Аналоговые электронные устройства

Дисциплина, изучаемая студентами, называется «Схемотехника аналоговых электронных устройств» - это курс, который изучается раньше многих специальных дисциплин радиотехнической специальности. Основой его являются разного типа усилительные устройства, на которых базируется вся аналоговая радиоэлектроника, а, следовательно, и большинство специальных дисциплин. Знания, полученные в данном курсе, необходимы при изучении последующих дисциплин радиоэлектроники, а также при дипломном проектировании.

Аналоговые электронные усилители применяются во всех областях современной техники: в устройствах генерирования и формирования радиосигналов, в устройствах приема и преобразования сигналов, в радиосистемах передачи информации, в радиолокационных и радионавигационных системах и комплексах, в радиосистемах и комплексах управления и радиоэлектронной борьбы, в телевидении и видеотехнике, в аппаратуре и системах звукоусиления и звукозаписи, в многоканальной связи, в измерительной аппаратуре, в электронно-вычислительной технике, бытовой аппаратуре и многих других областях народного хозяйства.

Уже в 20-ые годы М.А. Бонч-Бруевич разработал эквивалентную схему электронной лампы в усилительной схеме и показал, что в недонапряженном режиме ее можно рассматривать как генератор тока, а в перенапряженном режиме – как генератор напряжения. Данное положение явилось основополагающим для теории и расчета электронных усилителей.

Позднее, в 1933 г. в усилительные устройства была введена отрицательная обратная связь, которая существенно улучшила их качественные показатели и КПД.

Развитие широкополосных усилителей (с полосой пропускания до нескольких мегагерц) в 40-е годы прошлого столетия явилось результатом необходимости передачи видеоизображений и возникновением телевидения.

История развития электронных усилителей неразрывно связана с развитием радиотехники. В 60-е годы были внедрены транзисторы, обладающие малыми габаритами, массой и низким потреблением энергии. Использование новых технологий позволило создать полупроводниковые интегральные схемы усилителей, обеспечивающие повышенную надежность, значительно меньшие габаритные размеры и потребляемую мощность.

Необходимо отметить, что значительный вклад в развитие теории и практики радиоэлектронных усилителей внесли такие отечественные ученые как Н.Д. Папалекси, М.А. Бонч-Бруевич, М.Г. Марк, Г.В. Войшвилло, С.Н. Кризе (Сергей Николаевич), который в 60-е годы прошлого столетия был заведующим кафедрой, на которой Вы обучаетесь в настоящее время, А.А. Ризкин, Г.С. Цыкин, З.И. Модель, И.Г. Мамонкин, В.Л. Крайцер и О.Б. Лурье.

В курсе «Схемотехника аналоговых электронных устройств» изучаются следующие разделы:

¾ параметры и характеристики аналоговых электронных устройств (АЭУ);

¾ принципы построения и функционирования простейших усилительных звеньев;

¾ принципы обеспечения режима работы усилительного звена на постоянном токе;

¾ анализ работы типовых усилительных звеньев в режиме малого сигнала;

¾ усилители мощности. Многокаскадные усилители;

¾ обратные связи в АЭУ и влияние их на основные параметры;

¾ базовые схемные конфигурации аналоговых интегральных схем;

¾ широкополосные усилители;

¾ усилители импульсных сигналов;

¾ операционные усилители и другие устройства функционального преобразования сигналов с их использованием;

¾ усилители высокой чувствительности;

¾ современные методы схемной реализации аналоговых преобразований.

Кратко рассмотрим некоторые из разделов, позволяющие уяснить сущность данной дисциплины.

Усилителями являются устройства, предназначенные для усиления электрических колебаний по мощности с сохранением их первоначальной формы.

Структурная схема усилительного каскада представлена на рис. 2.2. Сигнал, который необходимо усилить, с источника сигнала поступает на вход, а к его выходной цепи подключается нагрузка, которая является потребителем энергии усиленного сигнала. Усилитель получает электрическую энергию от источника постоянного тока (источника питания) и преобразует ее в энергию усиливаемых сигналов.

Входная и выходная цепи усилителя характеризуются следующими четырьмя параметрами: током I, напряжением U, сопротивлением R и мощностью P соответственно с входными или выходными индексами, которые для простоты изложения в нашем случае не обозначены. Для полной характеристики входной или выходной цепи, как и для любой электрической цепи, достаточно знать любые два из 4-х вышеупомянутых параметров. Два другие параметра находятся по известным формулам

и закону Ома

Для характеристики энергетических свойств усилителя вводятся также параметры:

¾ колебательная мощность;

¾ подводимая мощность;

¾ мощность потерь на коллекторе;

¾ коэффициент полезного действия (КПД).

