ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет Радиотехнический факультет Красноярск, 2008
А. Г. Григорьев А. И. Громыко В. Д. Скачко Схемотехника аналоговых электронных устройств Кафедра «Приборостроение и телекоммуникации» Красноярск, 2008
УДК ББК 64. 38 32. 844 Г 83 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» подготовлен в рамках инновационной образовательной программы «Информатизация и автоматизированные системы управления» , реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г. Рецензенты: Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин Г 83 Громыко, А. И. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Презентационные материалы. Версия 1. 0 [Электронный ресурс] : наглядное пособие / А. И. Громыко, А. Г. Григорьев, В. Д. Скачко. – Электрон. дан. (4 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Схемотехника аналоговых электронных устройств : УМКД № 46 -2007 / рук. творч. коллектива А. И. Громыко). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 4 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Microsoft Power. Point 2003 или выше. ISBN 978 -5 -7638 -1489 -7 (комплекса) ISBN 978 -5 -7638 -1490 -3 (пособия) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802722 от 20. 12. 2008 г. (комплекса) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802723 от 20. 12. 2008 г. (пособия) Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» , включающего учебную программу, учебное пособие «Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий» , методические указания по практическим занятиям, методические указания по курсовому проектированию, методические указания по самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Схемотехника аналоговых электронных устройств. Банк тестовых заданий» . Представлена презентация (в виде слайдов) теоретического курса «Схемотехника аналоговых электронных устройств» . Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 210200. 62 «Радиотехника» укрупненной группы 210000 «Электроника, радиотехника и связь» . © Сибирский федеральный университет, 2008 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при Кр. ЦНИТ Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм. Подп. к использованию 01. 09. 2008 Объем 4 Мб Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Оглавление 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Введение Усиление сигналов в АЭУ Спектральные характеристики Динамический режим работы усилителя Расчет аналоговых электронных устройств Импульсные усилители Термостабильность Широкополосные усилители 9. Специализированные каскады АЭУ 10. Схемы на биполярных и полевых транзисторах 11. Каскадные схемы 12. Оконечные каскады АЭУ 4
Введение
• Целью изучения дисциплины «Схемотехника АЭУ» является формирование знаний и навыков исследования и проектирования устройств аналоговой электроники. • Задачи курса: изучение физических закономерностей прохождения сигналов через пассивные и активные четырехполюсники, правил построения математических моделей электронных схем приобретение навыков анализа и расчета, проектирования электронных схем и настройки аналоговых радиотехнических устройств. • Базой или фундаментом курса являются дисциплины: «Высшая математика» , «Физика» , «Информатика» , «Общая теория цепей» , «Микроэлектроника» Введение 6
Программа дисциплины САЭУ • Дисциплина общей трудоемкостью в 140 академических часов, из которых: лекции 34 часа, лабораторные работы 34 часа, практические занятия – 17 часов, курсовое проектирование, самостоятельная работа – 55 часов. • Самостоятельная работа предусматривает освоение лекционного курса, подготовку к 6 лабораторным работам, самостоятельную проработку отдельных разделов лекционного курса, выполнение курсового проекта. Аттестация по дисциплине включает оценки за проект и экзамен Введение 7
Библиографический список Войшилло, Г. В. Усилительные устройства / Г. В. Войшилло. – М. : Радио и связь, 1983. Юзов, В. И. Усилительные устройства / В. И. Юзов. – КГТУ, 1993. Войшилло, Г. В. Усилительные устройства / Г. В. Войшилло. – М. : Радио и связь, 1975. Сергеев, В. М. Электроника. Ч. 1. Элементная база, аналоговые функциональные устройства : учеб. пособие / Г. В. Войшилло. – Томск : Изд-во ТПУ, 2005. – 132 с. Лурье, О. Б. Усилители видеочастоты / О. Б. Лурье. – М. : Советское радио, 1961. Введение 8
Библиографический список Усилительные устройства : учеб. пособие для вузов / под ред. О. В. Головина. – М. : Радио и связь, 1993. Остапенкою, Г. С. Усилительные устройства: учеб. пособие для вузов / Г. С. Остапенкою. – М. : Радио и связь, 1989. Юзов, В. И. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей. Ч. 1– 3 / В. И. Юзов. – Красноярск : Кр. ПИ, 1983. Легостаев, Н. С. Методы анализа и расчета электронных схем : руководство к организации самостоятельной работы / Н. С. Легостаев, К. В. Четвергов. – Томск : Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2006. – 215 с. Введение 9
