Схемотехника аналоговых электронных устройств
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)≪f>0);
где f>0 — 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 
где φ — фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.
Значение |K| на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как K>0, называют коэффициентом усиления.
В логарифмических единицах:
K>0,dB = 20lgK>0.
Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):
K>Σ = K>1 * K>2 * … K>n,
K>Σ,dB = K>1,dB + K>2,dB + … + Kn,dB;
• по току
Для n-каскадных усилителей K>I>Σ в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично K>Σ.
• по мощности K>P:
K>P = P>вых/P>вх.
Для n-каскадных усилителей K>P>Σ 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/P>0,
где P>пот — максимальная выходная мощность усилителя; P>0 — 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|/K>0,
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