 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Устройств
Схемотехника
Аналоговых
Курс лекций
Великий Новгород
УДК 621.397.13(075.8) Печатается по решению
ББК 32.844я73 РИС НовГУ
С92
Рецензенты:
| кандидат технических наук, доцент | Р. Н. Шабалин |
начальник сектора НИИ ПТ «Растр» В. А. Жамлин
| С92 | Схемотехника аналоговых устройств: курс лекций / авт.-сост. Н. П. Корнышев; НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2011. – 152 с. Рассматриваются классические аналоговые устройства на транзисторах и операционных усилителях. Приводятся методики анализа и расчета некоторых схем. В основу курса лекций положены избранные разделы из известной переводной книги П. Хоровица и У. Хилла «Искусство схемотехники», а также из учебников отечественных авторов М. В. Гальперина и Л. М. Гольденберга. Однако в настоящем издании материал адаптирован к программе курса НовГУ, дано более подробное объяснение отдельных аспектов, связанных с работой аналоговых схем. Предназначено для студентов, начинающих изучение радиотехнических дисциплин. |
УДК 621.397.13(075.8)
ББК 32.844я73
© Новгородский государственный
университет, 2011
© Н. П. Корнышев, составление,
Содержание
Предисловие................................................................................................. 8
Лекция 1......................................................................................................... 10
1.1. Классификация электронных схем....................................................... 10
1.2. Делители напряжения............................................................................ 10
1.3. Теорема об эквивалентном преобразовании источников (генераторов) 11
1.4. Понятие о динамическом сопротивлении............................................. 11
1.4.1. Стабилитрон................................................................................ 12
1.4.2. Туннельный диод........................................................................ 13
1.5. Наиболее распространенные виды сигналов....................................... 14
1.5.1. Синусоидальный сигнал............................................................. 14
1.5.2. Понятие амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)........... 15
1.5.3. Несинусоидальные сигналы........................................................ 15
1.6. RC -цепи.................................................................................................. 17
1.6.1. Интегрирующая цепь.................................................................. 18
1.6.2. Дифференцирующая цепь........................................................... 18
1.6.3. Примеры использования RC -цепей............................................ 19
1.6.4. Генераторы линейно возрастающего напряжения.................... 20
1.6.5. Индуктивности и трансформаторы............................................ 20
Лекция 2......................................................................................................... 22
2.1. Частотный анализ реактивных схем..................................................... 22
2.1.1. Емкостная схема.......................................................................... 22
2.1.2. Индуктивная схема...................................................................... 22
2.1.3. Мощность в реактивных схемах................................................. 23
2.1.4. Обобщенный закон Ома............................................................. 23
2.1.5. Примеры использования обобщенного закона Ома................. 24
2.2. Диоды и диодные схемы....................................................................... 25
2.2.1. Выпрямление............................................................................... 26
2.2.2. Умножители напряжения............................................................ 27
2.2.3. Получение однополярных импульсов....................................... 29
2.2.4. Диодные вентили......................................................................... 29
2.2.5. Диодные ограничители............................................................... 30
2.2.6. Фиксация уровня напряжения.................................................... 32
2.2.7. Диодная защита........................................................................... 33
2.2.8. Амплитудные селекторы (АС).................................................... 33
2.2.9. Задание тока через диод............................................................. 34
2.2.10. Вольт-амперные характеристики
некоторых полупроводниковых приборов......................................... 35
Лекция 3......................................................................................................... 38
3.1. Транзисторы.......................................................................................... 38
3.2. Схемы включения транзистора и коэффициент передачи по току..... 40
3.2.1. Схема с общей базой (ОБ).......................................................... 40
3.2.2. Схема с общим эмиттером (ОЭ)................................................. 40
3.2.3. Схема с общим коллектором (ОК)............................................. 40
3.2.4. Схема с разделенной нагрузкой................................................. 41
3.2.5. Усиление по мощности................................................................ 41
3.3. Виды характеристик транзисторов...................................................... 42
3.4. Эмиттерный повторитель (ЭП)............................................................. 43
3.4.1. Смещение в ЭП............................................................................ 45
3.4.2. Методика расчета ЭП................................................................. 47
Лекция 4......................................................................................................... 49
4.1. Ограничение сигналов в ЭП................................................................. 49
4.2. Анализ схемы ЭП.................................................................................. 50
4.3. Стабилизаторы напряжения с ЭП........................................................ 51
4.4. Транзисторные источники тока............................................................ 52
4.4.1. Рабочий диапазон транзисторного источника тока.................. 53
4.4.2. Смещение в транзисторном источнике тока.............................. 54
4.4.3. Улучшение транзисторных источников тока............................. 55
Лекция 5......................................................................................................... 59
5.1. Усилитель с ОЭ...................................................................................... 59
5.1.1. Анализ схемы усилителя с ОЭ.................................................... 60
5.1.2. Расчет усилителя с ОЭ