Библиографический список Сергеев, В. М. Электроника. Ч. 1. Элементная база, аналоговые функциональные устройства : учеб. Пособие / В. М. Сергеев. – Томск : Изд-во ТПУ, 2005. – 132 с. Введение 10
В электронике носителями информации являются электрические (электромагнитные) сигналы. Информационными параметрами сигналов является период, частота, амплитуда и фаза. Аналитически сигналы могут быть представлены: • во временной области (изменение параметра сигнала как функция времени); • в частотной области (в виде спектральной плотности) Введение 11
Детерминированный процесс может быть задан математически вполне определенной функцией времени. Наиболее важным классом непрерывных детерминированных сигналов являются периодические, удовлетворяющие при 0<t<∞ условию: S (t) = S(t + m. T), где m – любое целое число, T – период повторения. Введение 12
S (t) φ Um t T Временное представление гармонического сигнала с начальной фазой φ Введение 13
Для колебания модулированного по амплитуде имеем: Поскольку то Спектр АМ гармонического сигнала Введение Простейшее АМ колебание, огибающая которого изменяется по гармоническому закону, можно представить в виде суммы трех гармонических составляющих. 14
Для спектрального представления периодических сигналов наибольшее практическое применение нашло разложение в виде суммы гармонических составляющих (гармоник ряда Фурье). Частотный спектр периодического сигнала носит дискретный характер, так как состоит из отдельных «линий» , соответствующих дискретным частотам Введение 15
Периодическая последовательность импульсов (а) и их частотный спектр (б): 1/Т – частота повторения импульсов; – длительность импульса; q =T/ – скважность. где Введение – круговая частота i-й гармоники. 16
Коэффициенты an, b n вычисляются по формулам: Введение 17
Введение понятия частотного спектра сигнала позволяет сопоставить свойства канала связи (его широкополосность) с шириной спектра сигнала. Например, телевизионный сигнал, ширина спектра которого превышает 10– 106 Гц, невозможно передать по телефонной проводной паре, полоса пропускания которой составляет всего несколько десятков килогерц Введение 18
Спектральная плотность одиночного импульса с амплитудой А и длительностью u Искажения сигнала, прошедшего через цепь с «узкой» полосой пропускания Введение 19
Для непериодического сигнала, значение частоты первой гармоники, и интервал между соседними гармониками будет стремиться к нулю, т. е. спектр становится сплошным, а амплитуды гармоник (коэффициенты ряда Фурье) станут бесконечно малыми Введение 20
Предельный переход от дискретного ряда Фурье к сигналу с Т описывается интегралом Фурье Спектральная плотность, физически означающая распределение мощности сигнала по диапазону частот Введение 21
Усиление сигналов в АЭУ
Принцип усиления электрических сигналов можно рассматривать, как процесс преобразования энергии источника питания в энергию сигнала в нагрузке (выходного сигнала) под воздействием маломощного управляющего (входного) сигнала Схема показывает, что термины ‘’входной’’ сигнал, "выходной" сигнал не означают "прохождение" входного сигнала через усилительное устройство в нагрузку – входной сигнал лишь управляет процессом преобразования энергии в результате, которого и формируется сигнал в нагрузке, форма которого, в общем случае, может не повторять форму входного сигнала Усиление сигналов в АЭУ 23
Практически все усилительные устройства строятся по многокаскадной схеме. В этом случае усилитель содержит выходной каскад, обеспечивающий требуемую энергию в нагрузке, и один или несколько предварительных каскадов, которые последовательно усиливают уровень входного сигнала до значения, необходимого для управления выходным каскадом. Нагрузкой предварительного каскада является входная цепь последующего каскада. Схематическое изображение двухкаскадного усилителя Усиление сигналов в АЭУ 24
В состав каждого усилительного каскада обязательно входит собственно усилительный элемент и вспомогательные цепи: – цепи питания и термостабилизации режима по постоянному току; – элементы межкаскадной связи или связи с источником сигнала и нагрузкой; – элементы коррекции амплитудно-частотных, фазочастотных и переходных характеристик (АЧХ, ФЧХ, ПХ); – цепи фильтрации по питанию; – цепи обратной связи; – цепи регулирования АЧХ, ФЧХ, ПХ. Усиление сигналов в АЭУ 25
Классификация усилителей Практически для всех классов усилителей используют три группы показателей: – энергетические; – спектральные; – временные. Усиление сигналов в АЭУ 26
