Электроника и схемотехника, Ч. 1 / Усилительные устройства 1989

r: о. Остапенко

УСИЛИТЕЛЬНЬIЕ

УСТРОЙСТВА

Допущено Государственным. K(')м.и7'eTO~

СССР по народном.у обрflэован.ию в ка·

честве учебного пособия для студентов радиотехнических сnецuальност,.а вузов

® Моб/(88

((Радио И СI3RЭЪ))

1989

ББК 32.846 0-76

УДК 621.375(075)

Ре ц е н з е н т ы: Д-р техн. наук, проф. Г. В. Войшвнлло; кафедра j>ЛдиотехничесЮlХ систем РРТИ

Редакция литературы по электронной технике

Остапев.ко Г. С.

0·76 Усилнтельные устройства: Учеб: пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. - 400 с.: ил.

ISBN 5-256-00221-X.

ПРtlведены OCfЮвные параметры и характеристики усили­ тельных устройств, np4IНЦШIы их работы и методика расчета.

Рассмотрены одво- и двухтактные усилительные каскады и уси­

лители с обратными ееязями, а такж-е вопр-осы их устойчиво­ сти. Описаны усилители, реализуемые по интегральной техно­ логии. Изложены особенности устройств аналоговой обработки сигналов на основе операционных усилителей. Отражены ас­

пекты автоматизации проектирования.

Для студентов радиотехнических специальностей вузов.

	2302020400-123		1	ББК 32.846
	О 046(01)-89	87-89
	-у	учЕБны й	\
		фонn.
	\	6 u (j l'tI О Т •	11. К\
		Уче(jНО1! OOJ~ние

-ОСТАПЕНКО ГРИ;:;РИЙ СТЕПАНОВИЧ

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОйСТВА

Учебное пособие

Заведующий редакциеll Ю. Н	Р ы С е в.	Редактор	И. П. л е о 11 т Ь е в а.
Художественныll редактор Н. С.	Ш е и н.	Технический	редактор И. Л. т к а -
q е н к о. Корректор Т. В. Д э е м 11	Д О В И Ч

ИБ.м 1641

Сдано в		набор 24.01 89.			Подписано		в печать 2205.89.	Т·07810.	Формат
84Х108'/".		БУМ'Jга тип.			,N'g 2.	Гарнитура литературная.		Печать	высокая.
Уел.	печ.	л.	21,0.	Уел.	Кр.-отт. 21,0.		УЧ.·изд. л. 20,94.	Тираж 30000 экз.
Изд.	М 22024.		Зак.	,N'g 245.	Цена	1 р.

Издательство «Радио и свяэ». 101000 Москва, Почтамт. а/я 693

Владимирская типография Союзполиграфпрома при Государствеяном

комнтете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли

600000, г. Владимир. Октябрьский npOCnel\T, д. 7

ISBN 5-256-00221-Х @Издательство «Радио и связь», 1989

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние годы курс «Усилительные устройства» пре­

терпел значительные изменения. Прежде всего это свя­

зано со стремительным развитием микроэлеКТРОНИКИ.

Появление новых схемных решений как отделЬНЫХ уси­

:IИтельных каскадов, так и многокаскадных усилителей

в интегральном исполнении, микропроцессорнЫХ комп­

лектов, способных перестраивать характеристиКИ усили­

телей в соответствии с параметрами усиливаемЫХ сигна­

лов, привело J{ обновлению элементной базы и расши­

рению области применения усилительных устройств.

Вместить в рамки курса традиционные вопросы, свя­

занные с основами теории усилительных устройств, и по­

следние достижения науки и техники - непростая зада­

ча, требующая привлечения эффективных метОДОВ опи­

сания, анализа и расчета усилительных устройств,

KOToQbIe позволяют СQавнительно nQocTo, нагляДНО и ПQИ меньших затратах времени раскрыть сложную схемотех­

нику современных усилителей.

В учебном пособии используется метод графов для

описания как отдельных усилительных каскадов, так

и сложных перестраиваемых избирательных устройств аналоговой обработки сигналов. На основе ЛОJ:!ЯТИй. воз­

вратной разности и возвратного отношеция' излагается

теория усилителей с обратной связью. Рассматривается

схемотехника усилителей, получившая распространение

ваналоговых микросхемах и интегральных операцион­

ных усилителях, Анализируются оконечные каскады уси­ лителей мощности, активные элементы которых работа­

ют в ключевом режиме, Большое внимание уделяется

схемотехнике звеньев на основе интегральных операци­

онных усилителей для аналоговой обработки сигналов

и синтезу перестраиваемых избирательных устройств.

