Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова"

Курс лекций

Схемотехника аналоговых электронных устройств

В.С. Пряников

Чебоксары 2010

УДК 621.375 (075)

П 85

Рецензенты: главный конструктор СКТБ ОАО "Научно-производственный комплекс "Элара", к.т.н. Архипов В.А.; кафедра промышленной электроники ФГОУ ВПО "Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова".

Пряников B.C.

П 85 Схемотехника аналоговых электронных устройств: Курс лекций, Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2010. 203 с.

ISBN 5-7677-0464-3

Рассмотрены основные качественные показатели аналоговых электронных устройств, изложены теоретические основы, принципы построения усилительных и других функциональных схем.

Для студентов второго и третьего курсов, обучающихся по направлению подготовки 210300-Радиотехника и специальности 210302-Радиотехника.

Отв. редактор: д-р техн. наук, профессор Г.А. Белов

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

УДК 621.375 (075)

ISBN 5-7677-0464-3 © Пряников B.C. 2010

Оглавление

Лекция №1. Введение в дисциплину "Схемотехника аналоговых электронных устройств"

1.1 Общие сведения об аналоговых электронных устройствах

1.2 Программа дисциплины

1.2.1 Содержание дисциплины

1.2.2 Примерный перечень тем лабораторных занятий

1.2.3 Курсовой проект

1.3 Бально-рейтинговая система оценки знаний

Лекция №2. Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

2.1 Основные определения

2.2 Входные и выходные показатели

2.3 Коэффициент усиления

2.4 Амплитудно-частотная характеристика

2.5 Фазовая характеристика

2.6 Амплитудная характеристика

2.7 Нелинейные искажения

2.8 Переходная характеристика

Лекция №3. Основы построения электронных усилителей

3.1 Принципы построения усилительных устройств

3.2 Построение усилительного каскада на электронной лампе

3.3 Построение усилительных каскадов на полевых транзисторах

3.4 Работа электронной лампы и полевого транзистора в схеме АЭУ

3.5 Особенности построения усилительных каскадов на биполярных транзисторах

3.6 Работа биполярного транзистора в усилительном каскаде

3.7 Схемы межкаскадной связи

Лекция №4. Обеспечение и стабилизация режима работы усилительного элемента по постоянному току

