Схемотехника аналоговых электронных устройств

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ) 

А.С. Красько 

СХЕМОТЕХНИКА 

 АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 

Учебное пособие

2005 

1. ВВЕДЕНИЕ

Изучение дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» («Схемотехника АЭУ») необходимо в плане создания аналоговых устройств и их применения при разработке аналоговых трактов различных радиоэлектронных средств.

Данное учебное пособие не дает полного изложения материала в части получения строгих расчетных соотношений, указывая лишь методику их получения. В определенной степени оно схоже с учебными пособиями [1,2]. Но, в отличие от последних, данное пособие содержит не только тот минимум материала, который необходим студенту для понимания физических основ функционирования АЭУ, а еще и расчетные соотношения, позволяющие проектировать АЭУ. При необходимости более глубокого рассмотрения отдельных теоретических вопросов рекомендуется воспользоваться литературой, на которую есть ссылки в соответствующих разделах пособия. Естественным образом предполагается, что студент, приступивший к изучению курса "Схемотехника аналоговых электронных устройств", в достаточной мере владеет необходимыми математическими навыками, знаком с основными понятиями в области теории электрических цепей и полупроводниковых приборов.

2. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ТРАНЗИСТОРАХ 

2.1. Классификация усилительных устройств 

Одна из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, — усиление. Поэтому в курсе АЭУ особое внимание уделяется усилительным устройствам (УУ).

УУ называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В УУ входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы, такие УУ принято называть полупроводниковыми, или транзисторными.

УУ принято классифицировать по ряду признаков: 

▶ по характеру усиливаемых сигналов — УУ непрерывных (гармонических) и УУ импульсных сигналов;

▶ по диапазону рабочих частот — УУ постоянного тока (f_н=0 Гц) и УУ переменного тока. В свою очередь, УУ переменного тока в учебной литературе (и в данном пособии) подразделяются на:

 ◆ усилители звуковых частот (от 20 до 20000 Гц) или низкочастотные усилители;

 ◆ усилители высоких частот (ВЧ) (f_в до 300 МГц);

 ◆ усилители сверхвысоких частот (СВЧ) (f_в›300 МГц).

В специальной литературе принято классифицировать УУ переменного тока по диапазону рабочих частот согласно таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Границы частотных диапазонов 

Диапазон	Аббревиатура	Границы диапазона	Единицы измерения
Очень низкие частоты	ОНЧ	3–30000	Гц
Низкие частоты	НЧ	30–300	КГц
Средние частоты	СЧ	300–3000	КГц
Высокие частоты	ВЧ	3–30	МГц
Очень высокие частоты	ОВЧ	30–300	МГц
Ультравысокие частоты	УВЧ	300–3000	МГц
Сверхвысокие частоты	СВЧ	3–30	ГГц
Крайне высокие частоты	КВЧ	30–300	ГГц
Гипервысокие частоты	ГВЧ	300–3000	ГГц

 Кроме того, УУ ВЧ и СВЧ диапазонов подразделяются на:

• узкополосные (f_в/f_н<2, (f_в–f_н)≪f₀);

где f₀ — средняя частота рабочего диапазона УУ;

• широкополосные (f_в/f_н>2).

 ▶ импульсные усилители классифицируются по длительности усиливаемых импульсов на микро-, нано- и пикосекундные;

 ▶ по типу активных элементов УУ подразделяются на ламповые, транзисторные, квантовые и др.;

 ▶ по функциональному назначению УУ подразделяются на усилители напряжения, тока и мощности;

 ▶ по назначению УУ подразделяются на измерительные, телевизионные и т.д.

 Кроме рассмотренных основных признаков УУ могут классифицироваться по ряду дополнительных признаков — числу каскадов, типу питания, конструктивному исполнению и т.д.

