Схемотехника аналоговых электронных устройств
В учебном пособии рассмотрены теоретические основы и принципы действия аналоговых устройств на биполярных и полевых транзисторах. Анализируются основные схемы, используемые в аналоговых трактах типовой радиоэлектронной аппаратуры, приводятся расчетные формулы, позволяющие определить элементы принципиальных схем этих устройств по требуемому виду частотных, фазовых и переходных характеристик. Излагаются основы построения различных функциональных устройств на основе операционных усилителей. Рассмотрены так же ряд специальных вопросов с которыми приходится сталкиваться разработчикам аналоговых электронных устройств – оценка нелинейных искажений, анализ устойчивости, чувствительности и др.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 552500, 654200 – «Радиотехника», 654100 – «Электроника и микроэлектроника», и может быть полезно для преподавателей и научных работников.
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» («Схемотехника АЭУ») необходимо в плане создания аналоговых устройств и их применения при разработке аналоговых трактов различных радиоэлектронных средств.
Данное учебное пособие не дает полного изложения материала в части получения строгих расчетных соотношений, указывая лишь методику их получения. В определенной степени оно схоже с учебными пособиями [1,2]. Но, в отличие от последних, данное пособие содержит не только тот минимум материала, который необходим студенту для понимания физических основ функционирования АЭУ, а еще и расчетные соотношения, позволяющие проектировать АЭУ. При необходимости более глубокого рассмотрения отдельных теоретических вопросов рекомендуется воспользоваться литературой, на которую есть ссылки в соответствующих разделах пособия. Естественным образом предполагается, что студент, приступивший к изучению курса "Схемотехника аналоговых электронных устройств", в достаточной мере владеет необходимыми математическими навыками, знаком с основными понятиями в области теории электрических цепей и полупроводниковых приборов.
2. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ТРАНЗИСТОРАХ
2.1. Классификация усилительных устройств
Одна из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, — усиление. Поэтому в курсе АЭУ особое внимание уделяется усилительным устройствам (УУ).
УУ называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В УУ входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.
В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы, такие УУ принято называть полупроводниковыми, или транзисторными.
УУ принято классифицировать по ряду признаков:
▶ по характеру усиливаемых сигналов — УУ непрерывных (гармонических) и УУ импульсных сигналов;
▶ по диапазону рабочих частот — УУ постоянного тока (fн=0 Гц) и УУ переменного тока. В свою очередь, УУ переменного тока в учебной литературе (и в данном пособии) подразделяются на:
◆ усилители звуковых частот (от 20 до 20000 Гц) или низкочастотные усилители;
◆ усилители высоких частот (ВЧ) (fв до 300 МГц);
◆ усилители сверхвысоких частот (СВЧ) (fв›300 МГц).
В специальной литературе принято классифицировать УУ переменного тока по диапазону рабочих частот согласно таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Границы частотных диапазонов
| Диапазон | Аббревиатура | Границы диапазона | Единицы измерения |
|---|---|---|---|
| Очень низкие частоты | ОНЧ | 3–30000 | Гц |
| Низкие частоты | НЧ | 30–300 | КГц |
| Средние частоты | СЧ | 300–3000 | КГц |
| Высокие частоты | ВЧ | 3–30 | МГц |
| Очень высокие частоты | ОВЧ | 30–300 | МГц |
| Ультравысокие частоты | УВЧ | 300–3000 | МГц |
| Сверхвысокие частоты | СВЧ | 3–30 | ГГц |
| Крайне высокие частоты | КВЧ | 30–300 | ГГц |
| Гипервысокие частоты | ГВЧ | 300–3000 | ГГц |
Кроме того, УУ ВЧ и СВЧ диапазонов подразделяются на:
• узкополосные (fв/fн<2, (fв–fн)≪f0);
где f0 — средняя частота рабочего диапазона УУ;
• широкополосные (fв/fн>2).
▶ импульсные усилители классифицируются по длительности усиливаемых импульсов на микро-, нано- и пикосекундные;
▶ по типу активных элементов УУ подразделяются на ламповые, транзисторные, квантовые и др.;
▶ по функциональному назначению УУ подразделяются на усилители напряжения, тока и мощности;
▶ по назначению УУ подразделяются на измерительные, телевизионные и т.д.
Кроме рассмотренных основных признаков УУ могут классифицироваться по ряду дополнительных признаков — числу каскадов, типу питания, конструктивному исполнению и т.д.
2.2. Основные технические показатели и характеристики УУ
Рисунок 2.1. Структурная схема усилителя
Технические показатели УУ представляют собой количественную оценку его свойств. К техническим показателям относятся (рис. 2.1):
◆ входное сопротивление Zвх. Чаще всего Zвх носит емкостной характер;
◆ выходное сопротивление Zвых. Чаще всего Zвых носит так же емкостной характер;
◆ коэффициенты передачи:
• по напряжению
где φ — фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.
Значение |K| на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как K0, называют коэффициентом усиления.
В логарифмических единицах:
K0,dB = 20lgK0.