Энергетические показатели: – – – входные и выходные параметры; коэффициент усиления; амплитудная характеристика; динамический диапазон; коэффициенты нелинейных искажений и нелинейности; – уровень шумов, фона, наводок Усиление сигналов в АЭУ 27
Спектральные показатели: – – – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); фазочастотная характеристика (ФЧХ); рабочий диапазон частот; амплитудно-фазовая характеристика; коэффициенты частотных и фазовых искажений Усиление сигналов в АЭУ 28
Временные показатели: – переходная характеристика: – время установления; – время запаздывания; – выброс; – спад вершины. Для оценки свойств усилителей гармонических сигналов используют спектральные и энергетические показатели. Для оценки свойств усилителей импульсных сигналов используют временные и спектральные показатели. Усиление сигналов в АЭУ 29
Входные и выходные параметры Структурная схема усилителя Входные параметры: связаны соотношениями: Усиление сигналов в АЭУ 30
Выходные параметры: Pвых; RН; U вых = U 2; I вых = I 2, . Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по току: Сквозной коэффициент усиления по напряжению: Усиление сигналов в АЭУ 31
Cквозной коэффициент усиления по току: Общий коэффициент усиления для N-каскадного усилителя Коэффициенты усиления в логарифмических единицах (д. Б): Выраженные в децибелах коэффициенты усиления отдельных каскадов складываются: Усиление сигналов в АЭУ 32
Амплитудная характеристика и динамический диапазон • Снизу данная кривая ограничена шумами, а сверху – нелинейными свойствами усилительного каскада. • По АХ определяют динамический диапазон усилителя. Усиление сигналов в АЭУ 33
• Для оценки динамического диапазона (д. Б) используют равенство • Аналогично можно определить и динамический диапазон сигнала, при котором имеет место неискаженное усиление: Усиление сигналов в АЭУ 34
Динамическая характеристика (ДХ) – зависимость мгновенного значения выходной величины (или) от мгновенного значения входной. Данная характеристика позволяет оценить нелинейные свойства усилителя. Эти свойства проявляются в дополнительных спектральных cоставляющих в спектре сигнала на выходе усилительного устройства Усиление сигналов в АЭУ 35
В усилителях уровень нелинейных искажений оценивают с помощью коэффициента гармоник: Усиление сигналов в АЭУ 36
Помехи, фон, шумы Помехи – посторонние сигналы, проникающие на вход усилителя или на вход отдельных каскадов усилителя. Фон – напряжение на выходе усилителя с частотой, кратной частоте сети переменного тока. Шум – обусловлен внутренними помехами, возникает в результате теплового движения свободных электронов в активных и пассивных элементах схемы. Дрейф – разновидность внутренних помех, проявляется в изменении уровня выходного напряжения при постоянном входном Усиление сигналов в АЭУ 37
Спектральные характеристики
Спектральные характеристики • Рабочий диапазон частот задается двумя значениями частоты на уровне – 3 д. Б: – fн – значение нижней частот; – fв – значение верхней частоты, рассматриваемого диапазона частот. АЧХ, амплитудно-частотная характеристика – зависимость модуля коэффициента усиления от частоты: Спектральные характеристики 39
Амплитудно-частотные характеристики усилителя а – зависимость модуля коэффициента усиления от частоты; b – АЧХ относительного коэффициента усиления; c, d – АЧХ в логарифмическом масштабе Спектральные характеристики 40
ФЧХ, амплитудно-фазовая характеристика – зависимость фазового сдвига между выходным и входным сигналами от частоты Фазочастотные характеристики усилителя: а – в линейном масштабе; b – в логарифмическом масштабе частоты Наряду с АЧХ и ФЧХ используют амплитудно-фазовую характеристику. Спектральные характеристики 41
Представив комплексный коэффициент усиления в виде модуля и фазы, исключают переменную и строят в полярных координатах зависимость (годограф) Годограф. Амплитудно-фазовая характеристика сигналов Спектральные характеристики 42
Наряду с нелинейными искажениями в усилителе возможны линейные искажения, вызванные наличием реактивных элементов. Для оценки линейных искажений используют коэффициенты частотных и фазовых искажений ФЧХ усилителя Спектральные характеристики 43
Частотные искажения определяются через относительные коэффициенты усиление на fн и fв: Коэффициент частотных искажений: Уровень искажений можно оценить в децибелах (д. Б): Спектральные характеристики 44
Фазовые искажения определяются отклонением текущего значения угла фазового сдвига , реального усилителя от идеальной ФЧХ. Идеальная ФЧХ – прямая линия. Спектральные характеристики 45
Временные параметры Переходная характеристика (ПХ) отражает зависимость мгновенного значения выходного напряжения или коэффициента усиления от времени, при подаче на вход усилителя единичного скачка напряжения. Спектральные характеристики 46