4.1 Режим работы усилительного элемента

4.2 Цепи подачи смещения

4.3 Стабилизация рабочей точки биполярных транзистров

Лекция №5. Предварительные усилители напряжения

5.1 Общие сведения о предварительных усилителях

5.2 Принципиальные схемы предварительных усилителей

5.3 Эквивалентная схема усилителя

5.4 Методика анализа резисторного каскада предварительного усилителя

Лекция №6. Анализ каскада предварительного усиления

6.1 Анализ резисторного каскада в области средних частот

6.2 Анализ резисторного усилителя на высоких частотах

6.3 Анализ резисторного каскада в области нижних частот

Лекция №7. Импульсные и широкополосные усилители

7.1 Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей

7.2 Анализ импульсного усилителя в области малых времен

7.3 Анализ импульсного усилителя в области больших времен

Лекция №8. Цепи коррекций в импульсных и широкополосных усилителях

8.1 Назначение корректирующих цепей

8.2 Простая индуктивная высокочастотная коррекция

8.3 Эмиттерная высокочастотная коррекция

8.4 Низкочастотная коррекция

Лекция №9. Выходные каскады усилителей

9.1 Общие сведения о выходных каскадах

9.2 Способы построения однотактных выходных каскадов

9.3 Эквивалентная схема трансформаторного каскада

9.4 Выходные динамические характеристики

9.5 Построение ВДХ для каскада с емкостной связью

9.6 Построение ВДХ для трансформаторного каскада

9.7 Анализ однотактного выходного каскада в режиме А

9.8 Анализ однотактного трансформаторного усилителя мощности в режиме А

Лекция №10. Двухтактные выходные каскады

10.1 Резисторные двухтактные усилители напряжения

10.2 Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

10.3 Работа двухтактного каскада в режиме В

10.4 Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности

10.5 Фазоинверсные схемы

Лекция №11. Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности

11.1 Общие сведения

11.2 Принцип построения бестрансформаторного усилителя мощности

11.3 Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной симметрией

11.4 Бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторах

Лекция №12. Курсовое проектирование

12.1 Цель курсового проектирования

12.2 Содержание и тематика проекта

12.3 Правила выполнения и оформления курсового проекта

12.4 Организация работ и последовательность проектирования

Лекция №13. Обратная связь в аналоговых электронных устройствах

13.1 Классификация видов обратной связи

13.2 Влияние обратной связи на качественные показатели АЭУ

13.3 Влияние ООС на входное и выходное сопротивления

13.4 Влияние ООС на амплитудно-частотную характеристику

Лекция №14. Усилительные каскады с различными видами обратной связи

14.1 Усилительные каскады с последовательной ООС по току

14.2 Влияние элементов автоматического смещения и эммитерной стабилизации на АЧХ

14.3 Усилительный каскад с паралелльной ООС по напряжению

14.4 Усилитель с глубокой обратной связью

14.5 Истоковые и эмиттерные повторители

Лекция №15. Усилители постоянного тока

15.1 Назначение и особенности построения

15.2 УПТ с непосредственной связью

15.3 Схемы сдвига уровня постоянного напряжения

15.4 Дрейф нуля и способы его уменьшения

15.5 Балансные усилители постоянного тока

Лекция №16. Специальные каскады УПТ

16.1 Дифференциальные усилители

16.2 Усилители постоянного тока с преобразованиями сигнала

16.3 УПТ с использованием оптрона

Лекция №17. Аналоговые электронные устройства на интегральных микросхемах

17.1 Общие сведения об интегральных микросхемах

17.2 Особенности интегральной схемотехники

17.3 Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах

17.4 Усилитель мощности на интегральных микросхемах

Лекция №18. Операционные усилители

18.1 Общие сведения об операционных усилителях

18.2 Принципиальные схемы операционных усилителей

18.3 Операционный усилитель

18.3.1 Входные и выходные параметры ОУ

18.3.2 Усилительные параметры и характеристики

Лекция №19. Амплитудно-частотная характеристика ОУ. Коррекция ОУ

19.1 Диаграмма Боде

19.2 Обеспечение устойчивости ОУ

19.3 Коррекция частотной характеристики ОУ

Лекция №20. Применение ОУ в устройствах аналоговой обработки сигналов

20.1 Неинвертирующий усилитель

20.2 Суммирующее устройство

20.3 Повторитель напряжения

20.4 Инвертирующий усилитель

20.5 Вычитывающее устройство

20.6 Интегрирующее устройство

20.7 Дифференцирующее устройство

20.8 Логарифмирующее устройство

Лекция №21. Активные фильтры

21.1 Общие сведения об активных фильтрах

21.2 Пассивные RС - фильтры

21.3 Реализация активных фильтров

21.4 Активные фильтры высокого порядка

21.5 Полосовые и заграждающие АФ

21.6 Общие сведения о регулировках тембра

21.7 Принцип регулировки тембра на основе АФ

21.8 Регулятор тембра на основе АФ

Лекция №22. Регулировка усиления

22.1 Общие сведения о регулировках усиления

22.2 Регулировка усиления изменения входного сигнала

22.3 Тонкомпенсирующие регуляторы усиления

22.4 Регулировка усиления изминением режима работы усилительного элемента

22.5 Регулировка изменением глубины обратной связи

Лекция №23. Внутренние шумы

23.1 Общие сведения о внутренних шумах

23.2 Основные характеристики внутренних шумов

23.3 Шумы электрических цепей

23.4 Шумы электронных ламп

23.5 Внутренние шумы полупроводниковых приборов

Рекомендуемая литература

Лекция №1. Введение в дисциплину "Схемотехника аналоговых электронных устройств"

1.1 Общие сведения об аналоговых электронных устройствах

Целью преподавания данной дисциплины является изучение студентами особенностей схемотехники аналоговых электронных устройств и методов их анализа, а также формирование у студентов знаний, навыков и умений, позволяющих осуществлять схемотехническое проектирование электронных устройств, которые обеспечивают усиление и обработку аналоговых сигналов, в том числе и с использованием интегральных микросхем, выпускаемых промышленностью. Эти знания и умения имеют не только самостоятельное значение, но и обеспечивают базовую подготовку студентов по схемотехнике, необходимую им при изучении других схемотехнических дисциплин.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

- знать принципы функционирования основных аналоговых электронных устройств и их базовых элементов, особенности схемотехники этих устройств, в том числе и учитывающие возможность их реализации по интегральной технологии и необходимость обеспечения стабильности их работы;

- знать и уметь применять методы анализа усилительных и других аналоговых электронных устройств, основанные на использовании эквивалентных схем; уметь составлять эти схемы на базе принципиальных схем анализируемых устройств;

- знать принципы построения цепей обратной связи и их влияние на основные показатели и стабильность параметров аналоговых электронных устройств; уметь формировать эти цепи с целью улучшения качественных показателей разрабатываемых устройств и получения заданной формы их характеристик;

- уметь осуществлять схемотехническое проектирование разрабатываемых усилительных и других аналоговых устройств, в том числе, построенных на базе операционных усилителей, а также с учетом возможности их реализации по интегральной технологии; выполнять расчеты, связанные с выбором параметров и режимов работы разрабатываемых устройств;

- уметь применять современную вычислительную технику при анализе и проектировании аналоговых электронных устройств.

Дисциплина "Схемотехника аналоговых электронных устройств" является первой дисциплиной, в которой студенты изучают схемотехнику и ее язык. Она располагается в учебном плане специальности на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую и специальную подготовку инженеров. Изучая эту дисциплину, студенты впервые знакомятся с принципами функционирования, схемотехникой аналоговых электронных устройств и с методами их анализа; с задачами, связанными с обеспечением стабильности работы и знание которых необходимо как при разработке устройств, рассматриваемых в настоящей дисциплине, так и устройств, изучаемых в других дисциплинах и связанных с формированием, приемом и обработкой аналоговых сигналов.

Изучение дисциплины "Схемотехника аналоговых электронных устройств" базируется на физико-математической подготовке студентов, получаемой ими при изучении дисциплин "Математика" и "Физика", на знании методов анализа электрических цепей, с которыми студенты знакомятся при изучении дисциплин "Основы теории цепей", "Радиотехнические цепи и сигналы" и "Основы компьютерного проектирования РЭС", а также на знании параметров и характеристик пассивных и активных радиокомпонентов, рассматриваемых дисциплинами "Радиоматериалы и радиокомпоненты" и "Электроника". Материал, изучаемый в дисциплине "Схемотехника аналогов электронных устройств", используется студентами в дисциплинах "Устройства приема и обработки сигналов", "Основы телевидения", "Устройства генерирования и формирования сигналов" и др.

