Skhemotekhnika_PE
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
Н.Н. Любушкина В.В. Лановенко
СХЕМОТЕХНИКА
Утверждено в качестве учебного пособия Ученым советом Федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
Комсомольск-на-Амуре 2012
2
УДК 621.385
Н.Н. Любушкина В.В. Лановенко
Схемотехника: Учебное пособие. - Комсомольск-на-Амуре: Феде-
ральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-
т», 2012. – 137 с.
Рассмотрены схемотехнические принципы построения усилительных устройств, их параметры и характеристики, основы построения каскадов предварительного усиления различных типов, усилителей мощности.
Приведены методики расчета усилительных устройств по постоянному и переменному току. Описаны схемотехнические особенности усилителей постоянного тока, избирательных, измерительных и широкополосных усилителей.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Про- мышленная электроника» всех формы обучения.
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................................. |
4 |
|
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ........................... |
5 |
|
1.1 |
Принцип действия усилительных устройств........................................................................... |
5 |
1.2 |
Параметры усилительного каскада.......................................................................................... |
8 |
1.3 |
Многокаскадные усилители...................................................................................................... |
11 |
1.4 |
Характеристики многокаскадных усилителей ...................................................................... |
12 |
2 КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ ........................................................................ |
19 |
|
2.1 |
Усилительный каскад с общим эмиттером........................................................................... |
19 |
2.2 |
Расчет режима покоя простейшего каскада с общим эмиттером................................... |
23 |
2.3 |
Каскад с общим коллектором. Работа схемы ....................................................................... |
29 |
2.4 |
Каскад с общей базой................................................................................................................ |
34 |
2.5 |
Усилительный каскад с общим истоком ................................................................................ |
36 |
2.6 |
Влияние междуэлектродных емкостей транзисторов на параметры усилительных |
|
|
каскадов..................................................................................................................................... |
41 |
2.7 |
Каскад с общим стоком ........................................................................................................... |
43 |
2.8 |
Фазоинверсный каскад.............................................................................................................. |
44 |
2.9 |
Составные транзисторы......................................................................................................... |
45 |
2.10 Каскад с общим эмиттером на составном транзисторе.................................................. |
47 |
|
2.11 Применение трансформаторов в усилительных устройствах.......................................... |
49 |
|
3 КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ........................................................................................... |
51 |
|
3.1 |
Требования к каскадам усиления мощности........................................................................... |
51 |
3.2 |
Режимы работы транзисторов в каскадах усиления мощности........................................ |
52 |
3.3 |
Однотактный трансформаторный усилитель мощности.................................................. |
57 |
3.4 |
Классификация двухтактных усилителей мощности........................................................... |
62 |
3.5 |
Работа двухтактного каскада в режиме В........................................................................... |
64 |
3.6 |
Двухтактный трансформаторный усилитель мощности................................................... |
66 |
3.7 |
ДУМ на транзисторах одного типа проводимости.............................................................. |
70 |
3.8 |
ДУМ на транзисторах разного типа проводимости ............................................................ |
74 |
4 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ...................................................... |
76 |
|
5 ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ.................................................................................................... |
86 |
|
6 УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА........................................................................................... |
90 |
|
6.1 |
УПТ прямого усиления .............................................................................................................. |
91 |
6.2 |
Многокаскадные УПТ ............................................................................................................... |
92 |
6.3 |
Дрейф нуля УПТ......................................................................................................................... |
93 |
6.4 |
Дифференциальный УПТ .......................................................................................................... |
93 |
6.5 |
Усилители постоянного тока с преобразованием............................................................... |
100 |
7 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ................................................................................................. |
101 |
|
7.1 |
Измерительный усилитель на одном ОУ.............................................................................. |
102 |
7.2 |
Схема ДУ с делителем в цепи обратной связи..................................................................... |
104 |
7.3 |
Измерительный усилитель на двух ОУ ................................................................................. |
105 |
7.4 |
Измерительный усилитель на трех ОУ................................................................................ |
106 |
7.5 |
Применение измерительных усилителей............................................................................... |
108 |
8 ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ........................................................................................... |
110 |
|
8.1 |
Работа транзисторного усилительного каскада на высоких частотах.......................... |
111 |
8.2 |
Применение ОУ для усиления радиочастотных сигналов................................................... |
113 |
8.3 |
Широкополосные ОУ с обратной связью по току............................................................... |
116 |
8.4 |
Усилители дифференциальных линий.................................................................................... |
120 |
9 КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ .................................................................................................. |
123 |
|
9.1 |
Выбор и обоснование структурной схемы усилителя......................................................... |
123 |
9.2 |
Последовательность расчета принципиальной схемы усилителя................................... |
127 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................... |
136 |
|
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................................................ |
137 |
|
4
ВВЕДЕНИЕ
Схемотехника, научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств ра- диотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и других облас- тей техники. Основная задача схемотехники – синтез (определение струк- туры) электронных схем, обеспечивающих выполнение определённых функций, и расчёт параметров входящих в них элементов.
