Схемотехника 1
.pdfНекоммерческое
акционерное
общество
АЛМАТИНСКИЙ
ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра Электроники и компьютерных технологий
СХЕМОТЕХНИКА 1
Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050704 –
Вычислительная техника и программное обеспечение
Алматы 2008
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
|
|
Содержание |
|
1 |
Лекция 1. Основные характеристики аналоговых электронных устройств.... |
4 |
|
2 |
Лекция 2. |
Классы усиления и обратные связи в усилителях............................. |
8 |
3 |
Лекция 3. |
Обеспечение режима работы усилителя .......................................... |
12 |
4 |
Лекция 4. |
Транзисторные УНЧ с общим эмиттером и с общей базой ........... |
15 |
5 |
Лекция 5. |
Типовые усилительные каскады на транзисторах .......................... |
19 |
6 |
Лекция 6. |
Дифференциальный усилитель ......................................................... |
22 |
7 |
Лекция 7. |
Разновидности схем дифференциальных усилителей .................... |
25 |
8 |
Лекция 8. |
Основные параметры операционных усилителей ........................... |
28 |
9 |
Лекция 9. |
Двухкаскадный операционный усилитель....................................... |
32 |
10 |
Лекция 10. |
Решающие усилители..................................................................... |
36 |
11 |
Лекция 11. Активные фильтры ........................................................................ |
40 |
|
12 |
Лекция 12. |
Схемы активных фильтров и генераторов сигналов .................. |
43 |
13 |
Лекция 13. |
Генераторы релаксационных колебаний...................................... |
47 |
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
МГц; |
|
в) широкополосные усилители (ШПУ), у которых f H |
- десятки Гц; f В - |
сотни МГц; |
|
г) избирательные усилители или узкополосные; резонансные строятся |
|
на основе резонансных LCконтуров, полосовые – на основе RC-фильтра. |
|
1.2.3 по роду усиливаемых сигналов они делятся на |
УПТ (усилитель |
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
P |
|
|
UВЫХ2 |
.НОМ |
I 2 |
|
R |
ВЫХ .НОМ |
|
|
|
ВЫХ .НОМ |
Н |
||
|
|
|
RH |
|
|
||
где UВЫХ .НОМ и I ВЫХ .НОМ |
- |
значения при |
допустимых нелинейных |
||||
искажениях сигнала; UВХ НОМ |
обеспечивает номинальное напряжение на |
||||||
выходе усилителя. |
|
|
|
|
|
|
|
1.3.2 Коэффициент усиления Коэффициент усиления – важнейший количественный показатель
работы усилителя. Коэффициент усиления напряжения Кu=Uвых/Uвых;
коэффициент |
усиления тока |
Кi=Iвых /Iвх; коэффициент усиления мощности |
|
KP KU KI . |
|
|
|
Общий |
коэффициент |
усиления многокаскадного |
усилителя равен |
|
|
|
n |
произведению коэффициентов усиления каскадов K K1 K2 |
K3 ПK j . |
||
|
|
|
j 1 |
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
|
|
|
UВЫХ |
|
UВЫХ e |
j t |
e |
j ВЫХ |
K e j K |
|
|
K |
|
|
|||||||
|
|
U e j t e j ВХ |
||||||||
|
U |
|
U |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВХ |
|
ВХ |
|
|
|
|
|
|
K ВЫХ |
ВХ - разность фаз входного и выходного |
|||||||
где К – модуль |
KU , |
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
|
M |
|
|
K0 |
1,02 1,2 . |
|
f |
|
|||
|
|
|
K f |
||
|
|
|
|
||
Частотные |
искажения являются линейными, т.е. форма сигнала не |
||||
меняется, не |
добавляются спектральные составляющие, только падает |
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
частоты f |
к F2 ( f ) , к – это угол между входным и выходным сигналом. |
|
1.3.5 |
Амплитудная характеристика U ВЫХ f (U ВХ ) при |
постоянной |
частоте (рисунок 1.3). |
|
|
Здесь в точке А приUвх 0 Uвыхmin= Uпомех. В точке B на входе Uвхmin, |
||
когда сигнал можно различить на фоне помех. На участке ВС |
имеет место |
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
|
|
|
|
|
|
|
|
нелинейных искажений или клирфактором |
|
U 2 |
U 2 ... |
, где U2, U3 |
– |
||
2 |
3 |
||||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
U1 |
|
|
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
|
|
|
(рисунок 2.3). Здесь |
К – коэффициент усиления усилителя; ос – коэффициент |
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