Н
ОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.В. ДУРКИН

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ

УСТРОЙСТВА

ЧАСТЬ II

Конспект лекций

для студентов специальности 200700
“Радиотехника” всех форм обучения

НОВОСИБИРСК

2001

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

4

5

5

7

11

13

14

16

16

17

20

20

20

21

22

22

23

25

26

26

27

29

29

29

30

30

33

33

33

33

35

36

39

40

40

41

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ……………………………………………….………… 5

1. Обратные связи в АЭУ…………………………………………………………. 6

   1. Основные понятия…………………………………………………………. 6

   2. Влияние обратной связи на передаточные свойства устройства………. 8

   3. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления……… 12

   4. Влияние обратной связи на стабильность коэффициента передачи……

   5. Влияние обратной связи на амплитудно-частотную, фазочастотную

и переходную характеристики……………………………………………. 15

1. Влияние обратной связи на внутренние помехи……………………….… 17

2. Влияние обратной связи на нелинейные искажения……………………. 17

3. Устойчивость устройств с обратной связью…………………………….. 18

1. Режимы работы и цепи питания усилительных элементов………………. 21

   1. Режимы работы усилительных элементов………………………………. 21

      1. Режим А………………………………………………………………… 21

      2. Режим В………………………………………………………………… 22

      3. Режим C………………………………………………………………… 23

      4. Режим D………………………………………………………………… 23

   2. Температурная нестабильность режима биполярного транзистора…… 24

   3. Температурная нестабильность режима полевого транзистора……….. 26

   4. Методы стабилизации…………………………………………………….. 27

   5. Обобщенная схема задания и стабилизации рабочей точки…………… 27

   6. Схема эмиттерной стабилизации………………………………………… 28

   7. Схема коллекторной стабилизации……………………………………… 30

   8. Цепи питания полевых транзисторов……………………………………. 30

      1. Цепи питания с фиксацией напряжения на затворе…………………. 30

      2. Схемы истоковой стабилизации………………………………………. 31

   9. Генераторы стабильного тока…………………………………………….. 31

1. Каскады предварительного усиления………………………………………... 34

   1. Особенности каскадов предварительного усиления…………………….. 34

   2. Резисторный каскад на биполярном транзисторе……………………….. 34

      1. Принципиальная и эквивалентная схемы…………………………….. 34

      2. Область средних частот………………………………………………… 36

      3. Область нижних частот и больших времен…………………………… 37

      4. Область верхних частот и малых времен……………………………… 40

   3. Коррекция амплитудно-частотных и переходных характеристик………. 41

      1. Общие сведения…………………………………………………………. 41

      2. Схема эмиттерной высокочастотной коррекции………………………. 42

      3. С

         42

         43

         45

         45

         46

         47

         50

         50

         50

         51

         52

         52

         53

         54

         57

         60

         61

         64

         64

         66

         67

         68

         69

         73

         75

         80

         80

         81

         85

         87

         89

         89

         90

         92

         95

         хема индуктивной высокочастотной коррекции……………………... 43

      4. Схема низкочастотной коррекции………………………………………. 44

   4. Дифференциальный каскад………………………………………………… 46

      1. Общие сведения…………………………………………………………. 46

      2. Принцип действия………………………………………………………. 47

      3. Параметры дифференциального каскада……………………………… 48

   5. Усилительные каскады на составных транзисторах…………………….. 51

      1. Общие сведения………………………………………………………… 51

      2. Резисторный каскад на составном транзисторе……………………… 51

   6. Усилительные каскады с динамическими нагрузками…………………. 52

1. Устойчивость операционных усилителей…………………………………… 53

   1. Устойчивость многокаскадного усилителя постоянного тока………….. 53.

   2. Условия устойчивости операционных усилителей……………………… 54

   3. Коррекция АЧХ операционных усилителей…………………………….. 55

   4. Косвенные признаки относительной устойчивости…………………….. 58

   5. Влияние емкости нагрузки и входной емкости на устойчивость ОУ….. 61

   6. Частотная коррекция в цепи ОС…………………………………………. 62
      
      