Между временем установления и верхней граничной частотой по уровню – 3 д. Б существует простая связь: Время установления N‑каскадного усилителя можно определить по формуле Спектральные характеристики 47
Связь между АЧХ, ФЧХ, ПХ, метод диаграмм Боде Переходную характеристику можно получить следующим образом: где комплексный коэффициент передачи усилителя, т. е. зная одну из характеристик, всегда можно получить оставшиеся две. Физически это означает, что форма АЧХ, ФЧХ, ПХ определяется одними и теми же элементами схемы. Спектральные характеристики 48
Обобщенная эквивалентная схема входной цепи усилителя Эквивалентная схема входной цепи для НЧ Спектральные характеристики 49
Эквивалентная схема входной цепи для ВЧ Интегрирующая цепь Спектральные характеристики 50
Для построения АЧХ, ФЧХ существует технический прием – метод диаграмм Боде. Рассмотрим конкретные примеры. Интегрирующая цепь – ФНЧ. Передаточная функция данной цепи в операторной форме имеет следующий вид: где – постоянная времени цепи. Спектральные характеристики 51
Динамический режим работы усилителя
Динамический режим работы усилителя Выходная цепь усилительного каскада Динамический режим работы усилителя Нагрузочная характеристика усилительного каскада 53
При выборе положения рабочей точки учитываются: • • • линейность усиления и уровень усиления; потребляемая мощность; условие эксплуатации У. Э. ; способ включения У. Э. ; работа в активном режиме. Динамический режим работы усилителя 54
Нагрузочная характеристика транзистора усилительного каскада Динамический режим работы усилителя 55
Входная динамическая характеристика • ВДХ – зависимость мгновенного значения входного тока от входного напряжения Входная динамическая характеристика транзисторного каскада усилителя Динамический режим работы усилителя 56
Сквозная динамическая характеристика • Строится СДХ на основе построенных входных характеристик. • По результатам построения входной динамической характеристики находят ЭДС источника по формуле , где: , Динамический режим работы усилителя Сквозная динамическая характеристика транзисторного каскада усилителя 57
Режим работы усилительного элемента • Усилительный элемент работает без отсечки тока. Данный режим характеризуется высокой линейностью, т. е. низким уровнем нелинейных искажений. Однако КПД низкий (≤ 50 %), так как даже в отсутствие сигнала от источника потребляется Эпюры, поясняющие работу усилителя постоянный ток. в режиме «А» Динамический режим работы усилителя 58
Режим работы усилителя «В» Эпюры, поясняющие работу усилителя в режиме «В» Динамический режим работы усилителя Ток покоя в режиме «В» очень мал. В идеальном случае равен нулю. Транзистор работает с отсечкой тока, КПД до 79 %. Высокий уровень нелинейных искажений. Режим «В» используется в двухтактных каскадах 59
Режим «АB» • «АВ» – промежуточный режим работы усилителя между режимом «А» и режимом «В» Эпюры, поясняющие работу усилителя в режиме «АВ» Динамический режим работы усилителя 60
Режим «С» • «С» – применяется в усилительных каскадах, работающих на избирательную нагрузку (например, колебательный контур). Эпюры, поясняющие работу усилителя в режиме «С» Динамический режим работы усилителя 61
Выводы Построение ДХ позволяет быстро оценить практически все энергетические параметры усилительного каскада. Область использования ДХ: • приближенные вычисления; • проверка энергетических расчетов на грубые ошибки. Динамический режим работы усилителя 62
Расчет аналоговых электронных устройств
Реостатный каскад Схема принципиальная электрическая реостатного усилителя Расчет аналоговых электронных устройств 64
Наибольшее применение нашли два метода расчета реостатного каскада. Эквивалентная схема резистивного каскада усилителя для первого метода расчета Расчет аналоговых электронных устройств 65
Эквивалентная схема реостатного каскада усилителя для второго метода расчета Расчет аналоговых электронных устройств 66
Первый метод расчета реостатного каскада Входной контур эквивалентной схемы Расчет аналоговых электронных устройств 67
Электрическая схема реостатного каскада после преобразования и принятых допусков Расчет аналоговых электронных устройств 68
Электрическая схема реостатного для средних частот Электрическая схема реостатного каскада для верхних частот Расчет аналоговых электронных устройств 69
Эквивалентная схема реостатного каскада для области нижних частот Расчет аналоговых электронных устройств 70
С понижением частоты падает коэффициент усиления. Фазовый сдвиг увеличивается с понижением частоты. АЧХ и ФЧХ каскада усилителя на нижних частотах Расчет аналоговых электронных устройств 71
На высоких частотах: АЧХ и ФЧХ каскада усилителя для области верхних частотах • Коэффициент усиления с ростом частоты падает. Предельный фазовый сдвиг при равен Расчет аналоговых электронных устройств 72