Для того чтобы обеспечить глубокое усвоение студентами основ схемотехники аналоговых электронных устройств, творческий подход и самостоятельность при изучении ими соответствующего материала, необходимо провести большую методическую работу, направленную на эффективное использование студентами часов, выделенных учебным планом для самостоятельной работы и на обеспечение руководства и контроля преподавателем этой работы. Учитывая место дисциплины в учебном плане, при чтении лекций необходимо особое внимание уделять принципам функционирования изучаемых устройств. Рассматриваемая схемотехника должна быть ориентирована на изготовление аналоговых устройств, в том числе и по интегральной технологии. Целесообразно обратить внимание и на обеспечение повторяемости разрабатываемых устройств при их производстве. аналоговый электронный усилитель транзистор

Большое значение для творческого освоения студентами особенностей схемотехники аналоговых электронных устройств имеет выполнение ими курсового проекта. Курсовой проект по этой дисциплине является первым среди схемотехнических курсовых проектов, выполняемых студентами при обучении их по направлению 210300 - Радиотехника и по специальности 210302 - Радиотехника. При его выполнении студенты еще не имеют навыков разработки устройств по заданным показателям. Поэтому во время работы студентов над курсовым проектом должно быть обеспечено достаточное количество индивидуальных консультаций.

Для реализации настоящей программы предусмотрено всего 140 часов, из них аудиторных занятий - 78 ч., которые могут быть распределены следующим образом: лекции - 46 ч., лабораторные занятия - 32 ч. и самостоятельные занятия - 62 ч. Схемотехника аналоговых электронных устройств изучается в течение четвертого и пятого семестров. Отчетность: зачет в четвертом семестре; дифференцированный зачет по результатам защиты курсового проекта и экзамен за весь курс в пятом семестре.

1.2 Программа дисциплины

1.2.1 Содержание дисциплины

Введение. Определение аналоговых электронных устройств. Принципы их построения, особенности функционирования и области применения. Усилительные устройства и их роль при построении устройств обработки аналоговых сигналов. Краткий исторический обзор развития отечественной аналоговой техники. Тенденции ее развития. Значение дисциплины "Схемотехника аналоговых электронных устройств" для подготовки бакалавров; ее содержание и связь с другими дисциплинами учебного плана.

Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств, требования, предъявляемые к аналоговым электронным устройствам. Показатели и характеристики, определяющие усиление, преобразование и искажения аналоговых сигналов. Входные и выходные показатели, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика, фазовая характеристика, амплитудная характеристика, коэффициент нелинейных искажений и переходная характеристика аналоговых электронных устройств (АЭУ). Обратная связь и ее влияние на показатели и характеристики аналоговых электронных устройств.

Принцип и назначение обратной связи. Основные способы ее обеспечения. Влияние обратной связи на основные показатели и характеристики усилительных устройств и аналоговых устройств, построенных на их базе, а также на чувствительность этих устройств к изменению параметров их элементов. Устойчивость устройств, охваченных отрицательной обратной связью, и ее оценка с помощью различных критериев.

Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току.

Цепи питания, обеспечивающие режим работы транзисторов по постоянному току. Значение этих цепей.

Обеспечение необходимого режима работы транзисторов по постоянному току с помощью простейших цепей. Влияние условий эксплуатации и разброса значений параметров транзисторов на режим их работы по постоянному току; необходимость стабилизации тока покоя выходной цепи транзистора.

Генераторы стабильного тока СГСТЭ и их использование для обеспечения стабилизации токов покоя транзисторов. Расчет значений сопротивлений резисторов ГСТ, при которых обеспечиваются заданные значения его тока покоя и дифференциального сопротивления.

Стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току с помощью отрицательной обратной связи. Цепи, обеспечивающие стабилизацию в одиночных каскадах. Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току в многокаскадных устройствах с непосредственной связью между каскадами; дрейф нуля.

Каскады предварительного усиления.

Требования, предъявляемые к каскадам предварительного усиления, и особенности их анализа, связанные с малым уровнем входного сигнала, при котором нелинейность характеристик транзистора можно не учитывать.

Применение эквивалентных схем для анализа каскадов предварительного усиления. Модели усилительных элементов, используемые при анализе этих каскадов. Построение эквивалентных схем рассматриваемых аналоговых электронных устройств. Применение ЭВМ для расчета аналоговых электронных устройств по полным эквивалентным схемам. Упрощение эквивалентных схем для проведения расчетов, не связанных с применением ЭВМ.

Применение усилительных элементов, состоящих из нескольких транзисторов (составных транзисторов).

Усилительные каскады с транзисторами, включенными с общим эмиттером и общим истоком. Резисторные каскады предварительного усиления, их принципиальные и эквивалентные схемы. Применение динамической нагрузки. Коэффициент усиления, частотные характеристики каскада в области верхних частот и переходные характеристики в области малых времен. Площадь усиления резисторного каскада.

Применение цепей коррекции для увеличения площади усиления и получения частотных и переходных характеристик заданной формы.

Усилительный каскад с транзистором, включенным с общим коллектором и общим стоком. Эмиттерный и истоковый повторители.

Усилительный каскад с транзистором, включенным с общей базой.

Чувствительность характеристик резисторного каскада к изменению значений параметров его элементов.

Дифференциальный усилительный каскад. Основные свойства и расчет этого каскада. Коэффициенты усиления по дифференциальному и синфазному сигналам. Относительное ослабление синфазной составляющей сигналов. Дифференциальные усилительные каскады с повышенным значением коэффициента усиления и входного сопротивления. Применение токового зеркала в дифференциальном каскаде.

Частотные искажения в области нижних частот и искажения вершины прямоугольного импульса, возникающие в резисторных каскадах переменного тока вследствие наличия разделительных конденсаторов и блокировочных конденсаторов в эмиттерной (истоковой) цепи усилительного элемента.

Входные каскады усилителей предварительного усиления и их шумовые свойства.

Выходные усилительные каскады.

Требования, предъявляемые к выходным каскадам усиления и особенности их расчета, обусловленные использованием большого участка передаточной характеристики, нелинейность которой необходимо учитывать.