В книге не отражаются вопросы непосредственНОГО про­ ектирования усилителей, однако приводятся примеры

расчета и большой набор моделей различных активных

усилительных элементов как для неавтоматизированных

(ручных), так и для автоматизированных (ма.шинных)

методов расчета, а также уделяется внимание fаким на­ правлениям, как синтез и макромоделирование, которые широко применяются при автоматизации проеКl'ирования

современных усилительных устройств.

3

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

АХамплитудная характеристика

АЧ:Х - амплитудно-частотная характеристика

ВАХ -	вольт-амперная характеристика
ГСТ -	генератор стабильного тока
ДВG -	динамическое выходное сопротивление
ДК -	ГСТ
	дифференциальный каскад
ДХ -	динамическая характеристика
КСУ -	каскад сдвига уровня
опоптопара
ос -- обратная связь
аУ -- операционный усилитель
ПК -- промежуточный каскад
ПФ -- полосовой фильтр
пх -	переходная характеристика
РИП -	регулируемый источник питания
РФ -	режекторный фильтр
УЗЧ -	усилитель звуковой частоты
УПТ-	усилитель постоянного тока
УЭ -	усилительный элемент
ФВЧ -	фильтр верхних частот
ФНЧ -- фильтр нижних частот
ФЧХ -	фазочастотная характеристика
illИМ -	широтно-импульсный модулятор
ЭС -	элемент связи
В -	коэффициент передачи цепи ОС при
Во -	f=Ffo
	коэффициент передачи цепи ос на ча­

стоте {о (или а)

Сбэ, Сиб• Сиз. 'б.

ГН' Га. 'г. gб. gю gэ-- параметры эквивалентной схемы бипо­

лярного транзистора

СВХ' СВЫХ - входная и выходная емкости каскада

СВХ.СПвходная емкость для синфазного сиг­

нала

Сзп• Сзс• Сею

'и. 'с. 'СII' 11-- параметры эквивалентной схемы поле·

вого транзистора

Си. СВ. СН -- емкости блокировочных конденсаторов

вистоковой, эмиттерной и катодной це­

пях

См. СП -- емкости монтажа и нагрузки

Ср - емкость разделительного конденсатора

CfH:, С[\е. Сае,

О" Rt • j..t - параметры эквивалентной схемы лам­

пового триода

Сф - емкость конденсатора фильтра

D - динамический диапазон усилителя

Dc - динамический диапазон сигнала

Ег• Егm• ег - действующее, амплитудное и мгновен­

ное значения ЭДС генератора

Ен.д - допустимое ~апряжение на коллектор­

ном переходе

Еп - эдс источника питания

Есм - эдс смещения

ЕШR - фJlуктуационная эдс

еп - мгновенное полное значение помехи

		F -	глубина ОС (возвратная разность)
		FRШ -	спектральная плотность шума
		fn -	верхняя граничная частота
		[н -	нижняя граничная частота
		tc -	частота сопряжения (граничная)
	fp • Iz -		частоты полюса и нуля
		fo- средняя частота полосы				пропускания
		11 -	(у УПТ fo=O)
			частота единичного усиления ОУ
		Н(р) -	передаточная функция фильтра
hНб•	hf2б•	h~fбl
		h22б -	параметры	транзистора	в схеме с об­
hнэ•	hf2з•	h218 •	щей базой при f-+O
		/t2zэ -	параметры	транзистора	в	схеме с об­
15. I!(. lэ. Ic -			щим эмиттером при f-+O
			токи покоя	биполярного		и полевого
IБт• Iкт, lэm. Icm-			транзистора
			амплитудные значения токов
i 5 • i K •		iэ. ic -	мгновенные значения переменных со­
			ставляющих тока
		11(50 -	обратный ток коллектора
		11 '/2-	входной И выходной токи
К (f)=U2lUt • к -			коэффициент усиления		напряжения и

