.

Режим класса АВ является промежуточным между А и В. Начальная р.т. выбирается в точке пересечения линеаризованной СДХ с осью абсцисс. Для

этого подается смещение Есм на базу. Угол отсечки тока коллектора > 90 . Часть синусоиды на выходе отсекается, но меньше, чем в классе В, поэтому искажения меньше, чем в классе В, но больше, чем в классе А ( А < АВ < В).

Кпд = 0,5 ( А < АВ < В).

Используется:

–в однотактных усилителях при резонансном усилении узкой полосы частот, при усилении импульсных сигналов одной полярности;

–в двухтактных усилителях мощности.

2.1.4 Класс усиления С.

В этом режиме начальная рабочая точка выбирается левее начала СДХ. При отсутствии входного сигнала ток коллектора равен нулю. Угол отсечки коллекторного тока < 90 . Усиливается только небольшая часть синусоиды. К.п.д. высокий 0,9 , но и высок коэффициент нелинейных искажений.

Применяется класс С в LC – генераторах. Резонансный контур в коллекторной цепи настраивается на заданную частоту и из широкого спектра частот, который имеет срезанная синусоида, выделяется нужная.

2.1.5 Класс усиления D.

Режим Д, или ключевой режим работы транзистора, состоит в том, что на его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью запирающие и отпирающие транзистор. Усилительный элемент всегда находится в одном из двух крайних состояний: «полностью открытом» (падение напряжения между выходными электродами близко к нулю) или «полностью закрытом» (ток в выходной цепи близок к нулю). Поэтому потери энергии в транзисторе всегда ничтожно малы. Режим Д позволяет получить в усилителе очень высокий КПД. Но повышение КПД усилителей класса Д происходит за счет ухудшения других показателей.

9

2.2 Обратные связи в усилителях

2.2.1 Виды обратных связей

Процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении, обратном основному, т. е. с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а цепь, по которой осуществляется эта передача, – цепью обратной связи

передачи звена обратной связи. Различают обратные связи:

–внутреннюю – обусловлена физическими свойствами и конструкцией активного элемента;

–внешнюю – вводятся специальные цепи обратной связи;

–паразитную – возникает помимо желания разработчика. Это

индуктивная, емкостная и гальваническая связь между цепями, создающая пути для обратной передачи энергии. Её стараются устранять введением специальных схем.

Цепь ОС с частью схемы усилителя, которую она охватывает и образует замкнутый контур, называется петлей ОС.

Взависимости от количества петель ОС различают однопетлевую

имногопетлевую ОС. Петли ОС могут быть независимыми, а также частично или полностью входить одна в другую. Если в петле ОС, охватывающий усилитель или его часть, имеются петли, охватывающие один каскад, их называют местными ОС. ОС, которая охватывает все каскады усиления или пару каскадов, называется общей ОС.

Введение ОС в усилитель позволяет создавать усилители с необходимыми свойствами, а также новые классы электронных схем с разными функциями.

ОС к входу и выходу подключается разными способами. От способа снятия ОС с выхода различают:

а) ОС по току и напряжению:

если ОС снимается с RH или с и Uос изменяется пропорционально выходному напряжению, то это ОС по напряжению. Если ОС снимается с сопротивления, последовательного RH и изменение напряжения обратной связи пропорционально изменению тока, то это ОС по току.

б) ОС параллельная и последовательная:

параллельная ОС имеет место, если напряжение ОС подается на вход усилителя параллельно источнику сигнала EC . Если ОС подключается к входу

10