Электроника и схемотехника, Ч. 1 / Усилительные устройства 1989

Рис. 8.21. ПОJJОСОВОЙ фИJJЬТР С многопеТJJевой о.братноЙ связьЮ Аа)

и его граф (6)

Передаточной функции фильтра соответствуют с-!!едую­

щие коэффициенты:

й! = - _1_. Ь =				R1 R2
С2	R1 '	О	Rз (R1	+R2 ) С1 С!
Ь1 =_1 (_1		+_,).
Rз	С1	С2

При заданных параметрах а\, ы и ЬО сопротивления ре­

зисторов определяются из соотношении

R1	=_~l_. R2 =	Ь1
	а1 С2 '	С1 (ЬО -Ь1 ао) + ЬОС1

Rз = _1_(_1_ + _1_),

ЬО С1 С2

где С\ и С2 - емкости конденсаторов, которые задаются

произвольно.

Для получения требуемой добротности Q изменяют

сопротивление R2. Одновременное изменение сопротивле­

ний R2 и Rз не влияет на добротность Q, но позволяет

установить центральную частоту.

Другая схема ПФ изображена на рис. 8.22, а. На ос-

и,

Рис. 8.22. ПОJJОСОВОЙ фильтр на источнике напряжения, упраВJJяемом

напряжением (а), и его граф (6)

391

иове этой схемы строится граф, изображенный на рис.

8.22,6.

С помощью графа записывается передаточная функ­

ция фильтра при СI=С2

Н(р) =

		рС. У1 К	(8.43)
-	Р	2 2	'
		CJ+pCJ (Yt+Y2+2Y,i-КУ2)+Уз(Уt+УJ

где K=1+R5/R•.

ИЗ (8.43) получаем коэффициенты передаточной функции

ао =	С1 У1 К = _К_; ЬО = _1_ (_1_ + _1_).
	~	C1 R1	RзС; R1		Ra '
Ь1 =	У1 +Ya +2Ya -КУ, = _1_[_1_ +_1_ (1- К)+2.].
		C1	С1 R1	Rs	Ra

Сопротивления резисторов ПФ определяются по форму­

лам

R1 =_K_;
аО С1
R2 =	2(К+l)
[ао(2/К - 1) -	Ь1 +V (ао- Ь1)2 + 8Ьо (К- 1) ] с1

Rз = _1_ (_1_ + _1_); R4 = R5 = 2Rз•

boC~ R1 Ra

Сопротивления резисторов R4 и Rs выбираются таким

образом, чтобы минимизировать напряжение смещения

ОУ по постоянному току. Можно использовать резисто­

ры R4. Rs и с другими сопротивлениями при условии, что их отношение равно 1. Неинвертирующий коэффи­ циент усиления этого фильтра можно подстраивать, из­ меняя сопротивление резистора Rl. Центральная частота

устанавливается с учетом	СОПРОТИВJlения резистора	Rз.
а добротность фильтра -	подбором сопротивлений	ре­

зисторов R2 и Rз.

Фильтр обеспечивает неинвертирующий коэффици­ ент усиления и может реализовывать при небольших коэффициентах усиление добротности около десяти.

392

8.3.5. РЕЖЕI<ТОРНЫЕ ФИЛЬТРЫ

Режекторный фИJIЬТР представляет собой устройст­

во, которое подавляет сигналы в заданной полосе час­

тот и пропускает С!iгналы со всеми другими частота­

ми. Полоса подавлеl:lИЯ характеризуется шириной Аф

и центральной частотой фо. На рис. 8.23 изображены

АЧХ различных РФ. Частоты Юil и ЮВ представляют со­

бой нижнюю и верхнюю частоты среза, определяющие

полосу подавления f.t)1I~(jj~(jjB и ее ширину ДФ=ФВ­

-ООн. У фильтра ДВе полосы пропускания О~Ф~Фн

и OO~OOB' Полоса ПОдавления сигнала определяется как

диапазон частот Фl~Ф~Ф2, тогда диапазоны частот

Фн~ОО:::::;;Фl и (jj2~CO:S:;;;(jjB называются соответственно

нижней и верхней переходнымн областями, в которых

АЧХ монотонна. СОQтношение Q= Фо/1J..(jj характеризует

добротность этого фцльтра и оцределяет его избиратель­

ность. Высокой добротности соответствует относительно

узкая, а низкой - относительно широкая полоса частот.