Средние частоты Эквивалентная схема каскада усилителя для средних частот Сопротивление нагрузки в данной схеме определяется соотношением: Расчет аналоговых электронных устройств 73
Расчет аналоговых электронных устройств 74
Область нижних частот Эквивалентная схема усилительного каскада в области нижних частот: Расчет аналоговых электронных устройств 75
Схема, поясняющая преобразования источника тока в источник ЭДС Расчет аналоговых электронных устройств 76
АЧХ И ФЧХ в области нижних частот Расчет аналоговых электронных устройств 77
Область верхних частот Эквивалентная схема усилительного каскада для области верхних частот Упрощенная схема усилительного каскада для верхних частот Расчет аналоговых электронных устройств АЧХ И ФЧХ усилительного каскада на верхних частотах 78
Второй метод расчета реостатного каскада Обобщенная эквивалентная схема реостатного каскада для второго метода расчета Расчет аналоговых электронных устройств 79
Упрощенная эквивалентная схема усилительного каскада для области средних частот Расчет аналоговых электронных устройств 80
Область нижних частот Эквивалентная схема усилительного каскада для области нижних частот Расчет аналоговых электронных устройств 81
Зависимость относительного коэффициента усиления на нижних частотах от Ср Расчет аналоговых электронных устройств 82
Область верхних частот Обобщенная эквивалентная схема усилительного каскада для области верхних частот Расчет аналоговых электронных устройств 83
Эквивалентная схема для ВЧ после преобразования Расчет аналоговых электронных устройств Зависимость относительного коэффициента усиления на верхних частотах от С 0 84
Влияние элементов цепи автосмещения на характеристики реостатного каскада Входная цепь усилительного каскада с учетом сопротивления Rэо Расчет аналоговых электронных устройств 85
Область нижних частот Зависимость коэффициента усиления в области нижних частот от величины Сэ Расчет аналоговых электронных устройств Зависимость коэффициента усиления в области нижних частот от величины Сэ0 и Rэ0 86
Выводы Наиболее широко реостатный каскад используется в качестве промежуточного каскада. Основное требование к реостатному каскаду: обеспечить требуемые значения и допустимый уровень частотных искажений. При расчетах реостатного каскада используются упрощенные эквивалентные схемы первого порядка. Расчет аналоговых электронных устройств 87
Импульсные усилители
Импульсные усилители Единичный скачок на входе усилительного каскада Переходная характеристика усилительного каскада
Переходная характеристика многокаскадного усилителя Испытательный импульс на входе первого и второго усилителя Ступенчатая аппроксимация переходной характеристики усилителя
Кусочно-линейная аппроксимация переходной характеристики усилителя
Реостатный каскад на полевом транзисторе Переходная характеристика при различных значениях коэффициента корреляции k
Каскад с коррекцией в области больших времен Переходная характеристика усилительного каскада в области больших времен при различных значениях Сф
Каскад с коррекцией в области больших времен
Каскад с коррекцией в области больших времен
Выводы При анализе и проектировании импульсных усилителей основным методом является временной метод, основанный на изучении переходной характеристики. Различным корням характеристического уравнения соответствует монотонный или колебательный переходный процесс. Наименьшая длительность фронта свойственна колебательному переходному процессу (корни комплексно-сопряженные). Однако в этом случае из переходной характеристики имеется выброс. Наибольшее время установления свойственно случаю действительных различных корней. Случай действительных кратных корней (критический режим) занимает промежуточное положение по времени установления.
Выводы В случае многокаскадного усилителя важным параметром является критический выброс, т. е. такой, который не изменяется с ростом числа каскадов. При этом анализ таких усилителей можно проводить на основе интеграла Дюамеля. Добавление к реостатному каскаду элементов коррекции позволяет перейти от монотонного переходного процесса к колебательному и критическому. Это позволяет искать оптимальную переходную характеристику в области трех вариантов значений корней характеристического уравнения.
Выигрыш по времени установления при использовании корректированных каскадов при критическом выбросе (колебательная переходная характеристика) составляет примерно 1, 7. В области больших времен коррекция спада вершины достигается выбором элементов фильтра в коллекторной цепи. Оптимальной переходной характеристикой считается максимально плоская. Выигрыш в величине выброса определяется соотношением между сопротивлением фильтра и коллектора: чем больше отношение, тем меньше выброс в корректированном каскаде.