Режимы работы усилительных элементов в усилительных каскадах. Коэффициент полезного действия и допустимая мощность рассеяния на транзисторе с учетом температуры окружающей среды и наличия радиатора.

Однотактные каскады. Построение выходных динамических характеристик. Определение нелинейных искажений.

Двухтактные оконечные каскады. Особенности работы и свойства двухтактных каскадов. Применение режимов В и АВ. Нелинейные искажения в двухтактных каскадах. Бестрансформаторные двухтактные каскады.

Операционные усилители. Значение операционных усилителей в современной радиоэлектронике. Основные показатели операционных усилителей и предъявляемые к ним требования. Типовые структуры и каскады операционных усилителей. Сдвиги нуля выходного напряжения и их компенсация. Макромодели операционных усилителей. Применение обратных связей для создания устройств аналоговой обработки сигналов. Обеспечение устойчивости операционных усилителей, охваченных обратной связью.

Инвертирующие и неинвертирующие усилители с заданным точным значением коэффициента усиления; повторители напряжения. Устройства, осуществляющие суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование и антилогарифмирование. Аналоговые перемножители и делители. Основные применения.

Активные RC-фильтры. Аппроксимация амплитудно-частотных характеристик фильтров. Способы реализации активных RC-фильтров. Каскадная реализация фильтров на базе звеньев первого и второго порядков. Звенья фильтров, в которых используются частотно-зависимые цепи отрицательной или положительной обратной связи.

Заключение. Направления и перспективы развития аналоговых электронных устройств.

1.2.2 Примерный перечень тем лабораторных занятий

Исследование резисторного усилительного каскада на полевых транзисторах.

Исследование резисторного усилительного каскада на биполярных транзисторах.

Исследование импульсного усилителя.

Исследование двухтактного выходного каскада.

Исследование повторителей напряжения.

Исследование операционного усилителя.

Исследование аналоговых устройств, построенных на базе операционных усилителей.

С точки зрения обеспечения эффективного усвоения материала курса при выполнении лабораторных работ важно, чтобы эти работы выполнялись студентами после проработки ими соответствующего материала и усвоения порядка проведения экспериментальной части работы. Поэтому допуск студентов к выполнению соответствующей работы целесообразно осуществлять только после того, как они во время предварительного опроса покажут соответствующие знания.

1.2.3 Курсовой проект

Каждому студенту выдается индивидуальное задание, связанное с разработкой несложного аналогового электронного устройства.

При выполнении курсового проекта студенты проводят предварительный расчет и составляют структурную и принципиальную схемы разрабатываемого устройства. Исходя из общих требований, предъявляемых к показателям этих устройств, формулируют требования к показателям их отдельных каскадов и цепей; выбирают и рассчитывают значения параметров радиокомпонентов, при которых обеспечиваются необходимые показатели и характеристики разрабатываемых устройств, выбирают необходимые микросхемы. После выбора схемы и расчета значений параметров ее элементов производится расчет основных показателей разработанного устройства и их сравнение с заданными показателями. Этот расчет целесообразно проводить с помощью ЭВМ, используя пакеты программ анализа электронных цепей. Необходимо, чтобы при оформлении курсового проекта соблюдались требования ГОСТов ЕСКД.

1.3 Бально-рейтинговая система оценки знаний

При приобретении знаний основопологающим компонентом являются самостоятельные занятия студентов. Известный педагог Сухомлинский В.А. отмечал, что при преобретении знаний дает положительные результаты самостоятельная работа обучающегося. Самые наилучшие учителя ничего не могут сделать, если сам учащийся или студент не будет заниматься.

Контроль над самостоятельной систематической работой студентов проводится с использованием балльно-рейтинговой системы. Балльно-рейтинговая система контроля знаний является элементом системы управления качеством образования, способствующим переходу к кредитной системе. Главное здесь - это накапливание (суммирование) в течение семестра количественных оценок, являющихся результатом учебной деятельности студента по каждому предмету. Рейтинговая система позволяет связать учебную и воспитательную составляющие образовательного процесса, повысить ритмичность работы студентов, соответствие их оценок реальным знаниям. Рейтинговая система оценки качества учебной работы студентов направлена на совершенствование образовательного процесса путем активизации самостоятельной работы, обеспечение планомерной, регулярной учебной работы студентов и текущего контроля успеваемости профессорско-преподавательским составом, повышение гласности и объективности оценки качества работы студентов за учебный семестр и год.

По нашей дисциплине каждый студент в течение четвертого и пятого семестров зарабатывает следующие рейтинговые баллы: 1 балл - за прослушивание одной лекции; 2 балла - за своевременное выполнение лабораторной работы; 3-5 баллов (оценка по пятибалльной системе) - за сдачу одного коллоквиума; до 5 баллов (оценка знаний по пятибалльной системе) - за текущую активность (устный ответ по конкретному вопросу); 10 (оценка 3), 15 (оценка 4), 20 (оценка 5) баллов - за своевременную защиту курсового проекта в пятом семестре.

Коллоквиумы проводятся во время лабораторных работ, в результате которых студент отвечает на вопросы соответствующего раздела и получает оценку по пятибалльной системе. Оценка за сдачу коллоквиума нужна, прежде всего, студенту для определения глубины своих знаний и, вполне естественно, эти оценки используются для текущего контроля знаний студентов со стороны кафедры и деканата. По этим баллам определяются результаты аттестации, они учитываются при выставлении окончательной экзаменационной оценки. Это вполне логично, на экзамене студент отвечает на 3-4 вопроса и имеет ограниченное время для собеседования с преподавателем, поэтому может быть элемент случайности. Трудно проверить умение самостоятельно применить полученные знания в практической работе, поэтому учет оценок текущей самостоятельной работы лишь повысит достоверность их. Более того, балльно-рейтинговая система предусматривает проставление зачета и экзамена студентам, которые получают отличные оценки за коллоквиумы в течение семестра. Студенты, не сдавшие коллоквиум, к выполнению лабораторных работ не допускаются. Порядок проведения лабораторных занятий подробно будет изложен перед лабораторной работой.