Схемотехника – это наука о проектировании и исследовании схем электронных устройств.
В схемотехнике, как и во многих других научно-технических дисцип- линах, большинство задач можно разделить на два класса:
−задачи синтеза (объединения ранее разрозненных вещей) – создание схемы некоего устройства из отдельных деталей или блоков.
−задачи анализа (расчленения целого на составные части) – исследо-
вание поведения и свойств большой системы на основании информации о свойствах её составляющих.
Слово схема нуждается в отдельном пояснении. Предмет изучения схемотехники – это схемы, и этот термин имеет два значения:
Во-первых, электрическая схема – это условное графическое пред- ставление некоторой электрической цепи. В зависимости от назначения ис- пользуются различные виды схем (принципиальная схема, эквивалентная схема и другие).
Во-вторых, схема – это сама электрическая цепь (например, инте- гральная схема).
Можно сказать, что задача схемотехники – это анализ и проектирова- ние реальных электронных устройств, но при этом схемотехника оперирует «схемой» – абстрактным представлением устройства в виде совокупности условных обозначений.
На основе электронной схемы создают соответствующее устройство (входящее в состав некоторой технической системы). К устройству предъ- является требование надёжной работы в течение заданного времени в ре-
альных условиях производственного разброса параметров элементов и их старения, влияния внешней среды и возмущающих воздействий. Поэтому
при разработке схем наряду с расчётом номинальных значений параметров элементов необходимо рассчитывать эксплуатационные допуски на них, предусматривать в схеме средства, повышающие надёжность устройства (обеспечивающие устойчивую работу схемы при внешних воздействиях), а также позволяющие контролировать его исправность.
Элементной базой для создания электронных устройств служат дис- кретные электро- и радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, диоды, тран- зисторы и т. д.) и интегральные микросхемы (ИС). Если электронная схема
5
реализуется в виде ИС, либо нескольких ИС, то говорят о «микросхемотех- нике», под которой понимают область микроэлектроники, связанную с про- ектированием ИС.
Теоретической базой схемотехники (в том числе микросхемотехники) служат теория линейных и нелинейных электрических цепей, электродина- мика, математическое программирование, теория автоматов и др. При соз- дании электронных схем перспективно использование методов проектиро- вания с применением ЭВМ. По мере развития микроэлектроники, разработ- ки больших ИС (БИС) – функциональных устройств, представляющих со- бой целые системы, схемотехника по ряду аспектов сливается с системо- техникой. Сам термин «схемотехника» появился в 60-х гг. ХХ века в связи с разработкой унифицированных схем, пригодных одновременно для многих применений.
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
1.1 Принцип действия усилительных устройств
Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения
мощности электрических сигналов без изменения их формы или частотного спектра. Структурная схема усилителя представлена на рис. 1.1.