2. Обработка аналоговых сигналов операционными усилителями……….. 65

   1. Инвертирующий усилитель ……………………………………………… 65

   2. Неинвертирующий усилитель……………………………………………. 67

   3. Суммирующий усилитель………………………………………………… 68

   4. Дифференциальный усилитель…………………………………………… 69

   5. Интегратор…………………………………………………………………. 70

   6. Дифференциатор…………………………………………………………... 73

   7. Логарифмирующий и антилогарифмирующие усилители……………... 76

1. Перемножители напряжений………………………………………………….. 80

   1. Общие сведения……………………………………………………………. 80

   2. Перемножители с переменной крутизной………………………………... 82

   3. Интегральные перемножители и их параметры…………………………. 86

   4. Особенности применения интегральных перемножителей……………… 88

1. Компараторы напряжения…………………………………………………….. 90

   1. Назначение, параметры…………………………………………………… 90

   2. Особенности применения полупроводниковых компараторов………… 91

   3. Спезиализированные компараторы на операционных усилителях…… 93

1. Литература………………………………………………………………………. 96

Основные сокращения

АЧХ – амплитудно – частотная характеристика

АЭУ – аналоговое электронное устройство

БТ – биполярный транзистор

ВСП – входная статическая погрешность

ГСТ – генератор стабильного тока

ДК – дифференциальный каскад

ДС – дифференциальные сигналы

ДУ – дифференциальный усилитель

ДФ – дифференциатор

ИМС – интегральная микросхема

ИУ – инвертирующий усилитель

КОП – канал обратной передачи

КПД – коэффициент полезного действия

КПП - канал прямой передачи

КПУ – каскады предварительного усиления

ЛУ – логарифмический усилитель

НУ – неинвертирующий усилитель

ОБ, ОК, ОЭ – схемы включения с общей базой, эмиттером и коллектором

ОС – обратная связь

ООС – отрицательная обратная связь

ОУ – операционный усилитель

ПН – перемножитель напряжений

ПОС – положительная обратная связь

ПТ – полевой транзистор

ПХ – переходная характеристика

СС – синфазные сигналы

СТ – составной транзистор

УИТ – управляемый источник тока

ЦОС – цепь обратной связи

УПТ – усилитель постоянного тока

УЭ – усилительный элемент

ФЧХ – фазочастотная характеристика

1. Обратные связи в АЭУ

1.1. Основные понятия

О

Рис.1.1. Общая схема АЭУ с обратной связью

б обратной связи (ОС) говорят тогда, когда выходная величина устройства может воздействовать на входную. Элемент, передающий это воздействие, называе
тся цепью ОС (ЦОС) (рис. 1.1). В узле 1 происходит сложение сигналов (напряжений или токов), поступающих от источника сигнала и с выхода ЦОС. Если эти сигналы складываются в фазе, т.е. при введении ОС уровни сигналов в узлах 1 и 2 повышаются, то такая ОС называется положительной (ПОС). Если же сложение сигналов происходит в противофазе, что приводит к снижению уровней сигналов в узлах 1 и 2, то это отрицательная ОС (ООС).

Если сложение сигналов в узле 1 происходит со сдвигом по фазе и , то такая ОС называется комплексной. Причём, если уровни сигналов в узлах 1 и 2 возрастают, то это комплексная ПОС, а если убывают то комплексная ООС. Очевидно, что в зависимости от частоты сигнала ОС может оказаться отрицательной, положительной или комплексной в одном и том же устройстве. Это объясняется тем, что в устройстве с ОС содержатся элементы (пассивные и активные), вносящие частотно-зависимые фазовые сдвиги. Поэтому при изменении частоты в широком диапазоне ОС может поменять свой знак (вид) не один раз. Если говорят, что усилитель охвачен ООС, то имеют ввиду вполне определенный, достаточно узкий, диапазон частот вблизи средней частоты f₀ (для усилителя переменного тока). Хотя на краях полосы пропускания, а тем более вне её, ОС может изменить свой знак. В дальнейшем слово "комплексная" в определении ОС мы будем опускать, называя ОС положительной, если происходит возрастание сигналов в узлах 1 и 2 и отрицательной при их убывании.

В АЭУ в основном используется ООС, так как правильно выбранная ООС способствует стабилизации характеристик АЭУ, уменьшению линейных и нелинейных искажений, подавлению внутренних помех, повышению входного и уменьшению выходного сопротивлений. Ограниченное применение ПОС связана с тем, что этот вид ОС часто (но не всегда!) приводит к самовозбуждению устройства, т.е. превращает его в генератор незатухающих колебаний.

ОС принято называть частотно-независимой, если коэффициент передачи ЦОС не зависит от частоты, в отличие от частотно-зависимой, где эта зависимость имеет место.

Если ОС возникает за счет элемента, чаще всего активного, который является неотъемлемой частью АЭУ, то такая связь называется внутренней

В
нешняя ОС реализуется с помощью отдельного четырехполюсника, который определенным образом подключается между выходом и входом устройства. В зависимости от способа подключения ЦОС к выходу АЭУ различают ОС по напряжению и току, а по способу её подключения к выходу АЭУ ОС подразделяется на последовательную и параллельную ( рис. 1.2).

Действие ОС по напряжению (рис.1.2, а и в) не проявляется в режиме короткого замыкания на выходе (Z₂ = 0), а ОС по току – в режиме холостого хода ( ). Последовательная ОС (рис.1.2, а и б) не функционирует при возбуждении устройства от источника сигнала с бесконечно большим сопротивлением ( ), т.е. в режиме холостого хода на входе, а параллельная ОС – в режиме короткого замыкания (Z₁ = 0).

На рис. 1.3 приведены принципиальные схемы устройств с последовательной ООС по напряжению. На рис. 1.3, а напряжение от источника сигнала подается на неинвертирующий вход, т.е. полярности входного U₁ и выходного U₂ сигналов совпадают. ОУ реагирует на разность сигналов , где – напряжения на выходе ЦОС. Значит связь – отрицательная. В режиме короткого замыкания на выходе (R₂ = 0) или в режиме холостого хода на входе (R₁ = ) ОС не проявляется, т.е. это последовательная ООС по напряжению. Особенностью схемы рис. 1.3, б является равенство выходного напряжения U₂ и напряжения ОС (100% ОС). Эквива -

л
ентное сопротивление источника сигнала включает в себя как сопротивление реального источника R₁, так и сопротивления элементов связи (С₁, R_б1, R_б2).

Рис. 1.3. Схемы устройств с последовательной ООС по напряжению: а - неинвертирующий усилитель; б - эмиттерный повторитель

а

б