Термостабильность
Каскад на биполярном транзисторе Способ стабилизации рабочей точки транзистора фиксацией тока базы Термостабильность Способ стабилизации рабочей точки транзистора фиксацией напряжения база – эмиттер 100
Цепи питания электронных схем должны удовлетворять двум основным требованиям: • обеспечить рассчитанный режим работы транзистора по постоянному току; • обеспечить минимум отклонения от этого режима. Термостабильность 101
Способ с эмиттерной стабилизацией рабочей точки транзистора Термостабильность Обобщенная эквивалентная схема питания транзистора по постоянному току 102
Цепь с коллекторной стабилизацией режима работы транзистора по постоянному току Термостабильность 103
Расчет термостабильности Входные статистические характеристики транзистора Термостабильность 104
Эквивалентная схема к расчету термостабильности Термостабильность 105
Эквивалентная схема для расчета термостабильности Термостабильность 106
Схема питания с термокомпенсирующим диодом Термостабильность ВАХ диода 107
ВАХ полевого транзистора Термостабильность 108
• У полевых транзисторов ток затвора очень мал. У МОП транзисторов эта величина порядка А. У транзисторов с управляемым p–n-переходом А. • При изменении температуры этот ток может изменятся в раза. Ток стока сложным образом зависит от температуры. • У МОП транзисторов он может увеличиваться, уменьшаться или оставаться постоянным при изменении температуры. Термостабильность 109
Цепи питания полевого транзистора Эквивалентная схема для расчета термонестабильности транзистора Термостабильность 110
Коэффициенты чувствительности Схема стабилизации биполярного транзистора Термостабильность 111
Выводы При анализе термостабильности схемы на биполярном транзисторе необходимо учитывать температурную зависимость: – обратного тока коллектора; – напряжения на переходе база – эмиттер; – коэффициента передачи тока базы. Термостабильность 112
Выводы • Целесообразно рассматривать транзистор как элемент, зависящий от температуры, а источники температурной нестабильности и объединить с внешними источниками. • Стабильность тока коллектора для различных цепей питания определяется величиной резисторов и Термостабильность 113
• Для повышения термостабильности используют термокомпенсирующие элементы (диоды, терморезисторы, транзисторы в диодном включении). • Наибольшее влияние на температурную нестабильность тока стока оказывают три фактора: – температурная зависимость тока затвора; – температурная зависимость начального тока стока; – температурная зависимость напряжения затвор исток. • Повысить термостабильность в схемах на полевых транзисторах можно введением обратных связей. Термостабильность 114
Широкополосные усилители
Широкополосные усилители 1. Коррекция 2. КУ в линейных схемах
Широкополосные усилители Схема каскада с параллельной коррекцией Эквивалентная схема цепи нагрузки при параллельной коррекции
Простая параллельная коррекция АЧХ усилителя при различных значениях коэффициента коррекции
Эмиттерная коррекция АЧХ усилителя в области НЧ при различных значениях Сф
Эмиттерная коррекция
НЧ коррекция Цепь коллектора с фильтром Rф, Сф
НЧ коррекция АЧХ в области НЧ при различных значениях Сф
НЧ коррекция Эквивалентная схема
НЧ коррекция
Выводы • Для построения широкополосных усилителей используют специальные типы каскадов (ОЭ – ОБ, ОЭ – КП) с коррекцией, которые позволяют на порядок увеличить площадь усиления по сравнению с простым реостатным каскадом. • Специальные типы каскадов с коррекцией позволяют увеличить полосу пропускания в области НЧ или ВЧ. В соответствии с этим коррекцию подразделяют на НЧ и ВЧ, на простую и сложную. В основном используется простая параллельная коррекция
Выводы • При простой параллельной коррекции в выходную цепь усилительного каскада включают индуктивность. Индуктивность совместно с емкостью нагрузки образует параллельный колебательный контур, что приводит к росту сопротивления нагрузки и подъему АЧХ в области верхних частот. • Простая параллельная коррекция индуктивностью используется в ламповых каскадах и каскадах на полевых транзисторах.
Выводы • Основной вид коррекции в усилительных каскадах на транзисторах – коррекция эмиттерной противосвязью. • Выигрыш в площади усиления примерно такой же, как и в случае простой параллельной коррекции.
Элементы аналоговых устройств на базе ОУ Инвертирующий усилитель Включение ОУ по схеме повторителя напряжения Широкополосные усилители 128
Элементы аналоговых устройств на базе ОУ Неинвертирующий усилитель ОУ Дифференциальное включение ОУ Широкополосные усилители 129
Суммирующий усилитель Усилитель с регулируемым усилением Функциональная схема интегратора Простейшая схема интегратора на ОУ Широкополосные усилители 130
Дифференциатор Функциональная схема дифференциатора Широкополосные усилители Простейшая схема дифференцирования сигнала 131
Источники опорного напряжения Широкополосные усилители 132
Выпрямители и детекторы сигналов Схема однополупериодного выпрямителя Широкополосные усилители 133