его значение при f=fo

Кд- коэффициент усиления дифференциаль­

ного сигнала

KE(f)=U2IEr• КЕсквозной коэффициент усиления и его

значение при f=fo

5

Ко ем - коэффициент ослабления синфазного

сигнала

Кпом, КСII - коэффициент передачи помехи и син­

фазного сигнала

Кр - коэффициент усиления усилителя с ОС

К! (f)=/2111'	К! -	коэффициент усиления тока и его зна­
	kr -	чение при f=fo
		коэффициент гармоник
	kд -	коэффициент демпфирования
kдеп -		коэффициент деления
	kнл -	коэффициент	неJJИнеиности	сигнала
	L -	вес контура графа
	Lф -	индуктивность фильтра
	nт -	коэффициент трансформации
рБХ' РБЫХ -		входная и выходная мощности УЭ
	Р -	вес пути графа
РI\МЗНС, Рсманс -		максимально	допустимые	рассеивае­
		мые мощности УЭ
	Рп -	мощность нагрузки
Rп,маис -		максимальная мощность нагрузки
Pt ,	РП -	мощность потерь
	Р2 -	входная и выходная мощности усили­
		теля
	Q- добротность системы
	Qs -	площадь усиления
Rб,	Rз -	общие сопротивления смещения в l1е­
		пях базы и затвора
Явх• RБыx -		входное и выходное сопротивления кас-
I		када усилителя без ОС

RBXF, Явыхр - входное и выходное сопротивления ка­ скада усилителя с ОС

RВ1{.сп - входное сопротивление для синфазного

сигнала

яг, Ян - сопротивления генератора и нагрузки

Rи, Rэ - сопротивления ПОСТОЮlНому току В це­

пях истока и эмиттера

Ян, Rc - сопротивление в цепях коллектора

и стока

RYT - сопротивление утечки

Rви - эквивалентное СОПРОТJlВление

'иас - сопротивление транзистора в режиме

насыщения

'1, '2 - сопротивления первичной и вторичной

обмоток трансформатора

6

T(f), Т - возвратное отношение и его значение

при 1=fo (или f-+O) ts - время запаздывания

'ад - групповое время задержки tи - длительность импульса

(нар - время нарастания tсп - время спада

tYCT - время установления выходного напря­

жения

U БЭ. UК,Э, UЗЭ,

	Uси -	постоянные	напряжения	на входных
		и выходных выводах биполярного и по­
		левого транзисторов
uБЭm•	UI(Эm,
UЗИm•	UСИm -	амплитудные значения наПРЯ}\{ений
UБЭ. Uк,э. Uзи. Uси -		мгновенные значения напряжений
	UПР -	напряжение пробоя стаБИЛИТРона
	Vмане -	максимальная скорость		нарастания
У. Е. Н. К-		выходного напряжения аУ
		параметры	усилительного	че'гырехпо­
У*, Z*. Н*. К* -		люсника
		параметры четырехполюсника ОС
уох (ZlJx).
}~"X (ZBblX) -		комплексные входные и ВЫХОДные про­

-водимости (сопротивления) системы

без ОС А - неравномерность вершины прЯмоуголь­

ного импульса В области БОЛЫllИХ вре­

мен

!1! - полоса усиливаемых частот

!1Т - приращение температуры

б- выброс на вершине ПРЯМОУГОЛЬного им­

пульса в области малых времен

Тв. тмпостоянные времени для веьхних и

нижних частот

TN - постоянная времени при НОР~альном

включении транзистора

в, 8, - коэффициент использования Уа по на.

пряжению и по току

7

Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОБ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОйСТВАХ, ИХ ПАРАМЕТРЫ

ИХАРАКТЕРИСТИКИ

1.1.ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

уcuлuтельным устройством (усилителем) называется ус­

тройство, в нагрузку которого поступает усиленный по

мощности входной сигнал. Эффект усиления сигнала по

мощности наблюдается только в том случае,' когда име­

ется источник энергии, за счет которого можно увели­

Чить мощность сигнала на выходе.

В зависимости от вида энергии, отбираемой от источ­

ника питания, усилители делятся на электрические, пне­

вматические, механические и др. Электронные усилители

представляют собой разновидность электрических, уп­

равление электрической энергией источника питания

в которых происходит с помощью усилительных элемен­

тов (УЭ) например биполярных и полевых транзисторов, электронных ламп, транзисторных оптопар и т. п. В ре­

зультате мощность Ро, потребляемая усилителем от ис­

точника питания, преобразуется УЭ в мощность Р2, вы­ деляемую в нагрузке (рис. 1.1). Преобразование мощ­ ности Ро (в большинстве случаев постоянного тока)

в мощность нагрузки Р2 переменного тока происходит

с помощью входной мощности Р\, получаемой усилите­ лем от источника сигнала. (Здесь и в дальнейшем вход­

ным параметрам присваивается индекс 1, а выход­

ным - 2.)

