В. С. Пряников

СХЕМОТЕХНИКА

АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ

УСТРОЙСТВ

Курс лекций

Чебоксары 2010

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова»

В.С.Пряников

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Курс лекций

Чебоксары 2010

УДК 621.375 (075)

П85

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.

П85 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

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.

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.