Источник |
|
|
Каскад |
|
|
|||
UВХ, РВХ |
(каскады) |
UВЫХ, РН |
Нагрузка |
|||||
сигнала |
|
|||||||
|
|
усиления |
|
|
||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E, P0 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Источник |
|
|
|||
|
|
|
питания |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.1 - Структурная схема усилителя
На структурной схеме (рис. 1) обозначены:
UВХ, UВЫХ – напряжения сигнала на входе и выходе усилителя; РВХ, РН – мощность сигнала на входе и выходе усилителя; Е – напряжение питания усилителя; Р0 – мощность, потребляемая от источника питания.
Процесс усиления электрических сигналов состоит в преобразовании энергии источника питания Е (постоянного напряжения) в энергию пере-
6
менного сигнала на выходе усилителя по закону, задаваемому входным сиг- налом.
В качестве элементов, осуществляющих преобразование энергии, ис- пользуются электронные лампы, транзисторы различных типов, интеграль- ные схемы.
Рассмотрим процесс преобразования энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного сигнала с помощью транзистора.
Транзистор с дополнительными элементами, обеспечивающими его работу, образует каскад усиления. Рассмотрим принцип действия каскада усиления. Он строится по схеме резистивного делителя, одно плечо которо- го представляет собой постоянное сопротивление R, второе плечо – управ- ляемый элемент (УЭ) – транзистор. Простейшая схема резистивного каскада имеет вид (рис. 1.2). Рассмотрим воздействие на схему синусоидального входного сигнала (рис. 1.3).
При UВХ = 0 транзистор закрыт, IВЫХ = 0, UR = 0, UВЫХ = Е. При UВХ > 0 транзистор переходит в активный режим, IВЫХ ≠ 0, появляется паде-
ние напряжения на R, а
UВЫХ = Е – UR
становится меньше Е и зависит от величины UВХ.
При UВХ ≤ 0 транзистор переходит в режим отсечки, IВЫХ = 0, а UВЫХ = Е. Таким образом, в простейшей схеме удается получить реакцию в выходной цепи на одну из полуволн усиливаемого сигнала. Для того чтобы получить реакцию в выходной цепи на обе полуволны входного сигнала, в каскаде обеспечивают режим начального смещения (режим покоя). Схема каскада с начальным смещением представлена на рис. 1.4, а временные диа- граммы – на рис. 1.5.
+E
R
УЭ 
IВЫХ
UВЫХ
UВХ
Рис. 1.2 |
Рис. 1.3 |
7
+E
ФЭ |
UВХ |
R*
IВХ.П
UВХ.П
R |
IВЫХ.П |
УЭ UВЫХ
Рис. 1.4 |
Рис. 1.5 |
Через сопротивление R* от источника питания Е создается цепь для протекания тока IВХ.П по входной цепи транзистора. От протекания этого тока во входной цепи создается падение напряжения UВХ.П. Для того, чтобы ток от источника питания Е не протекал по цепи источника входного сигна- ла, во входной цепи применяют фильтрующий элемент (ФЭ).
Этот элемент должен пропускать переменный сигнал UВХ и не про- пускать постоянный ток от источника Е. В качестве ФЭ используют кон- денсатор или трансформатор. В выходной цепи транзистора протекает ток IВЫХ.П, создается падение напряжения
UВЫХ.П = Е – IВЫХ.П ·R.
Рассмотрим реакцию каскада на синусоидальный входной сигнал. При UВХ > 0 во входной цепи транзистора протекает ток IВХ = IВХ.П + IВХ.≈, в
выходной цепи – IВЫХ = IВЫХ.П + IВЫХ.≈. Напряжение
UВЫХ = Е – IВЫХ · R = Е – (IВЫХ.П + IВЫХ.≈) · R = UВЫХ.П – IВЫХ.≈ ·R
уменьшается по сравнению с напряжением UВЫХ.П. При UВХ < 0 во входной
цепи протекает ток IВХ = IВХ.П – IВХ.≈, в выходной цепи IВЫХ = IВЫХ.П – IВЫХ.≈. Напряжение UВЫХ = UВЫХ.П + IВЫХ.≈ · R увеличивается по сравнению с на- пряжением UВЫХ.П.