J н(w)\

1,0

Н,

~----~~~~~--~
о
JH{w))
1,0	1,0 --..._~-"
0,7	0,7

~ ~__~~~~~_~ Н, L -____~~~~~____~

О	(11.61/	610 612 tvt	си (\09)	О
		о)
Рис.	8.23. АМПJlитудно-частотные характернстики				режекторных
			фильтров:
а - фильтр Баттерворта; б -			фильтр	Чебышева; 8 - инверсный	фильтр Чебы­
	шева; г -	эллиптичеС\tнR фильтр (1- идеальная характе/ четика)

393

Ir/2

2У

Рис. 8.24. Режекторныll фильтр на нсточнике напряжения, управляе­ мом напряжением (а). и его граф (6)

Коэффициент усиления фильтра представляет собой значение его АЧХ при постоянном токе.

Передаточная функция РФ 2-го порядка имеет сле­

дующий вид:

	Н( ) _	р2+ао	(8.44)
	р -	р.2+Ь1 Р +ьО .

Режекторные фильтры, как правило, имеют четный по·

рядок. Фильтр Баттерворта имеет АЧХ, изменяющуюся монотонно по любую сторону от его частоты подавле­

ния или центральной частоты. АЧХ фильтра Чебышева

свойствен волнообразный характер в полосе пропуска·

ния, а АЧХ инверсного фильтра Чебышева - в полосе задерживания. ДЛЯ АЧХ эллиптического фильтра ха­ рактерен волнообразный характер как в полосе про­

пускания, так и в полосе задерживания.

Схема РФ изображена на рис. 8.24, а. Для нахожде­ ния передаточной функции этого фильтра строится граф, который показан на рис. 8.24, б.

По графу определяется передаточная функция фильтра

К (р2 С2 +У2)
Н(р) = р2C~+2рСУ(2 _	К)+ У2	(8.45).

На основе анализа передаточной функции находятся ее

коэффициенты

ao =КlR2C2; Ьо = 1/R2(;2; b1 =2(2-K)/CR. (8.46)

Отсюда получаем

R = l/C VБ;;; с = 2 (2- K)/Rb j •

Определенным преимуществом схемы фИ,'1ьтра является

минимальное число элементов и неинвертирующий коэф­ фициент усиления, недостатком - ограниченный коэф­

фициент усиления, равный единице.

394

СПИСОI( ЛИТЕРАТУРЫ

1.ВоАШВИJlJlО Г. В. Усилительиые устройства: Учеб. для вузов.-

2-е изд.-М.: Радио и СВЯЗЬ, 1983.-264 с.

2.Цыкин Г. С. Усилительные устройства: Учеб. для вузов. - 4·е

изд. м.: Связь, 1971. - 368 с.

3.Мамонкин И. Г. Усилительные устройства: Учеб. пособие для

вузов. - 2-е нзд. - М.; Связь, 1977. - 360 с.

4. Проектиров.ание усилительных устройств: Учеб. пособие для ву­ зов/В. В. Ефимов, В. Н. Павлов, Ю. П. Соколов и др.; Под ред.

5.	Н. В. Терпугова. - М.; Высшая школа, 1982. -190 с.
	Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для
6.	вузов. -	м.: Сов. радио, 1980. - 424 с.
	Алексенко А. Г., Шагурин И. И. Микросхемотехника: Учеб. по­
	собие для вузов/Под ред. И. П. Степаненко. - М.: Радио и связь,
7.	1982. -	416 с.
	Остапеико Г.		С. Аналоговые полупроводниковые иитегральные
	микросхемы. -		М.: Радио и связь, 1981. - 280 с.

8.Алексеев А. Г., Войшвилло Г. В., Трискало И. А. Усилительные

устройства. Сборник задач н упражнений: Учеб. пособие для ву­ зовlПод ред. Г. В. ВоАшвилло. - М.: Радио и свнз", 1986.-

160 с.

9.Остапенко А. Г. Анализ н синтез линейных радиоэлектронных цепей с помощью графов: Аналоговые и цифровые фильтры.­ М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.