Логарифмический усилитель Умножитель аналоговых сигналов Широкополосные усилители 134
Генераторы гармонических колебаний Функциональная схема генератора Обычно строятся генераторы с мостом Винна Широкополосные усилители 135
Преобразователи тока в напряжение Идеальный источник тока имеет бесконечно большое выходное сопротивление и его выходной ток не зависит от нагрузки «Идеальный» источник тока Широкополосные усилители 136
Релаксационный генератор УПТ с гальваническими связями Широкополосные усилители 137
Усилитель постоянного тока Характеристики усилителя постоянного тока УПТ с гальваническими связями Широкополосные усилители 138
Выводы В зависимости от используемых в ОУ параметров цепи обратной связи реализуют схемы, выполняющие различные функции, включая выполнение математических операций с поступающими на вход ОУ сигналами. Широкополосные усилители 139
Специализированные каскады АЭУ
Интегрирующая цепь – ФНЧ А – АЧХ, b – ФЧХ интегрирующей цепи Специализированные каскады АЭУ 141
Интегрирующая цепь – ФНЧ Диаграммы Боде для интегрирующей цепи Специализированные каскады АЭУ 142
Интегрирующая цепь – ФНЧ АЧХ интегрирующей цепи в логарифмическом масштабе Специализированные каскады АЭУ 143
Дифференцирующая цепь – ФВЧ Дифференцирующая цепь Структурная схема усилительного каскада Специализированные каскады АЭУ 144
Дифференцирующая цепь – ФВЧ АЧХ и ФЧХ дифференцирующей цепи Специализированные каскады АЭУ 145
Дифференцирующая цепь – ФВЧ Диаграмма Боде для АЧХ и ФЧХ дифференцирующей Специализированные каскады АЭУ 146
Диаграмма Боде для АЧХ усилительного каскада Дифференцирующая цепь Специализированные каскады АЭУ 147
АЧХ дифференцирующей цепи, построенная в логарифмическом масштабе Специализированные каскады АЭУ 148
Интегрирующая цепь АЧХ интегрирующей цепи, в логарифмическом масштабе Специализированные каскады АЭУ 149
Линеаризованная модель усилителя с обратной связью Специализированные каскады АЭУ 150
• Усиление усилителя с обратной связью не зависит от параметров исходного усилителя, а полностью определяется параметрами цепей прямой и обратной связи. • Глубина ООС показывает, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления каскада при введении отрицательной обратной связи Специализированные каскады АЭУ 151
Классификация цепей ОС Структурная схема усилителя с обратной связью по току Специализированные каскады АЭУ 152
Классификация цепей ОС Структурная схема усилителя с обратной связью по напряжению Специализированные каскады АЭУ 153
Классификация цепей ОС Структурная схема с комбинированной обратной связью по выходу Специализированные каскады АЭУ 154
Классификация цепей ОС Последовательная обратная связь по входу Специализированные каскады АЭУ Параллельная обратная связь по входу 155
Классификация цепей ОС Комбинированная обратная связь по входу Специализированные каскады АЭУ 156
Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по входу и выходу Специализированные каскады АЭУ Структурная схема усилителя с параллельной обратной связью по входу и выходу 157
Структурная схема усилителя с параллельной обратной с последовательной связью по входу обратной связью по входу и последовательной по выходу и параллельной по выходу Специализированные каскады АЭУ 158
Примеры схем с различными видами обратной связи Функциональная и принципиальная электрические схемы усилителя с ООС последовательной по входу и выходу Специализированные каскады АЭУ 159
Функциональная и принципиальная электрические схемы усилителя с ООС параллельной по входу и выходу Специализированные каскады АЭУ 160
Функциональная и принципиальная электрические схемы усилителя с ООС параллельной по выходу и последовательной по выходу • Учитывая, что даже в схеме без реактивных элементов присутствуют паразитные связи и наводки, частотонезависимых связей нет. Специализированные каскады АЭУ 161
Схемы на биполярных и полевых транзисторах
Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером Условное обозначение биполярного p–n–p–n-транзистора Эквивалентная схема биполярного транзистора Эквивалентная схема транзистора – «схема Джиаколетто» Схемы на биполярных и полевых транзисторах 163
Определение параметров эквивалентной схемы по справочным данным Обычно в справочниках приводятся следующие параметры: – постоянная времени ОС транзистора; – емкость коллектора при const; – емкость эмиттера при const; – минимальное значение коэффициента передачи тока базы; Схемы на биполярных и полевых транзисторах 164
– максимальное значение коэффициента передачи тока базы; – граничная частота передачи тока базы. Схемы на биполярных и полевых транзисторах 165
Эквивалентная схема биполярного транзистора Входное сопротивление: Схемы на биполярных и полевых транзисторах 166
При коэффициент усиления по напряжению: График, отражающий частотную зависимость модуля входного сопротивления транзистора Схемы на биполярных и полевых транзисторах 167