Таким образом, на выходе формируется синусоидальное напряжение UВЫХ, смещенное на величину постоянной составляющей UВЫХ.П. Для полу- чения в нагрузке знакопеременного напряжения UН, сопротивление нагруз- ки RН подключается через ФЭ (конденсатор или трансформатор – рис. 1.6). При UВХ = 0 конденсатор СР заряжен до напряжения UВЫХ.П, напряжение UН = UВЫХ.П – UCp = 0. Конденсатор выбирается большой емкости чтобы за время действия той или иной полуволны UВХ не происходило заметного за-
ряда или разряда СР. Тогда UН = UВЫХ.П – UCp = UВЫХ – UВЫХ.П будет изме- няться по синусоидальному закону (рис. 1.7).
Таким образом, при реализации усилительного каскада необходимо выполнить условия:
8
1)создать резистивный делитель из постоянного сопротивления и УЭ;
2)обеспечить режим покоя УЭ;
3)обеспечить фильтрацию постоянных составляющих токов и на- пряжений во входной и выходной цепях каскада.
ФЭ |
UВХ |
в |
R* |
IВХ.П |
UВХ.П
+E |
|
|
R |
|
|
|
CР |
|
IВЫХ.П |
|
RН |
УЭ |
UВЫХ.П |
UН |
|
||
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.6 |
Рис. 1.7 |
||
Процесс усиления заключается в преобразовании энергии, потребляе- мой от источника питания Е (мощность Р0) в энергию переменного сигнала
в выходной цепи за счет изменения сопротивления выходной цепи УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. При этом мощность, управляющая УЭ (РВХ) значительно меньше, чем мощность полезного сигнала РН на вы- ходе усилителя.
1.2 Параметры усилительного каскада
Усилительный каскад с цепями источника сигнала и нагрузки можно представить схемой замещения по переменному току (рис. 1.8). В схеме не показаны ФЭ, так как их сопротивление переменному току можно считать равным нулю.
|
|
IВХ=IГ |
|
|
|
|
|
|
|
|
IН |
|||||||||
RГ |
|
|
|
|
|
|
|
RВХ |
|
|
RВЫХ |
|
RН |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
UВХ |
|
|
|
|
|
|
|
UВЫХ=UН |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
еГ |
|
|
|
|
|
|
|
UВЫХ.ХХ |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.8
9
Элементами схемы замещения являются:
еГ – э.д.с. генератора (действующее значение) – это напряжение на зажимах источника входного напряжения в режиме холостого хода (ХХ);
RГ – внутреннее сопротивление источника сигнала; RВХ – входное сопротивление каскада;
UВЫХ.ХХ – напряжение на выходных зажимах каскада при отключен- ной нагрузке (в режиме холостого хода);
RВЫХ – выходное сопротивление каскада.
Входное сопротивление RВХ – это сопротивление, оказываемое вход- ной цепью каскада протеканию тока IГ: RВХ = UВХ / IГ.
В зависимости от соотношения между RВХ и RГ различают следующие режимы работы источника входного сигнала:
1)Режим холостого хода (ХХ), когда RВХ >> RГ; UВХ ≤ еГ;
2)Режим короткого замыкания (КЗ), когда RВХ << RГ; UВХ << еГ;
3)Согласованный режим, при котором RВХ = RГ; UВХ = еГ / 2.
Смысл организации согласованного режима можно выяснить, рас- смотрев процесс передачи мощности сигнала во входную цепь усилителя.
Входной ток
IBX = |
|
eГ |
. |
|
||
(RBX |
+ RГ ) |
|
||||
|
|
|
||||
Мощность, выделяющаяся во входной цепи каскада |
||||||
2 |
|
|
eГ |
|
|
|
PBX = IBX × RBX = |
|
|
|
× RBX . |
||
(RBX + RГ ) |
||||||
|
|
|
||||
Максимальная мощность, которую может развить источник сигнала, наблюдается в режиме короткого замыкания (КЗ) и равна РГ.MAX = еГ2 / RГ.