При усилении, как и при любом преобразовании сигна­

ла, имеет место его искажение. В усилителях любые ис­

кажения усиливаемого сигнала не должны превышать

допустимых. Таким образом, основным свойством элек­

тронного усилителя является его способность увеличи­

вать мощность входного сигнала (Р\ <f2). Если же мощ-

11

ность входного сигнала

превышает		МОЩНОСТЬ
выходного, хотя выход­
ное напряжение и боль­
ше входного,		например
повышающий		транс­
форматор, такое уст-			Рис. J. J. Структуриая схема элект­
ройство	не	может
			ронного усилителя
считаться		усилите-

лем.

В пассивных и активных элементах усилителя проис­

ходят потери энергии, в результате всегда выполняется

неравенство Р2<Ро и мощность потерь
РП = Ро'- Р?.	(1.1)

Из (1.1) следует, что при меньших потерях энергии в уси­ ,'1ителе (или большем КПД) упрощается отвод тепла от

УЭ, что весьма существенно в интегральных усилителях. Проблема повышения энергетических показателей элек­

тронных усилителей в связи с реализацией их элементов

по интегральной технологии в настоящее время выдви­ гается на первый план. Это связано как с непрерывным

ростом выходных мощностей усилителей, так и с повы­

шением степени интеграции каскадов предварительного

усиления.

Среди множества современных электронных уст­

ройств усилители электрических сигналов получили са­

мое широкое распространение. Они применяются в уст­

ройствах радиосвязи, радиовещания, телевидения, изме­ рительной техники, автоматики, вычислительной техники,

устройствах бытовой техники и т. п. Поэтому трудно пе­

реоценить значение усилителей для современной науки

и техники. В связ!! с таким огромным диапазоном при­ менения электронных усилителей источники усиливаемых сигналов fI нагрузки ~OГYT быть самыми разнообразны­ ми. В качестве источников сигнала используются микро­ фоны, термопары, фотоэлементы и другие устройства,

атакже усилители, уровни выходных сигналов которых

недостаточны для нормального функционирования на­

грузки. Перечисленные источники усиливаемого сигнала

имеют разные свойства и параметры, поэтому при ана­

лизе они представляются источниками ЭДС или тока '(рис. 1.2). Нагрузками усилителей могут служить дина-

9

Г""l....'-т-t-r-_-_-.,---...-__...,i-т.....г,,:..l...

J,. . ----

____ '" Jj

_______ ...!

а)

Рис. 1.2. Эквивалентные схемы усилителей:

а _ источннк напряжения, упраВJlяе",ый напряжением; б - источиик тока,

упраВJIяеыый напряженнем; в - источиик тока, упраВJlяемый током; г - нсточ'

J[III: Rа~яжеRНII, упраВJIяемый током

мики, электроино-лучевые трубки. каналы связи, а также

другие усилители.

Поскольку перечисленные нагрузки усилителей силь­

но отличаются друг от друга по параметрам, то один и

тот же усилитель при различных нагрузках может быть зависимым источником ЭДС или зависимым источником тока. Отметим, что наряду с зависимыми источниками

ЭДС и тока имеются и независимые источники питания. При анализе необходимо учитывать соотношение м~жду

сопротивлением нагрузки и выходным сопротивлением

усилителя. Если сопротивление нагрузки на два порядка и более превышает выходное сопротивление усилителя, то последний является источником напряжения (см. рис.

1.2,а.г). В противиом случае имеем источник тока (см.

1.2, б, в).

Когда входное сопротивление усилителя значительно

превышает (не менее чем на два порядка) сопротивле­

ние источника сигнала, например источник сигнала - дИ­

намический микрофон. считается, что усилитель управ­

ляется напряжением (см. рис. 1.2, а, б). Если входное

сопротивление усилителя значительно меньше, чем источ­

ника сигнала, например источник сигнала - вакуумный

фотоэлемент. то усилитель управляется током (см.

рис. 1.2. в,г).

Неотъемлемой частью любого усилителя является ис­

точник питания, который в большинстве случаев пред-

10