В учебном пособии рассмотрены теоретические основы и принципы действия аналоговых устройств на биполярных и полевых транзисторах. Анализируются основные схемы, используемые в аналоговых трактах типовой радиоэлектронной аппаратуры, приводятся расчетные формулы, позволяющие определить элементы принципиальных схем этих устройств по требуемому виду частотных, фазовых и переходных характеристик. Излагаются основы построения различных функциональных устройств на основе операционных усилителей. Рассмотрены так же ряд специальных вопросов с которыми приходится сталкиваться разработчикам аналоговых электронных устройств – оценка нелинейных искажений, анализ устойчивости, чувствительности и др.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 552500, 654200 – «Радиотехника», 654100 – «Электроника и микроэлектроника», и может быть полезно для преподавателей и научных работников.
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;
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;
2.3. Методы анализа линейных усилительных каскадов в частотной области
Большинство соотношений, приведенных в данном пособии, получено на основе обобщенного метода узловых потенциалов (ОМУП) [3]. При использовании ОМУП схема в целом заменяется матрицей эквивалентных проводимостей, отображающей как конфигурацию, так и свойства некоторой линейной схемы, аппроксимирующей реальную схему. Матрица проводимостей составляется на основе формальных правил [3]. При этом усилительные элементы представляются в виде четырехполюсников (подсхем), описываемых эквивалентными Y-параметрами. Выбор Y-параметров активных элементов в качестве основных обусловлен их хорошей стыковкой с выбранным методом анализа. При наличии других параметров активных элементов, возможен их пересчет в Y-параметры [3].
При использовании ОМУП анализ состоит в следующем:
◆ составляют определенную матрицу проводимостей схемы [3];
◆ вычисляют определитель Δ и соответствующие алгебраические дополнения Δ
ij
;
◆ определяют (при необходимости) эквивалентные четырехполюсные Y-параметры схемы;
2.4. Активные элементы УУ
2.4.1. Биполярные транзисторы
Биполярными транзисторами (БТ) называют полупроводниковые приборы с двумя (или более) взаимодействующими p-n-переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда.
Для определения малосигнальных Y-параметров БТ используют их эквивалентные схемы. Из множества разнообразных эквивалентных схем наиболее точно физическую структуру БТ отражает малосигнальная физическая Т-образная схема. Для целей эскизного проектирования, при использовании транзисторов до (0,2...0,3)
f T
(
f T
— граничная частота усиления транзистора с ОЭ) возможно использование упрощенных эквивалентных моделей транзисторов, параметры элементов эквивалентных схем которых легко определяются на основе справочных данных. Упрощенная эквивалентная схема биполярного транзистора приведена на рис. 2.7.
Рисунок 2.7. Эквивалентная схема биполярного транзистора
2.4.2. Полевые транзисторы
Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые усилительные приборы, в основе работы которых используются подвижные носители зарядов одного типа — либо электроны, либо дырки. Наиболее характерной чертой ПТ является высокое входное сопротивление, поэтому они управляются напряжением, а не током, как БТ.
Рисунок 2.8. Эквивалентная схема ПТ
Определяются малосигнальные Y-параметры ПТ по его эквивалентной схеме. Для целей эскизного проектирования можно использовать упрощенный вариант малосигнальной эквивалентной схемы ПТ, представленный на рис.2.8.
2.5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОЭ
Среди многочисленных вариантов усилительных каскадов на БТ самое широкое применение находит каскад с ОЭ, имеющий максимальный коэффициент передачи по мощности
K P
, вариант схемы которого приведен на рисунке 2.9.
Если входного сигнала нет, то каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора
R б
задается ток покоя
I б
0
=(
E к
–
U бэ
0
)/
R б
. Ток покоя коллектора
I к
0
=
H
21э
I б
0
. Напряжение коллектор-эмиттер покоя
U к
0
=
E к
–
I к
0
R к
. Отметим, что в режиме покоя напряжение
U бэ
0
составляет десятки и сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на
R к
возрастет, а напряжение на коллекторе уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 180°.
Рисунок 2.9. Простой усилительный каскад с ОЭ