10.М9S0И С., Циммерман Г. ЭлеК'fронные цепи, сигналы и системы:

Пер. с англ./ПоД ред. П. А. Ионкина. - М.: ИЛ, 1963. - 620 с.

11. СИГОРС:К1IА В. П. Математнческий аппарат инженера. -Киев: Тех.

ника, 1975. - 768 с.

12.Артым А. д. Усилители класса Д и ключевые геиераторы в ра­

диосвязи и радиовещании. - М: Связь, 1980. - 209 с.

13.Гап,nичук JI. С. Структуриый синтез транзисториых усилителей

собратной связью. - М.: Связь, 1972. -128 с.

14.Горовиц А. М. Синтез систем с обратной связью: Пер. сангл. /Под ред. М. В. Меерова. - М.: Сов. радио, 1970. - 600 с.

15.Га.nьперии М. В., Злобин Ю. П., Павленко В. А. Усилители по­

стояниого тока. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1978. - 248 с.

16. Проектирование приемно-усилительных устройств с ПРJlменени,

	~'M ЭВМ/Л.	И. Бурин,		Л.	Я.	Мельников, В.	3.	Топуриа,
	Б. Н. Щелковников. -		М.: Радио и связь, 1981. -176 с.
17.	МаКРОМОДeJJирование		аналоговых			интегральных		микросхем
	jA. Г. Алексенко, Б. И. 3уев, В. Ф. Ламекнн, И. А. Романов.­
18.	М.: Радио и связь, 1983. -			248 с.
	Операцнонные усилители			с	непосредственной сВязью			каскадов
	/В. И. Анисимов, М. В. Капитонов, Н. Н. Прокопенко, Ю. М. Со­
	КОлов. - М.:	Энергии,	Ленингр. отд-ние, 1979. -				150	с.

19.	I'OCT 18421-73. Усилители операцнонные. Термины и опредеJlе­
	!!ИЯ.
20.	ПОJlОННИКОВ д, Е. Операционные усилители: ПРИЙДIlПЫ построе­
	ния, теория,	схемотехника. - М.: Энергоатомнздат,	1983.-
	216 с,
21.	Кибакии В. М. Основы ключевых методов усиления. -		м.: Энер­
	гия, 1980. -	232 с.

895

22.гост 11515-75. Каналы и тракты звукового вещання. Классы.

Основные параметры качества.

23.Хью~сман П. П.. Аnnен Ф. Е. Введение в теорию и расчет актив­ ных фнльтров: Пер. с англ./Под ред. А. Е. 3наменского. - М.: Радно и связь; 1984. - 384 с.

24.Атабеков Г. И. Теоретическне основы электротехники. Ч. 1. Лн­

нейные электрические цепи. - М.: Энергия, 1978. - 592 с.

25.Носов Ю. Р., Сидоров А. С. Оптроны И их применение. - М.:

Радио и связь, 1981. - 280 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

•

•

•

•

•

•

3

Основные сокращения и обозначения

"

Глава 1. Общие сведения об усилительных устройствах, их па-

8

раметры н

характеристики

\

1.1.

Основные

определения

•

•

•

• . .

8

,

\.2.

Классификация элеlj:ТРОННЫХ усилителеil . .

11

, 1.3. Структурные cxeм.S усилителей и их каскады

16

1.4.

Основные характеристики усилителя

18

I 1.4.1. Амплитудная.характеристика

•

18

,

1.4.2.

Амплитудио-частотная

характеристика . . . . .

20

,

1.4.3.

Фазочастотиая

характеристика

25

~

1.4.4.

Переходная характеристика

•

28

\

1.4.5. Динамические

характеристики

30

1.5.

Осиовные

параметры

усилителя

•

31

1.5.1. Общие сведения .

•

•

31

• J.5.2. Коэффициент усиления'

32

•

1.5.3.

Полоса

пропускания

34

• 1.5.4.

Дииамический

диапазон

. .

34

• J.5.5.

Линейные

искажения

• .

.

•

• •

•

•

35

• 1.5.6.

Нелннейные

искажения

41

• 1.5.7.

Входные и

выходные параметры

44

• 1.5.8.