Полевой транзистор в схеме с общим истоком В полевых транзисторах Условное обозначение на схемах полевого транзистора Обобщенная эквивалентная схема полевого транзистора Схемы на биполярных и полевых транзисторах 168
Эквивалентная схема полевого транзистора после преобразования Схемы на биполярных и полевых транзисторах 169
Шумовые эквивалентные схемы Эквивалентная схема транзистора как источника шума В полевом транзисторе суммарный шум определяется двумя источниками. Шумовым током в канале. Источник этого шумового тока включен аналогично . Обычно этот источник учитывают при высокоомном сопротивлении источника входного сигнала. Схемы на биполярных и полевых транзисторах 170
Схемы на биполярных и полевых транзисторах 171
Выводы Расчет режима работы по постоянному току выполняют в два этапа: 1) определяют напряжение, токи смещения, обеспечивающие работоспособность усилительного каскада при подаче на вход усиливаемого сигнала; 2) определяют методы стабилизации напряжения, токов смещения и параметров УЭ при воздействии различных дестабилизирующих факторов. При анализе работы УЭ по переменному току, различают следующий режим: квазистатический режим, при котором зависимостью параметров УЭ от частоты можно пренебречь. Схемы на биполярных и полевых транзисторах 172
Каскадные схемы
Эмиттерный и истоковый повторители Каскадные схемы 174
Эмиттерный повторитель Эквивалентная схема усилительного каскада с ОК Схема каскада с ОК и компенсацией влияния базового Каскадные схемы 175
Анализ каскада повторителя показывает, что входное сопротивление определяется не только сопротивлением нагрузки, но и сопротивлением Схема каскада с ОК и компенсацией влияния базового Для повышения входного сопротивления в разы используют следующие меры: 1) уменьшают ток коллектора; 2) применяют гальваническую связь ЭП со следующим каскадом; 3) используют сложные схемы эмиттерных повторителей. Каскодные схемы 176
Истоковый повторитель (каскад с ОИ) Каскодные схемы 177
Каскад с общей базой и общим затвором Представление каскада с ОБ в виде каскада с ОЭ со 100 % ООС Каскодные схемы Электрическая принципиальная схема каскада с ОБ 178
Каскадная схема. Составные транзисторы Каскадное соединение транзисторов (секция ОЭ – ОБ) Принципиальная электрическая схема каскадного усилителя (секция ОЭ – ОБ) Каскодные схемы 179
Схемы составных транзисторов Каскадные схемы 180
Схемы составных транзисторов ОЭ – ОК Каскодные схемы Составной транзистор ОК – ОК (схема Дарлингтона) 181
Генераторы стабильного тока Схема генератора стабильного тока Каскодные схемы 182
Каскадные схемы 183
Каскадные схемы 184
Выводы • Эмиттерный и истоковый повторители используются для увеличения входного и уменьшения выходного сопротивлений усилителя. • Каскад с общей базой по сравнению с каскадом с общим эмиттером обладает пониженным значением входного сопротивления и повышенным – выходного. Используется в каскадных схемах, в качестве отдельного усилительного каскада используется редко. Каскадные схемы 185
Выводы • Составные транзисторы применяются для улучшения усилительных и частотных свойств как отдельных каскадов, так и усилителя в целом. • Генераторы стабильного тока являются элементами интегральной схемотехники и по своим свойствам приближаются к идеальному источнику тока (ток в нагрузке остается неизменным при любом изменении нагрузки) Каскадные схемы 186
Оконечные каскады АЭУ
Особенности оконечных каскадов Функциональная схема трансформаторного каскада Графическое представление работы усилительного каскада в режиме «А» Оконечные каскады АЭУ 188
Двухтактные усилительные каскады Условное обозначение двухтактного усилительного каскада Оконечные каскады АЭУ 189
Двухтактные усилительные каскады Фазоинверсный каскад с раздельной нагрузкой Принципиальная электрическая схема фазоинвертора Оконечные каскады АЭУ 190
Режим работы класса «B» Диаграммы работы выходного каскада усилителя в режиме «В» Оконечные каскады АЭУ Искажения сигнала на выходе усилителя вида «центральная отсечка» 191
Двухтактный трансформаторный каскад Электрическая принципиальная схема двухтактного трансформаторного каскада Оконечные каскады АЭУ 192
Бестрансформаторные каскады усилителей Двухтактный каскад на эмиттерных повторителях Оконечные каскады АЭУ 193
Схема для режима «АВ» имеет вид: Введение в цепь базы диодов – путь повышения термостабильности режима работы каскада. Выходной каскад усилителя, работающий в режиме «АБ» Оконечные каскады АЭУ 194
Камплементарный эмиттерный повторитель Дарлингтона Усилительный каскад, собранный по схеме Дарлингтона Выходной каскад с нагрузкой в цепи эмиттера, собранной по схеме Дарлингтона Оконечные каскады АЭУ 195
Схема защиты по току со светодиодами Схема защиты по току на транзисторах Т 3, Т 4 Оконечные каскады АЭУ 196
Выводы • Основные схемы выходных каскадов – двухтактные выходные каскады, работающие в режиме «АБ» . Это позволяет обеспечить низкий уровень нелинейных искажений при достаточно высоком КПД. Оконечные каскады АЭУ 197
Скачать презентацию ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение
78f1b21426a9b10e5c3a2d7c2f9e6383.ppt