Кроме перечисленных электрических параметров усилитель характеризуется еще коэффициент ом усиления - отношением амплитуды сигнала на выходе усилителя к амплитуде сигнала на его входе в установившемся режиме либо по напряжению или току, либо по мощности.

Поскольку обычный коэффициент усиления не учитывает согласование источника сигнала с входной цепью самого усилителя, еще вводится сквозной коэффициент усиления – это отношением амплитуды напряжения сигнала на выходе усилителя к амплитуде напряжения источника сигнала на его входе в установившемся режиме. Для согласования между собой усилительных и других каскадов по напряжению необходимо, чтобы сопротивление источника сигнала (или выходное сопротивление предыдущего каскада) было много меньше входного сопротивления рассматриваемого каскада.

Амплитудно-частотная и амплитудно-фазовая характеристики определяют частотные свойства усилителя в установившемся режиме (рис. 2.2), а переходная характеристика (рис. 2.3) используется для оценки линейных искажений импульсных усилителей.

В качестве активного элемента, преобразующего энергию постоянного тока в усиливаемый сигнал, обычно используется транзистор, который имеет три вывода: эмиттер, база и коллектор. В схеме усилителя транзистор включается, как четырехполюсник, один вывод входной, другой - выходной, а третий общий (являющийся вторым выводом соответственно входным и выходным). Поэтому возможны три схемы включения транзистора в схеме усилителя:

¾ схема с общим эмиттером (ОЭ),

¾ схема с общей базой (ОБ),

¾ схема с общим коллектором (ОК).

Основой большинства усилительных каскадов является апериодический усилитель по схеме с общим эмиттером, поскольку он усиливает входной сигнал, как по напряжению, так и по току одновременно. Кроме того, он имеет самые широкие функциональные возможности, на его основе выполняются не только низкочастотные, но и высокочастотные усилители, усилители промежуточной частоты, широкополосные и импульсные усилители, а также усилители постоянного тока.

Электрическая принципиальная схема апериодического резисторного каскада представлена на рис. 2.5, а его эквивалентная схема (с включением транзистора по схеме с ОЭ) – на рис. 2.6. Для расчета усилителя по схеме с ОЭ используются входная (рис. 2.7) и выходная (рис. 2.8) характеристики транзистора, которые берутся из справочников вместе с другими параметрами на выбранный транзистор.

Для работоспособности схемы необходимо обеспечить протекание через транзистор эмиттерного, коллекторного и базового токов. Поэтому к электродам транзистора должны быть подведены конкретные потенциалы, а именно к эмиттеру – наиболее низкий потенциал, к коллектору – наиболее высокий потенциал, а к базе – потенциал несколько больший, чем к эмиттеру, величина которого определяется выбором транзистора и рабочей точки на его характеристиках. Обеспечивается это с помощью резисторов в цепях протекания постоянного коллекторного, эмиттерного и базового токов: соответственно резистора в коллекторной цепи R_К, называемого также сопротивлением коллекторной нагрузки, резистора в эмиттерной цепи R_Э и резисторов делителя в цепи базы R_Д1 и R_Д2.

В отличие от схемы с ОЭ, схема с ОБ усиливает сигнал только по напряжению и мощности, а схема с ОК – только по току и мощности. Поэтому функциональные возможности данных схем меньше чем у схемы с ОЭ. Схема с ОБ обладает наименьшей емкостью между входным и выходным электродами по сравнению с другими схемами и используется, как правило, на высоких частотах, как в усилителях, так и умножителях частоты. Схема с ОК имеет наибольшее входное и наименьшее выходное сопротивления по сравнению с другими схемами и используется в качестве согласующего (буферного) каскада и в усилителях мощности.

Обратные связи в усилителях бывают внутренними, обусловленными конструкцией и технологией изготовления активного элемента (транзистора), паразитными, обусловленными емкостными или индуктивными связями между входным и выходным электродами схемы, а также внешней, специально вводимой в схему для улучшения каких-либо свойств усилителя, например, снижения различного вида искажений или повышения стабильности коэффициента усиления при влиянии дестабилизирующих факторов.

Различают присоединение цепи обратной связи со стороны выхода усилителя по напряжению (со стороны входа называется параллельная обратная связь), по току (со стороны входа называется последовательная обратная связь) и смешанная обратная связь по выходу (по входу).