Внутренние помехи

•

•

.

•

46

Глава 2. Обратные связи в УСИJlительных устройствах

49

2.1.

Основные

определения

.

•

.

•

49

2.1.1. ЧетырехполlOCНИК обратной связи

49

2.1.2.

Возвратное

отношеиие

50

3.1.3.

Возвратная

разность .

51

2.2.

Классификация обратных связей

52

2.3.

Виды обратных

связей

• .

54

2.3.1. Общие сведения

• . .

•

.

.

•

•

54

2.3.2. Последовательно-последоватеnЫlая

обратная

связь

55

2.3.3.

Паралnельно-паралnельная

обратиая

связь

56

2.3.4.

Посnедовательно-параЛЛeJJьная обратная связь.

57

2.3.5.

Параллельно-последоваТeJJьная обратная связь

•

57

396

2.4. Влияние последовательной по входу и выходу обратной

связи

на параметры

усилителя

. . .

.

.

• .

58

2.5. УСlIлители с последовательной по входу и выходу обратной

62

связью

•

•

•

. • . . . ..

.

2.5.1. Усилительный каскад на биполярном

транзисторе

62

2.6.

2.5.2.

Усилительный каскад на полевом транзисторе .

64

Влияние последовательной

по

входу

и

параллельной

по

67

выходу обратной

связи

на

параметры

усилителя

2.6.1.

Общие сведения

67

26 2. Метод

четыреХПОJ1юсника

. .

68

2.7.

2.6.3.

Метод эквивалентных схем

71

Усилители с

последовательной по входу и параллельной

73

по выходу обратной связью.

• ...

2.8. Влияние параллельной по входу и выходу обратной связи

75

2.9.

на параметры

усилителя

.

.

.

•

•

•

. .

•

Усилители

с параллельной

по

входу

и

выходу

обратной

79

связью

.

. . . .

. . . . •

2.9.1. Усилительный каскад на биполярном

транзисторе

79

2.10.

29.2. Усилительный каскад на операционном усилителе

81

Влияние параллельной

по

входу

и

последовательной

по

83

выходу обратной связи на параметры

усилителя . .

2.11. Усилител ьс параллельной по входу и последовательной

по выходу обратной

связью . . . . . . . .

86

2.12. Влнянне обратных связей на стабильность кОЭффициента

усиления

• . .

88

2.121. Общие сведения

. . . . . . .

83

2.122. Влияние общей и местной обратной связей

90

213.

2.12.3. Влияние

многоканальной

обратной связн . .

91

Влияние

обратной

связи

на внутренние помехи

усили-

92

теля

.

.

.

•

.

.

. • • • . . .

2.14. Влияние

обратной

связи

на

нелинейные

искажения

94

2 15.

Влияние обратной связи на характеристИIШ усилителя .

97

2 16.

Устойчивость

усилителей,

охваченных

обратной

связью

100

2 17.

Критерии

устойчивости

102

Глава 3. Режимы работы и цепи питання усилительных

108

элементов

3.1.

Режимы

работы

усилительных

элементов

108

3.1 1.

Общие

сведения

108

3.1.2. Режим А

109

3.1 3.

Режим

В

111

3.1.4.

Режим

АВ

113

3.1 5.

Режим

С

113

3.1.6.

Режим

D

114

3:+.'1. ~ежпм Е . . . . . . . .

114

3.2. Цепи питания и стабилнзации

биполярных

транзисторов

116

3.2.1. Схема цепи питания и стабилизации с двумя источ­

никами

. . . .

116

3.2.2.

Схема

питания

с

одним

источником

и

фиксацией

118

тока

базы

. . . .

3.2.3. Схема

питания

с

одним

источником

и

фиксацией

120

напряжения

база -

эмиттер

.

••

..

3.2.4.

Схема

цепи

питания с эмиттерной

стабилизацией

122

32.5. Схема цепи питания с коллекторной стабилизацией

126

3.3.

Цепи

питания

и стабилизации полевых транзистарав .

•

128

397

3.3.1. Общие сведеиия

•

•

•

•

•

• •

128

3.3.2. Схемы обеспечения точки покоя траизисторОВ с уп-

129

равляемым переходом

•

•

•

.

. . . • •

З.4.