В четвертом семестре по учебному плану студенты прослушивают 9 лекций, выполняют три лабораторные работы и сдают три коллоквиума. Следовательно, максимально рейтинговый балл в четвертом семестре студент может заработать: 9+6+15+5=35. Студент, набравший за четвертый семестр 31 балл, получает зачет автоматически.

В пятом семестре - 13 лекций; 4 лабораторные работы, четыре коллоквиума и защита курсового проекта. Таким образом, максимальный рейтинговый балл за пятый семестр: 13+8+20+20+5=66. В ходе изучения курса "Схемотехника аналоговых электронных устройств" каждый студент выступает с ответом по конкретному вопросу, качество которого оценивается по пятибалльной системе. Всего за четвертый и пятый семестры каждый студент может заработать 101 балл. Студент, набравший за два семестра 91 балл, получает автоматически оценку "отлично" за экзамен.

Лекция 2. Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

2.1 Основные определения

В курсе "Схемотехника аналоговых электронных устройств" рассматриваются основы аналоговой схемотехники, т.е. принципы построения аналоговых электронных устройств. АЭУ предназначены для аналоговой обработки сигналов. К ним относятся широкий класс усилительных устройств, дифференцирующие и интегрирующие устройства, логарифмирующие усилители, суммирующие и вычитывающие устройства и различного рода преобразователи. В курсе АЭУ подробно рассматриваются обеспечение режима и стабилизация рабочей точки, использование различных видов обратной связи.

Схемотехника аналоговых электронных устройств базируется на дисциплинах "Основы теории цепей", "Радиотехнические цепи и сигналы", "Электроника". Без твердого усвоения принципов построения АЭУ невозможно освоить специальные дисциплины.

Рассмотрим общую структурную схему АЭУ, которая приведена на рис.2.1.

В состав аналоговых электронных устройств входит широкий класс усилителей. Усилителем называется устройство, управляющее передачей усиленной энергии от источника питания в нагрузку. Другими словами, усиление сигнала представляет собой процесс преобразования энергии источника питания в результате воздействия на него усиливаемого сигнала через усилительный элемент. Усиливаемый сигнал с незначительной мощностью Рвых управляет мощностью источника питания Ро, отдавая часть этой энергии Рвых в нагрузку.



Рис.2.1. Общая структурная схема АЭУ.

Устройство, с которого снимается усиливаемый сигнал, называется источником сигнала. В радиовещательной аппаратуре источником сигнала могут служить приемная антенна, предыдущий каскад приемника, микрофон, звукосниматель и т.д. Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой усилителя. Нагрузкой усилителя могут быть акустическая система, телефон, последующий каскад усилителя и т.д. Источник управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемого сигнала, называют источником питания.

В свою очередь усилительное устройство состоит из входного, предварительного и выходного каскадов, рис. 2.2.

Рис.2.2. Структурная схема усилителя

Входной каскад кроме функции усиления выполняет функцию согласования с источником сигнала. Предварительные каскады предназначены для усиления сигнала по напряжению. Выходной каскад, как правило, усиливает сигнал по мощности и выполняет функцию согласования усилителя с внешней нагрузкой.

Усилительный каскад можно рассматривать как линейный четырехполюсник, имеющий пару входных и пару выходных зажимов, рис.2.3.

Рис.2.3. Функциональная схема усилительного устройства.

На основании теоремы эквивалентных схем любой источник сигнала, а также выходную цепь усилителя можно охарактеризовать напряжением холостого хода Ес и сопротивлением источника сигнала Rс. Источник сигнала подключается к входным клеммам усилителя.

2.2 Входные и выходные показатели

Со стороны входа усилитель характеризуется входным сопротивлением Zвх, который имеет в общем случае комплексный характер. Обычно Zвх представляет собой параллельное соединение активной составляющей Rвх и реактивной составляющей, обусловленной входной емкостью Cвх. Таким образом, входная цепь усилителя характеризуется входным напряжением Uвх, входным током Iвх, входным сопротивлением Rвх, а также входной мощностью Pвх.

Выходная цепь усилителя, в которую подключается нагрузка, характеризуется эквивалентной схемой, состоящей из генератора ЭДС и выходного сопротивления Rвых (генератора тока SUвх и выходной проводимости Gвых), а также сопротивлением нагрузки Rн. По этим параметрам легко определить основные выходные данные усилителя: выходное напряжение Uвых усиленного сигнала на нагрузке, выходной ток Iвых и полезную выходную мощность Рвых, отдаваемую усилителем в нагрузку.

Хотя выходное сопротивление и сопротивление нагрузки в общем случае имеют комплексный характер, но в рабочей полосе частот усилителя эти сопротивления можно считать чисто активными Rвых и Rн. При этом условии выходная мощность и напряжение усиленного сигнала на нагрузке определяются выражениями

(2.1)

Выходная мощность, отвечающая заданной норме нелинейных искажений, называется номинальной.

Типовым значением сопротивления нагрузки Rн современных акустических систем является Rн=8 Ом. Высокая верность воспроизведения акустических систем или громкоговорителя может быт только при эффективном демпфировании свободных колебаний подвижной части. Это возможно лишь в случае выполнения условия Rвых<Rн. Поэтому для современных высококачественных усилителей вводят понятие коэффициента демпфирования, определяемого отношением

(2.2)

2.3 Коэффициент усиления

Известно, что любой четырехполюсник характеризуется комплексным коэффициентом передачи

, (2.3)

который определяется как отношение комплексных амплитуд выходного и входного напряжений или токов. Комплексный коэффициент передачи для усилителей представляет собой функцию от частоты.