при небольшом коэффициенте усиления (KU £ 10).............................. 61
5.1.3. Графический метод определения смещения транзистора
в усилителе с ОЭ................................................................................... 62
5.1.4. Схема расщепления фазы с единичным коэффициентом
усиления (парафазный каскад)............................................................. 63
5.1.5. Фазовращатель............................................................................ 64
5.1.6. Представление усилителя с ОЭ в виде двух независимых
усилителей: с передаточной проводимостью и с передаточным
сопротивлением..................................................................................... 65
5.1.7. Предельный коэффициент усиления схемы усилителя с ОЭ..... 66
5.2. Модель Эберса – Молла для транзисторных схем............................. 66
5.2.1. Усилитель с заземленным эмиттером......................................... 67
5.2.2. Нелинейные искажения в схеме с заземленным эмиттером....... 68
5.2.3. Эмиттерный резистор в качестве элемента
отрицательной обратной связи (ООС)................................................. 69
5.3. Способы задания стабильного смещения усилителя с ОЭ.................. 70
5.3.1. Использование шунтируемого резистора.................................. 70
5.3.2. Использование согласованного транзистора............................ 71
5.3.3. ООС по постоянному току.......................................................... 72
Лекция 6......................................................................................................... 74
6.1. Температурная стабильность усилителя с ОЭ..................................... 74
6.2. Пример расчета усилителя с ОЭ с шунтируемым резистором
эмиттерной цепи и заданным коэффициентом передачи............................ 77
6.3. Следящая связь...................................................................................... 78
6.4. Насыщенный транзисторный ключ с ОЭ............................................. 79
6.5. Токовые зеркала.................................................................................... 80
6.5.1. Простое токовое зеркало............................................................ 80
6.5.2. Токовое зеркало Уилсона........................................................... 81
6.6. Составные транзисторы........................................................................ 81
6.7. Двухтактный выходной каскад............................................................. 82
Лекция 7......................................................................................................... 85
7.1. Модель Эберса – Молла и ЭП.............................................................. 85
7.2. Дифференциальный усилитель............................................................. 85
7.2.1. Использование источника тока в эмиттерной цепи
дифференциального усилителя............................................................. 87
7.2.2. Использование токового зеркала в качестве активной нагрузки 88
7.2.3. Измерительный мостик Уитстона............................................... 89
7.3. Влияние емкостей p-n -переходов транзисторов. Эффект Миллера
и способы его устранения............................................................................ 90
7.4. Некоторые типичные транзисторные схемы........................................ 91
7.4.1. Стабилизированный источник напряжения............................... 91
7.4.2. Усилительный каскад с высокочастотной (ВЧ) коррекцией..... 92
7.4.3. Усилитель с низкочастотной (НЧ) коррекцией.......................... 92
Лекция 8......................................................................................................... 94
8.1. Операционные усилители (ОУ) и обратная связь................................ 94
8.2. Основные схемы включения ОУ........................................................... 95
8.2.1. Инвертирующий усилитель........................................................ 95
8.2.2. Неинвертирующий усилитель.................................................... 95
8.2.3. Усилитель переменного тока...................................................... 96
8.2.4. Повторитель (буфер) на ОУ....................................................... 97
8.2.5. Источники тока на ОУ................................................................ 98
8.2.6. Логарифмический усилитель.................................................... 100
8.2.7. Дифференциальный усилитель................................................. 100
8.2.8. Суммирующий усилитель......................................................... 101
8.2.9. Простейший цифровой аналоговый преобразователь (ЦАП)
на основе суммирующего ОУ............................................................. 101
8.2.10. Интеграторы и дифференциаторы на ОУ.............................. 102
Лекция 9....................................................................................................... 104
9.1. Активный пиковый детектор на основе ОУ....................................... 104
9.2. ОУ в усилителях мощности................................................................ 105
9.3. ЦАП на ОУ с матрицей R –2 R............................................................. 105
9.4. Влияние ООС на входное сопротивление ОУ.................................... 107
9.4.1. Входное сопротивление неинвертирующего ОУ..................... 107
9.4.2. Входное сопротивление инвертирующего ОУ........................ 108
9.5. Влияние ООС на выходное сопротивление ОУ................................. 109
9.5.1. Выходное сопротивление неинвертирующего ОУ.................. 109
9.5.2. Выходное сопротивление инвертирующего ОУ...................... 110
9.6. Резонансные контуры в усилительных схемах.................................. 111
Лекция 10..................................................................................................... 115
10.1. Компараторы и триггер Шмитта...................................................... 115
10.1.1. Простейший компаратор........................................................ 115
10.1.2. Триггер Шмитта...................................................................... 116
10.1.3. Дискретная схема компаратора.............................................. 118
10.1.4. Дискретная схема триггера Шмита........................................ 118
10.2. Мультивибраторы............................................................................. 119
10.2.1. Автоколебательный мультивибратор.................................... 119
10.2.2. Ждущий мультивибратор....................................................... 121
10.2.3. Ждущий мультивибратор на основе компаратора............... 123
10.3. Схемы широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
и аналого-цифрового преобразователя (АЦП)......................................... 124