3.3.3.

Схемы обеспечеиия точки покоя МДП-траtlЗисторов

131

Генераторы

стабильного

тока

132

Глава 4.

Каскады

предварительного

усиления

140

4.1. Особенности каскадов предварительного усиленIIЯ

140

4.2.

Модели каскадов

предварительного

усиления.

143

4.3.

Модели

биполярного

транзистора

•

• .

145

4.3.1.

Общие

сведения

•

•

•

• . .

145

4.3.2.

Модели Z-параметров биполярного

транзистора

145

4.3.3.

Графы

биполярного

транзистора

•

• ••

148

4.3.4.

Модели Н-па~метров биполярного транзистора

150

4.3.5. Модели У-параметров

биполярного транзilстора

153

4.4. Модели

полевых

транзисторов

156

4.5.

Модели

электронных

ламп

. . . . .

159

4.6.

Резисторные каскады с общим катодом и с общи" истоком

161

4.6.1. Общие

сведения

•

•

•

• .

16\

4.6.2.

Резисторный каскад с общим катодом

. • •

162

4.6.3. Резисторный каскад с общим

истоком

165

4.6.4.

Анализ каскада с общим истоком методо'" графов

168

4.7. Резисторные каскады с общим стоком и с общи'" анодом

170

4.7.1.

Общие

сведения

. . .

.

•

170

&.~~. ~~'i>~'1t>j)'ili'a>~ 'Y..'2>.t.'k'2>.)\ \'. ~t>'i\).'i>1h t."l~'k~1h

1,:7;t.

4.7.3. Резисторный каскад с оБЩ(fМ

аиодом

175

4.8. РезисториыА каскад с общим &миттером

. '

176

4.9.

Резисториый каскад с общим коллектором

181

4.10. Резисторный каскад с общей базой

.

.

. '

187

4.11.

Уснлительные каскады на составных транзисторах

191

4.11.1.

Составные

транзисторы

и

их параметl'Ы

191

4.11.2.Резисторный каскад на составном транэtlсторе 196

4.12.Усилительные каскады с динамическими нагрузками • 200

4.12.1.Общие сведения . . . . . . . . . . 200 Схемы каскадов с динамическими нагрузками . 201

4.12.3. Интегральный усилитель с динамической nагрузкой								205
4.13. Резисторные каскады на нескоЛЬКИХ транзисторах.								210
4.13.1.	Общие сведения		.	•	•	• •	• . •	210
4.13.2.	Каскодные	усилители		•	.	• .	•	211
4.13.3.	Каскады с	9миттерноА		и	истоковоА		связями •	214

4.14.Усилительные каскады на операционных усилjlТелих • 217

4.14.1. Инвертирующий усилитель на операционноМ усили-

lJ'еле

•

•

•

• . .

•

• .

• . .

. •

•

217

4.14.2. Неинвертирующий усилитель на операциоННОМ уси-

220

пителе

•

•

•

. . . • .

.

.

•

• .

.

• •

• .

. •

4.15. Резисториые каскады с разделительными кондеJlсаторами

222

4.16. Каскады

предварительного

усиления

с

коррекцией

•

231

Глава 5. Оконечные каскады

233

б.l. Виды оконечиых каскадов и их особенности

233

.5.2. Оценка

иелинейных

искажений

в

окоцечных

каскадах

236

5.3. Однотактные

оконечные

каскады

•

• .

239

5.4. Двухтактные

оконечные

каскады

245

5.5. Бестрансформаторные

двухтактные

оконечные

каскады

252

5.5.1. Общие

сведения

•

•

•

252

398

5.5.2. Двухтактные оконечные каскады с двумя ИС'l'О IНИ-

ками

питания .

.

•

•

• . .

254

5.5.3. Двухтактные оконечные каскады с одним ИС1'очни-

260

ком питания

.

• . . . . . . . . .

5.6.

Трансформаторные

двухтактные

оконечные

каска4Ы

264

5.7. Оконечные каскады I{ласса

D

269

5.7.1.

Общие

сведения

.

. .

269

5.7.2.

Структурные

схемы усилителей

класса

D

271

5.7.3.

Структурные схемы широтно-импульсных

модуля-

272

rropoB

_

•

• . . .