Частотную передаточную функцию удобно представлять в форме

(2.4)

где - модуль комплексного коэффициента усиления;

- сдвиг фазы между входным и выходным напряжениями. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой или просто частотной характеристикой, а - фазочастотной или фазовой характеристикой усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению

(2.5)

представляет собой безразмерное отношение комплексных амплитуд или отношение эффективных значений напряжений сигнала на выходе и на входе.

Соответственно представляется комплексный коэффициент усиления по току

 (2.6)

Коэффициент усиления по мощности

- величина всегда вещественная, так как она связана с модулями коэффициентов усиления напряжения и тока

(2.7)

В связи с тем, что восприятие слуховых органов человека подчиняется логарифмическому закону, безразмерное значение коэффициента усиления на практике часто выражается в децибелах (дБ).

Если мощность возрастает от Pвх до Рвых, то восприятие громкости человеком возрастает на величину

, (2.8)

которую условились выражать в белах (бел равняется 10 дБ). Таким образом, если мощность возрастает в 1000 раз, то логарифмическая величина усиления будет равна 3 Б или 30 дБ:

КpдБ = 10IgKp. (2.9)

Так как мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока

, (2.10)

то формулы перехода для коэффициентов усиления по напряжению и по току имеют вид:

КдБ = 20 IgK; КIдБ = 20 IgK. (2.11)

Реже встречаются логарифмические единицы (неперы). Коэффициент усиления в этих единицах

Кнеп = ln К = КдБ/ 8,68 = 0,115 КдБ. (2.12)

Из указанных единиц наиболее распространенной в радиотехнике является децибел. Единица непер используется лишь в технике проводной связи.

2.4 Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика усилителя есть зависимость модуля коэффициента усиления от частоты , которая показывает неравномерность усиления различных составляющих. В литературе эту характеристику для краткости называют частотной характеристикой.

Более наглядное представление дает графическое изображение (рис.2.4) частотной характеристики , которая строится в полулогарифмическом масштабе. Идеальной характеристикой является прямая, параллельная горизонтальной оси (штриховая линия на рис. 2.4).



Рис.2.4. Амплитудно-частотная характеристика.

На практике из-за влияния реактивных элементов имеет место спад частотной характеристики в области низких и высоких частот.

По частотной характеристике определяют следующие количественные показатели усилителей:

- верхняя fв и нижняя fн граничные частоты, на которых коэффициент усиления

Кв=Кн=0,707К 0=К 0/,

или частоты, на которых указаны другие допустимые частотные искажения;

- полоса пропускания усилителя или диапазон усиливаемых частот

П = fв- fн fв; (2.13)

- частотные искажения, вызываемые неодинаковым усилением различных частот. Эти искажения оцениваются коэффициентами частотных искажений на нижних и верхних частотах Мн и Мв, определяемых из следующих выражений:

Мн = К 0 / Кн, Мв = К 0 / Кв. (2.14)

Коэффициенты Мн и Мв обычно задаются в децибелах:

МндБ = 20 lgМн; МвдБ = 20 lgMв. (2.15)

Для высокочастотных стереофонических музыкальных центров коэффициент частотных искажений не превышает 1,2 дБ.

2.5 Фазовая характеристика

Фазовой характеристикой называют зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты. При графическом построении обычно используют линейный масштаб и рассматривают отдельно на низких и высоких частотах, рис. 2.5.

Рис.2.5. Фазовая характеристика усилителя: а - в области нижних частот; б - в области высоких частот

Фазовая характеристика позволяет оценить фазовые искажения Ф сигнала. Не всякий фазовый сдвиг создает искажения сигнала. Если фазовый сдвиг пропорционален частоте усиливаемого сигнала , то усилитель не имеет искажений формы усиливаемых сигналов, т. е. Ф=0. Следовательно, идеальной фазовой характеристикой усилителя является прямая, проходящая через начало координат под любым углом к горизонтальной оси. Поэтому фазовые искажения оцениваются не , а разностью ординат Ф фазовой характеристики и касательной к ней, проведенной через начало координат. На низких частотах эта прямая совпадает с горизонтальной осью и поэтому любой фазовый сдвиг создает фазовые искажения Фн =.

2.6 Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость установившегося значения выходного напряжения от входного. График амплитудной характеристики строится в линейном масштабе, рис.2.6.

Рис.2.6. Амплитудная характеристика.

Угол наклона амплитудной характеристики зависит от коэффициента усиления и определяется

=arctgК.

В рабочей области входных напряжений она обычно прямолинейна. При больших значениях амплитудная характеристика искривляется из-за перегрузки усилительного элемента, при малых значениях она отклоняется вследствие наличия собственных помех усилителя. Обычно сигнал, поступающий на усилитель, не остается неизменным, а меняется от Uсmin до Uсmax.

Отношение

Uсmax/Uсmin=Дс

называется динамическим диапазоном сигнала, который часто задается в децибелах

ДсдБ=20lgUсmax/Uсmin (2.16)

Из амплитудной характеристики видно, что усилитель может усиливать сигнал при Uс > Uвхmin и Uс < Uвxmax.

Отношение

Uвхmax/Uвхmin=Ду

есть динамический диапазон усилителя. Для безыскаженного усиления должно быть удовлетворено следующее соотношение Ду>Дс. Собственные помехи Un состоят из нескольких составляющих: наводки, фон и внутренние шумы.

Наводками называют посторонние шумы напряжения, наводимые на цепи усилителя соседними приборами. Устранение наводок достигается экранированием.