2.2. Основные технические показатели и характеристики УУ

Рисунок 2.1. Структурная схема усилителя

Технические показатели УУ представляют собой количественную оценку его свойств. К техническим показателям относятся (рис. 2.1):

◆ входное сопротивление Z_вх. Чаще всего Z_вх носит емкостной характер;

◆ выходное сопротивление Z_вых. Чаще всего Z_вых носит так же емкостной характер;

◆ коэффициенты передачи:

 • по напряжению   или просто :

где φ — фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Значение |K| на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как K₀, называют коэффициентом усиления.

В логарифмических единицах:

K₀,dB = 20lgK₀.

Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):

K_Σ = K₁ * K₂ * … K_n,

K_Σ,dB = K₁,dB + K₂,dB + … + Kn,dB;

 • по току :

Для n-каскадных усилителей K_IΣ в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично K_Σ.

• по мощности K_P:

K_P = P_вых/P_вх.

Для n-каскадных усилителей K_PΣ в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично K_Σ, только

K_P,dB = 20lgK_p.

 • сквозные коэффициенты, например, сквозной коэффициент передачи по напряжению :

где E_c — ЭДС источника сигнала.

◆ коэффициент полезного действия:

КПД = P_пот/P₀,

где P_пот — максимальная выходная мощность усилителя; P₀ — мощность, потребляемая от источника питания.

Характеристики УУ служат для оценки искажения сигнала. Искажения — это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. В зависимости от происхождения они подразделяются на:

◆ искажения частотные, вызываемые неодинаковым усилением усилителя на разных частотах. Частотные искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазочастотной характеристике (ФЧХ).

АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Часто используют нормированную АЧХ, представленную на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 АЧХ УУ

Здесь Y — относительный (нормированный) коэффициент усиления:

Y = |K|/K₀,

Y,dB = 20lgY.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах в точности совпадает с выражениями для K и получается из последних путем замены K на Y.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений M:

M = 1/Y = K₀/|K|,

M,dB = 20lgM.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах также в точности совпадает с выражениями для K и получается из последних путем замены K на M.

По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют нижнюю f_н и верхнюю f_в граничные частоты, полосу рабочих частот Δf, равную:

Δf = f_в – fн.

◆ искажения фазовые, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих спектра сигнала. Фазовые искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

Рисунок 2.3 ФЧХ УУ

Зависимость угла сдвига по фазе между входным и выходным сигналами от частоты оценивается по ФЧХ, для резистивного каскада имеющей вид, представленный на рис. 2.3.

В импульсных усилителях форма выходного напряжения зависит от переходных процессов в цепях, содержащих LC элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в ИУ переходными, пользуются переходной характеристикой (ПХ).

ПХ усилителя это зависимость мгновенного значения напряжения (тока) на выходе от времени U_вых=f(t) при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).

Рисунок 2.4. ПХ УУ

◆ переходные искажения измеряют при подаче на вход идеального прямоугольного импульса. Они разделяются на искажения фронта и искажения плоской вершины импульса (рис. 2.4).

◆ искажения фронта характеризуются:

 • временем установления t_у, т.е. временем нарастания амплитуды импульса от 0,1U_m до 0,9U_m;

 • выбросом фронта импульса δ, определяемым отношением амплитуды выброса ΔU к амплитуде установившегося режима U_m;

 • временем запаздывания t_з относительно входного сигнала по уровню 0,1U_m.

◆ Искажения плоской вершины импульса Δ характеризуется величиной спада напряжения ΔU_m за время длительности импульса:

Δ,% = ΔU_m/U_m·100%.

 Для n-каскадных некорректированных УУ (каскады включены последовательно) результирующее время установления фронта и спад плоской вершины импульса можно оценить следующим образом:

Δ_Σ = Δ₁ + Δ₂ + … +Δ_n.

АЧХ и ПХ отражают одни и те же физические процессы в различной форме (частотной и временной). Связь частотных и временных искажений иллюстрируется рис. 2.5.

Рисунок 2.5. Связь АЧХ и ПХ

◆ Нелинейные искажения (искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов. Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник K_г, который представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока, мощности) высших гармоник, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (току, мощности) основной частоты (первой гармоники) при подаче на вход гармонического колебания основной частоты (при частотно-независимой нагрузке):