•

•

5.7.4.

Усилители импульсных сигналов

276

5.7.5.

Ключевой

уснлитель

мощности

277

5.7.6.

Фильтр нижних

частот.

.

279

5.7.7. Однотактные

усилители

класса

AD

280

5.7.8. Двухтактные

усилители

класса

AD

284

5.7.9. Двухтактные

усилители

класса

BD .

287

5.8.

Перспективы

развития

усилителей

мощности

292

Глава 6. ~сиmjтели пос.тоянного тока

294

6.1.

Требования к пара метрам усилителей постянного T0l<a

294

6.2. Межкаскадные связи в усилителях постоянного T0l<a

296

6.2.1. Общие

сведения.

..

296

6.2.2. Каскады с непосредственной связью

296

0.'2.3. Хаскады

сдвига

УРОDНЯ

на

транзисторах

разных

типов

проводимости . . . . . . .

298

6.2.4.

Каскады

сдвига

УРОВНЯ

на

транзисторах

(1ДНОГО

299

6.3.

типа

проводимости

. . . .

Методы компенсации дрейфа

нуля . .

303

6.4. Балансные и разностные схемы каскадов

305

6.4.!.

Общие

сведения

305

6.4.2.

Дифференциальный

каскад

. . .

305

6.4.3. Эквивалентная схема дифференциального Кl1скада

309

6.5.

Модели дифференциальных каскадов . . .

312

6.5.1.

Общие сведения

312

6.5.2.

Линейная

макромодель

313

6.5.3.

Нелинейная макромодель

315

6.6. Каскады с оптронной связью

.aI.o

6.6.!.

Общие

сведения

.

•

•

•

316

6.6.2.

Усилитель

с

резисторной

оптопарой

317

6.6.3.

Усилитель

с

диодной

оптопарой

318

6.6.4.

Усилитель

с

транзисторной

оптопарой

• . .

319

6.7. Усилители постоянного тока с пре06разованием С\lгнала .

320

Глава 7. Операционные усилители

325

7.1. Оперauионные

усилители

в электронике

325

7.1.!.

Общие

сведения

. . . . . .

325

7.1.2. Классификация операционных УСИЛIIТС.1СЙ

325

7.1.3.

Применение

операционных

усилителей

327

7.!.4. Структура операционных УСИЛ!lтелей

328

7.2.

Параметры

операционных

усилителей

33!

7.2.1.

определение

параметров

операционных

усилtiтелей

33!

7.'d.

7.2.2. Требования к параметрам операционных УСИЛrIтелей

337

Характеристики операционных

усилителей

338

7.3.!. АМПJlитудно·частотная

характеристика

338

399

r.4.	7.3.2. Фазочастотная			характеристика . .				"	343
	Схемотехника каскадов операционных усилителей								344
	7.4.1. Общие		сведения			.			344
	7.4.2.	Входные каскады							345
	7.4.3. Промежуточные				каскады				347
	7.4.4. Оконечные каскады .						• . .		349
7.5. Макромодели операционных усилителей									351
	7.5.1.	Классифнкация			макромоделей				351
	7.5.2.	Построение макромоделей							352
	7.5.3.	Набор	базовых		моделей		. • . . . . .		354
	7.5.4. Макромодели операционного усилителя типа 140}'Д7								355
7.6. Устойчивость операционных усилителей .									357
Глава 8. Устройства аналоговой обработки сигналов									361
8.1. Операционные усилители в устройствах аналоговой об-
8.2.	работки сигналов .				•				361
	Операционные звенья								366
	8.2.1.	Инвертирующие			и	неивертирующие		усилительные
	звенья .		. .	• .					366
	8.2.2.	Суммирующие			звенья		. . . . . ..		368

8.2.3.Интегрирующие и дифференцирующие звенья . 371

8.2.4. Логарифмирующие и антилогарифмирующие звенья				376
8.3 Звенья	активных RС-фильтров			378
8.3.1.	Общие	сведения .		378
8.3.2.	Фнльтры	нижних	частот	379
8.3.3.	Фильтры	верхних	частот	384
8.3.4. Полосовые фильтры				389
8.3.5.	Режекторные фильтры			39.1
Список литературы				395