Фоном называют напряжение в выходной цепи усилителя с частотой, кратной частоте сети переменного тока, питающей усилитель. Для устранения фона необходимо улучшить сглаживание напряжения источника питания с помощью стабилизаторов напряжения. Внутренние шумы рассмотрены в последней лекции.

2.7 Нелинейные искажения

Нелинейные искажения возникают вследствие нелинейности характеристик усилительного элемента. За счет появления кратных гармоник происходит изменение формы выходного сигнала. Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник, определяемым по формуле

, (2.17)

где I1 и In - амплитуда токов 1-й и n-й гармоник.

Другим показателем, характеризующим нелинейные искажения, является коэффициент интермодуляционных искажений Кн. При подаче на вход усилителя двух напряжений с частотами f1 и f2 на выходе появятся составляющие с частотами f1, f2, f2-f1 и f2+f1. Коэффициент интермодуляционных искажений определяется отношением амплитуды составляющей разностной частоты к амплитуде выходного напряжения с частотой f1,

Кн = Uf2 -f1/Uf1 (2.18)

Для усилителей звуковоспроизводящей аппаратуры высшего класса допускаются КГ = 0,5-1%, а в усилителях среднего качества КГ=3-5 %.

2.8 Переходная характеристика

Переходной характеристикой называют зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при подаче на вход единичного импульса. Переходная характеристика является основной характеристикой импульсного усилителя. По этой характеристике определяются основные количественные показатели: время установления ty, спад плоской вершины сп, выброс переднего фронта (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Переходная характеристика.

Время установления ty определяется как интервал времени, в течение которого нормированная переходная характеристика h (t) меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9, т.е. ty =t0,9 - t0,1. Спад плоской вершины сп характеризуется искажением переходной характеристики, который определяется

сп=1-h(и),

где и- длительность усиливоемого импульса. Выброс переднего фронта появляется при наличии в схеме индуктивных элементов и определяется превышением h (t) над единичным уровнем.

Лекция №3. Основы построения электронных усилителей

3.1 Принципы построения усилительных устройств

Усилительные устройства состоят из отдельных каскадов, представляющих элементарные ячейки (рис.2.2.). Каждый отдельный каскад электронного усилителя может быть построен с использованием электронных ламп, полевых или биполярных транзисторов. Транзистор или электронная лампа в усилительной схеме работают в активном режиме. Как известно, активный режим соответствует определенному постоянному напряжению на управляющем электроде, обеспечивающему работу усилительного элемента на линейном участке характеристики. Это напряжение называют напряжением смещения.

При построении усилительного каскада составляют входную и выходную цепи. Входная цепь содержит источник сигнала, элемент связи и элементы для подачи напряжения смещения на управляющий электрод. Выходная цепь содержит основной источник питания, за счет которого происходит усиление сигнала, и нагрузочное сопротивление Rн, на котором происходит выделение усиленного напряжения.

3.2 Построение усилительного каскада на электронной лампе

Принципиальная схема двухкаскадного усилителя на электронных лампах приведена на рис.3.1.



Рис.3.1. Принципиальная схема усилителя на электронной лампе.

Принцип работы электронной лампы основан на термоэлектронной эмиссии электронов накаленным катодом. Ток анода управляется напряжением на управляющей сетке. С целью обеспечения нужного режима работы, необходимо, прежде всего, правильно подать питающие напряжения на электроды усилительного элемента.

В усилителях небольшой мощности все цепи анодов или коллекторов обычно питаются от одного общего источника питания - выпрямителя, сети постоянного тока, аккумуляторной батареи и т. д.

Источник анодного питания для ламповых усилителей имеет напряжение 150300 В. При этом потенциал анода усилительных ламп лежит в пределах 120200 В.

Входная цепь усилителя содержит входные клеммы, элемент связи С 1, сопротивление утечки R1 и элемент подачи смещения Rк. Постоянное отрицательное напряжение во входной цепи, которое определяет режим работы усилительного элемента, называют напряжением смещения. Наиболее распространенным способом подачи смещения на управляющую сетку лампы является получение его на резисторе Rк, включенном в цепь катода. Падение напряжения, вызванное прохождением через этот резистор анодного тока и тока экранирующей сетки , равное

,

определяет потенциал управляющей сетки. Падение напряжения на R1=0, поскольку ток в цепи управляющей сетки отсутствует. Такой способ подачи отрицательного смещения на сетку называют катодным смещением или автоматическим смещением. Элемент связи C1 иначе называют разделительной емкостью, поскольку эта емкость разделяет переменную и постоянную состовляющие напряжения. Сопротивление Rк шунтируется емкостью Cк, которая замыкает переменную составляющую выходного тока.

В многокаскадных усилителях коллекторные или анодные цепи обычно подключают параллельно к общему источнику питания, и для ослабления паразитной связи каскадов через этот источник все анодные цепи ламп, за исключением последней, как и цепи коллекторов транзисторных усилителей, защищают развязывающими фильтрами .

Наиболее простым и экономичным способом подачи положительного потенциала на экранирующую сетку относительно катода является через гасящий резистор Rэ, сопротивление которого рассчитывают по формуле:

. (3.1)

Питание цепей накала электронных ламп производят как постоянным, так и переменным током. Выходная цепь каждого каскада содержит сопротивление нагрузки Rн, источник питания Eп. В усилительном каскаде источник сигнала Uвх малой мощности управляет током в выходной цепи, создаваемым источником питания.