Коэффициент передачи мощности во входную цепь
γ BX = |
PBX |
= |
RГ × RBX |
РГ.MAX |
(RГ + RBX )2 |
максимален при RГ = RВХ.
Таким образом, в согласованном режиме происходит наибольшая пе- редача мощности от источника сигнала во входную цепь усилителя.
|
|
|
UBX = eГ × |
RBX |
|
= eГ ×γ BX , |
|
|
|
|
R + R |
||||
|
RBX |
|
BX |
Г |
|
||
где γ BX = |
– коэффициент передачи входной цепи по напряжению. |
||||||
RBX |
+ RГ |
||||||
|
|
|
|
|
|||
Если RВХ → ∞, то γВХ → 1, UВХ → еГ. По этой причине обеспечивают большое входное сопротивление: RВХ = (100 – 1000) RГ.
10
|
|
|
UВЫХ =UВЫХ.ХХ × |
RН |
= UВЫХ.ХХ ×γ ВЫХ , |
||
|
|
|
R |
+ R |
|||
|
RН |
|
|
ВЫХ |
Н |
|
|
где γ ВЫХ = |
|
– коэффициент передачи выходной цепи по напряжению. |
|||||
RВЫХ |
|
|
|||||
|
+ RН |
|
|
|
|||
Усилитель как источник сигнала для цепи нагрузки обладает выход- ным сопротивлением RВЫХ – внутреннее сопротивление выходной цепи.
Выходная цепь усилительного каскада в зависимости от соотношения между RВЫХ и RН может работать в трех режимах:
1)режиме ХХ: RВЫХ << RН;
2)режиме КЗ: RВЫХ >> RН;
3)согласованном режиме: RВЫХ = RН;
Если RВЫХ → 0, то γВЫХ → 1, следовательно, UВЫХ → UВЫХ.ХХ. При проектировании обеспечивают малое выходное сопротивление.
Рассмотрим связь между коэффициентами усиления Показателями эффективности работы усилительного каскада являют-
ся коэффициенты усиления:
-по напряжению КU = UВЫХ / UВХ;
-сквозной коэффициент усиления по напряжению Ке = UВЫХ / еГ;
-по току КI = IВЫХ / IВХ;
-по мощности КР = РН / РВХ.
В зависимости от типа каскада КU, Ке и КI могут быть больше или меньше единицы, поэтому правильнее говорить не о коэффициенте усиле- ния, а о коэффициенте передачи. Принципиальным для усилителя является то, что КР > 1, этим он отличается от других устройств, изменяющих пара- метры электрического сигнала, например, трансформаторов.
K |
е |
= UВЫХ |
= γ |
ВХ |
×UВЫХ = γ |
ВХ |
× K |
U |
; |
|||||
|
|
e |
|
|
U |
ВХ |
|
|
||||||
|
|
|
|
Г |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
KP = |
|
PН |
= |
UВЫХ × IН |
= KU × KI . |
|
|||||||
|
|
РВХ |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
UВХ × IГ |
|
|
|
|
||||
Коэффициенты усиления измеряются в относительных единицах или логарифмических единицах –децибелах (дБ). Логарифмические единицы чаще применяются для КU и Ке. Впервые логарифмические единицы были введены для описания усилителей звуковой частоты. Если мощность звуко- вых колебаний возрастает от Р1 до Р2, то громкость звука возрастает на ве-
æ |
P2 |
ö |
|
æ |
P2 |
ö |
|
|
личину lgç |
÷ |
. Эта величина называется Белом, а 10 |
×lgç |
÷ |
– децибелом. |
|||
P1 |
||||||||
è |
P1 |
ø |
|
è |
ø |
|
Мощность пропорциональна квадрату напряжения, поэтому
æ |
P2 |
ö |
æ |
ö |
|
10 ×lgç |
÷ |
= 20 ×lgç U2 |
÷. |
||
P1 |
|||||
è |
ø |
è U1 |
ø |