Обратная связь может быть положительной и отрицательной (рис 2.9). Если направление напряжения обратной связи U _св совпадает с направлением ЭДС источника сигнала и увеличивает его, то такая обратная связь является положительной. Если направление напряжения обратной связи U _св направлено в обратную сторону относительно направления ЭДС источника сигнала и уменьшает его, то такая обратная связь является отрицательной. В результате при положительной обратной связи коэффициент усиления увеличивается, а при отрицательной – уменьшается. Изменение коэффициента усиления зависит от величины коэффициента передачи напряжения цепи обратной связи, называемым коэффициентом обратной связи

β = U _св / U _вых.

При положительной обратной связи сквозной коэффициент усиления каскада будет равен

К* _ос = К* / 1 - β К*,

а при отрицательной

К* _ос = К* / 1+ β К*,

где К* - сквозной коэффициент усиления каскада без обратной связи.

В усилителях, как правило, используется отрицательная обратная связь, которая уменьшает коэффициент усиления, нелинейные искажения и помехи каскада в (1+ β К*) раз. Отрицательная обратная связь позволяет увеличить входное и уменьшить выходное сопротивления, а также изменять частотные, фазовые и переходные характеристики усилительного каскада.

Одним из наиболее часто используемых элементов аналоговой схемотехники кроме рассмотренного выше апериодического резисторного каскада является операционный усилитель (ОУ). На его основе выполняются усилители и частотные фильтры. Он применяется для согласования трактов с различными входными и выходными сопротивлениями и для выполнения ряда математических операций: суммирования, перемножения, логарифмирования, дифференцирования, интегрирования. В настоящее время ОУ является универсальным микроэлектронным устройством, обладающим высоким собственным усилением (порядка 10⁵ ÷ 10⁷), очень большим входным и очень малым выходным сопротивлениями. ОУ является усилителем постоянного тока, выполненным по дифференциальной схеме и имеет два входа, сигналы на которые подаются в противофазе. В усилительных трактах он используется как усилитель напряжения.

Структурная схема ОУ представлена на рис. 2.9. Как правило, ОУ состоит из одного или двух входных, одного или двух промежуточных и выходного каскадов.

Для обеспечения большого входного сопротивления, требуемого для согласования с источником сигнала (или с выходным сопротивлением предыдущего каскада), входной каскад выполняется по схеме дифференциального усилителя на двух идентичных транзисторах (рис. 2.10). К базам каждого из транзисторов подключены входные выводы, на которые подаются сигналы в противофазе. В дифференциальном усилителе эмиттеры транзисторов соединены между собой и через общий резистор подключены к земле с нулевым потенциалом. Поскольку транзисторы имеют одинаковые параметры, а на их входы подаются сигналы в противофазе, то токи каждого из транзисторов на резисторе эмиттера направлены в противоположные стороны и вычитаются. Суммарный ток через резистор эмиттера близок к нулю, а эмиттеры резисторов имеют нулевой потенциал и практически оторваны от земли, что соответствует большому сопротивлению. В результате входное сопротивление каждого из транзисторных каскадов оказывается очень большим, порядка МОма. В дифференциальном усилительном каскаде обычно вместо резистора в эмиттерной цепи включают генератор тока, который на переменном токе имеет большое сопротивление и дополнительно обеспечивает увеличение входного сопротивления каждого из входов.

Большой коэффициент усиления ОУ достигается за счет каскадного соединения усилителей (рис.2.10), а также за счет использования в промежуточных каскадах составных транзисторов (рис. 2.11).

При каскадном соединении четырехполюсников суммарный коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления соответствующих каскадов:

К = К₁ × К₂ × К₃ … К_N.

Коэффициент усиления каскада выполненного на составном транзисторе равен произведению коэффициентов усиления каждого транзистора, т.е.

К_К = К¹ × К¹¹.

Малое выходное сопротивление обеспечивается за счет использования в выходном каскаде усилителя по схеме с ОК, который имеет наименьшее выходное сопротивление из возможных трех схем включения транзистора (ОЭ, ОБ и ОК). Выходной каскад обеспечивает усиление по току и по мощности. Его коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.

В результате получаем, если ОУ содержит, например, один входной и два промежуточных каскада на составных транзисторах, то его коэффициент усиления будет соответственно равен

К = К₁ × К¹₂ × К¹¹₂ × К¹₃ × К¹¹₃ = (К _n) ⁵.

Если принять К _n = 16, то получим суммарный коэффициент усиления равным 1×10⁶, т.е. одному миллиону.

Таким образом, ОУ обладая очень большим коэффициентом усиления, позволяет использовать его с различными цепями отрицательной обратной связи и обеспечить его многофункциональность, о которой было сказано выше.

Дата добавления: 2014-12-07