Таким образом, за счет энергии источника питания Еп на выходных зажимах получаем усиленное напряжение

Uвых=Еп-iвыхRн,

причем выходное напряжение является функцией усиливаемого сигнала. Схему, приведенную на рис.3.1., называют однотактной или нессиметричной. В этой схеме входная и выходная цепи нессиметричны относительно общей точки. Другими словами, однотактный усилитель имеет несимметричный вход и выход.

Усилители могут быть построены по двухтактной схеме, содержащей два усилительных элемента, работающих на общую нагрузку. Двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада, объединенных общим проводом и источником питания, работающими со сдвигом фаз на 180°. Особенности построения этих схем подробнее рассмотрены в разделе "Выходные усилители".

3.3 Построение усилительных каскадов на полевых транзисторах

В полевых транзисторах перенос тока осуществляется основными носителями, а управление током происходит за счет воздействия поперечного электрического поля, создаваемого усиливаемым напряжением, приложенным к управляющему электроду - затвору. Полевые транзисторы обладают рядом преимуществ: низкой входной проводимостью, широким диапазоном рабочих температур и простотой изготовления. Принцип действия полевых транзисторов заключается в изменении сопротивления канала, через который перемещаются носители заряда от истока к стоку. По способу образования канала и изменения его ширины эти транзисторы можно разделить на три группы. К первой относятся транзисторы с управляющим р-n-переходом, у которых ширина канала модулируется за счет изменения запирающего напряжения на р-n-переходе канал-затвор. Остальные две группы составляют транзисторы с изолированным затвором, отделенным от канала тонким слоем диэлектрика. Они имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник и называются МДП-транзисторами. Ко второй группе относятся МДП-транзисторы со встроенным каналом, а к третьей - индуцированным каналом.

Полярность смешения на затворе для транзисторов первой группы должна быть отрицательной, для третьей группы - положительной. Транзисторы второй группы могут работать при любом смещении на затворе. Подложку часто замыкают на исток. При использовании транзисторов с каналом n-типа соответственно меняются полярности питающих напряжений.

Рис.3.2. Характеристики полевого транзистора с управляющим р-n-переходом каналом n-типа: а - выходная; б - проходная.

Ток затвора у всех типов полевых транзисторов очень мал. Значение этого тока в транзисторах с управляющим р-n-переходом не превышает долей микроампера, а в МДП-транзисторах - долей пикоампера.

Усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, характеризуются крутизной тока стока S проходной характеристики (рис.3.2,б). Выходная характеристика полевого транзистора при малых значениях напряжения стока Uс имеет омический участок. На этом участке характеристики полевые транзисторы могут быть использованы как управляемые резисторы (рис.3.2,а). При дальнейшем увеличении Uс наступает насыщение тока, сопротивление канала становится очень большим. Ток стока будет зависеть только от U3.

Вывод от подложки в МДП-транзисторах может быть использован как дополнительный управляющий электрод, так как напряжение на подложке влияет на ток стока. Принципиальная схема усилителя на полевом транзисторе с каналом n-типа приведена на рис.3.3.

Рис.3.3. Принципиальная схема усилителя на полевом транзисторе

В усилителях на полевых транзисторах используется способ автоматического смещения (элементы Rи, Си). Остальные элементы схемы имеют те же назначения, что и в усилителях на электронной лампе.

3.4 Работа электронной лампы и полевого транзистора в схеме АЭУ

Рассмотрим принцип работы усилителей, приведенных на рис.3.1., 3.3. В этих схемах напряжение усиливаемого сигнала приложено между управляющим электродом и общим электродом последовательно с постоянным напряжением смещения . В выходную цепь включены нагрузочное сопротивление и источник питания Е. До момента t1 считаем, что Uвх=0. Следовательно, в выходной цепи усилителя протекает только постоянная составляющапя тока Iс 0 (см. рис.3.4.2) Потенциал стока определяется выражением

Uco=E-IcoRн

Под действием переменного напряжения входного сигнала в выходной цепи происходит изменение тока . При положительной полярности Uвх мгновенное значение Uз уменьшается, вследствие чего транзистор приоткрывается, ток выходной цепи увеличивается. Этот ток создает на резисторе падение напряжения

URн(t)=iвых(t)Rн,

переменная составляющая которого представляет собой усиленное напряжение сигнала.

Практически усиленное выходное напряжение обычно снимается с резистора и источника питания. Это вызывается необходимостью заземления одного из электродов усилительного элемента, а также стремлением использовать общий источник для питания цепей выходных каскадов. В этом случае выходное напряжение определяется следующим выражением

. (3.2)

При увеличении выходное напряжение уменьшается. Следовательно, переменные напряжения на входе и на выходе в усилителях с общим катодом и истоком оказываются противофазными (рис.3.4). Действительно, при возрастании мгновенного входного напряжения выходной ток увеличивается, падение напряжения URн возрастает и выходное напряжение уменьшается. Таким образом, рассматриваемые схемы меняют фазу усиливаемого сигнала на 180.



Рис.3.4. Графики напряжений и токов в цепях усилителя: 1 - на управляющем электроде; 2- ток в выходной цепи; 3 - напряжения в выходной цепи.

3.5 Особенности построения усилительных каскадов на биполярных транзисторах

Принципиальная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общей базой приведена на рис.3.5.

Рис.3.5. Принципиальная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общей базой.

Усилительная схема представляет собой линейный четырехполюсник с двумя входными и двумя выходными клеммами. Поскольку транзистор имеет только три вывода, то один из них является общим для входной и выходной цепей усилителя. Обычно этот вывод соединяется с корпусом усилителя. Транзисторные усилители могут быть построены с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. Ламповые усилители бывают с общим катодом, с общим анодом и с общей сеткой. Наиболее часто усилительные схемы строятся с общим эмиттером или с общим катодом, что позволяет получить высокий коэффициент усиления и хорошие характеристики усилителя.

...