Лекция 11..................................................................................................... 126
11.1. Полевые транзисторы (ПТ)............................................................... 126
11.1.1. Классификация ПТ.................................................................. 126
11.1.2. ПТ с управляющим p-n -переходом........................................ 126
11.1.3. МОП-транзистор с индуцированным каналом...................... 128
11.1.4. МОП-транзистор со встроенным каналом............................. 129
11.1.5. Статические дифференциальные параметры
полевых транзисторов........................................................................ 131
11.1.6. О токе стока............................................................................. 131
Лекция 12..................................................................................................... 133
12.1. Логические ключи и инверторы на ПТ............................................ 133
12.1.1. Логические ключи и инверторы на МОП-транзисторах....... 133
12.1.2. КМОП-инвертор..................................................................... 134
12.2. Аналоговые ключи на ПТ................................................................. 134
12.2.1. Аналоговые ключи на МОП-транзисторах........................... 134
12.2.2. Аналоговый КМОП-ключ....................................................... 135
12.3. Источники тока на ПТ....................................................................... 136
12.3.1. Простейший источник тока на ПТ.......................................... 136
12.3.2. Источник тока на ПТ с автоматическим смещением............. 137
12.3.3. Источник тока на ПТ и ОУ..................................................... 137
12.4. Некоторые схемы с использованием ПТ.......................................... 139
12.4.1. Мультиплексоры. Демультиплексоры................................... 139
12.4.2. Схема выборки – хранения.................................................... 139
12.4.3. Пиковый детектор со сбросом................................................ 140
12.4.4. Интеграторы со сбросом........................................................ 140
12.5. Истоковые повторители.................................................................... 141
Лекция 13..................................................................................................... 144
13.1. ПТ в усилителях................................................................................ 144
13.1.1. Усилители с общим истоком................................................... 144
13.1.2. ПТ в качестве переменных резисторов.................................. 146
13.1.3. Электронное управление усилением...................................... 147
13.2. Активные фильтры............................................................................ 148
13.2.1. Схема преобразователя отрицательного полного
сопротивления (ПОПС)....................................................................... 149
13.2.2. Гиратор.................................................................................... 150
Литература................................................................................................ 152
ПРЕДИСЛОВИЕ
В данном лекционном курсе, являющемся одним из базовых курсов в подготовке студентов по специальности «Радиотехника», рассматриваются основы схемотехники аналоговых устройств на транзисторах и операционных усилителях. Конечно, в настоящее время разработчики очень часто используют готовые функциональные аналоговые компоненты в виде интегральных микросхем и проектирование часто сводится к их обоснованному выбору. Тем не менее знание классических дискретных транзисторных устройств и устройств на операционных усилителях необходимо по той простой причине, что, во-первых, именно эти устройства являются «кирпичиками» аналоговых микросхем, а, во-вторых, как правило, аналоговые интегральные микросхемы в проектируемом устройстве требуют дополнительного «обрамления» дискретными аналоговыми схемами. В этой связи обучение работе с функциональными аналоговыми интегральными компонентами без знания основ схемотехники можно смело уподобить обучению работе с калькулятором без знания таблицы умножения.
Цель настоящего издания – научить студентов не только узнавать классические схемные решения, но и применять инженерные методы их анализа и расчета.
Классические схемные решения потому и являются классическими, что они многократно проверены на практике, работают в широком диапазоне отклонений как внешних, так и внутренних параметров (в частности, температур и номиналов), для них имеется достаточное теоретическое обоснование. Вместе с тем весьма полезна для инженерной практики быстрая прикидочная оценка параметров и характеристик анализируемой схемы, что требует знания достаточно простых моделей и ограничений на их применение.
В этой связи нельзя не согласиться с утверждением о том, что аналоговая схемотехника в большой степени – это сочетание основных законов электротехники и логики. Однако она является, безусловно, еще и искусством, поскольку при проектировании аналоговых схем необходимо учитывать целый ряд условий, которые часто бывают достаточно противоречивы. Это требует не только освоения определенных практических правил и приемов, но и понимания принципов построения и функционирования электронных схем на интуитивном уровне.
Такой подход к схемотехнике аналоговых устройств изложен в известной книге П. Хоровица и У. Хилла «Искусство схемотехники», которая многократно переиздавалась, в том числе в России, и, несомненно, является одной из лучших книг, предназначенных для изучения студентами данной области техники. Для учебного курса, читаемого в пределах одного семестра, материал данной книги является достаточно большим, и поэтому для изложения в курсе лекций выбраны те разделы книги, которые однозначно являются базовыми в радиотехническом образовании. Кроме этого, при написании настоящего лекционного курса был использован материал из учебников отечественных авторов М.В. Гальперина и Л.М. Гольденберга.
Несмотря на то что вопросы функционирования, анализа и проектирования классических схемных решений изложены в указанных выше книгах, отдельные вопросы, как показывает практика чтения лекций, требуют более подробного рассмотрения. Это обстоятельство также явилось поводом для составления данного лекционного курса. Наконец, излагаемый в настоящем издании материал находится в тесной увязке с курсом лабораторных работ, заключающихся в моделировании отдельных классических схемных решений в среде Workbench, а также с заданиями на курсовое проектирование. Материал изложен компактно, выстроен в строгой логической последовательности по направлению от простого к более сложному, причем последующие сведения базируются на предыдущих.
Поиск по сайту: