АНАЛОГОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
И. И. Невров, А. А. Рабочий
(Сборник демонстрационных слайдов)
Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»
для использования в учебном процессе в качестве
учебно-методического пособия
для высшего профессионального образования
Орел 2013
Автор: к.т.н., доцент кафедры ЭВТиИБ И.И.Невров
Рецензент: к.т.н., доцент кафедры ЭВТиИБ А.А.Рабочий
В данном учебном пособии приведены демонстрационные схемы для основных разделов аналоговой электроники, изучение которых предусматривается рабочей программой подготовки инженеров специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» (210201). Схемы, приведенные в пособии, предполагается использовать в качестве сопровождающего лекцию демонстрационного материала, с визуализацией его на большом экране, что позволит существенно сократить время на воспроизведение графического материала по сравнению с ручным вычерчиванием схем на классной доске. Это соответствует современным требованиям к учебному процессу в части совершенствования технологии преподавания технических дисциплин.
Учебное пособие предназначено для студентов вечерней формы обучения специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» (210201) при изучении ими раздела «Основы аналоговой электроники» дисциплины «Общая электротехника и электроника». Пособие может использоваться студентами специальностей 210202 и 210201 при изучении ими этой дисциплины и при других формах обучения.
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………..7
Раздел 1. Компоненты аналоговой электроники.......8
Рис.1.1. Контактные явления в полупроводниках и свойства
p-n-перехода……………………………………………………..8
Рис.1.2. УГО основных типов диодов………………………….9
Рис.1.3. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода……………………………………………………………...9
Рис.1.4. Эквивалентные схемы для прямого (а) и обратного (б) включения выпрямительного диода..……...…………… 10
Рис.1. 5. Электрическая схема включения выпрямительного диода …………………………………………............................10
Рис.1.6. Графический расчёт режима диода………………….11
Рис.1.7. Электрическая схема включения стабилитрона…….11
Рис.1.8. ВАХ полупроводниковых диодов..………………….12
Рис. 1.9. Полупроводниковый диод Шоттки…………………13
Рис. 1.10. Биполярные транзисторы…………………………..14
Рис.1.11. Режимы включения БПТ…………………………...15
Рис.1.12. Эквивалентная схема БПТ в виде модели Эберса-Молла……………………………………………………………15
Рис. 1.13. БПТ с инжекционным питанием...………………...16
Рис. 1.14. Схемы включения БПТ……………………………..17
Рис.1.15. Статические ВАХ БПТ n-p-n типа с ОЭ…………...18
Рис.1.16. Схемы замещения БПТ...……………………………19
Рис.1.17. К расчётуh-параметров БПТ с ОЭ ………………..20
Рис. 1.18. Классификация ПТ………………………………….21
Рис.1.19. Структура полевых транзисторов…………………..22
Рис.1.20. Структура полевых транзисторов…………………..23
Рис.1.21. Схемы включения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом с р-каналом………………………….24
Рис.1.22. Схемы включения МДП ПТ с индуцированным
р-каналом……………………………………………………….24
Рис. 1.23. ВАХ ПТ с n-каналом………………………………..25
Рис. 1.24. ВАХ ПТ МДП типа с n-каналом…………………...26
Рис.1.25. К расчёту параметров ПТ с ОИ…………..................27
Рис.1.26. Диодный тиристор…………………………………..28
Рис.1.27. Триодный тиристор………………………………….29
Рис.1.28. Триодный симистор………………………………...30
Рис.1.29. Схемы включения тиристоров……………………...31
Рис.1.30. Фоторезисторы и фотодиоды……………………….32
Рис.1.31. Фототранзистор (а и б), фототиристор (в и г) и
оптопары с фотоприёмниками (д)…………………………...33
Раздел 2. Усилители сигналов………………………….34
Рис.2.1. Структура и характеристики УС ……………………34
Рис.2.2. Схемы усилительных каскадов на БПТ. ……………35
Рис.2.3. Схемы усилительных каскадов на ПТ.………………36
Рис.2.4. Режимы работы усилительных каскадов……………37
Рис.2.5. Параллельная ОС по напряжению…………………...38
Рис.2.6. Параллельная ОС по току………..…………………...39
Рис.2.7. Последовательная ОС по напряжению……………...40
Рис.2.8. Последовательная ОС по току………..……………...41
Рис. 2.9. Влияние видов ОС на параметры УК……………….42
Рис. 2.10. Схема усилителя напряжения с резистивной
обратной связью………………………………………………..43
Рис. 2.11. Схема УПТ компенсационного типа с одним
источником питания……………………………………………44
Рис.2.12. Схема УПТ с компенсацией ДН применением цепей сдвига …………………………………………………………...44
Рис. 2.13. Принцип дифференциального усиления сигналов.45
Рис. 2.14. Варианты схем ДУПТ………………………………46
Рис. 2.15. Схема ДУПТ с динамической нагрузкой в виде
токового зеркала……………………………………………….47
Рис.2.16.УПТ с преобразованием напряжения типа М-Д-М..48
Рис.2.17. Избирательные усилители с RC-цепями ООС…….49
Рис.2.18. Избирательные усилители с LC-контуром ………..50
Рис.2.20. Схемы усилителей мощности……………………...51
Раздел 3. Операционные усилители…………………..52
Рис.3.1. Общие сведения об операционных усилителях…….52
Рис.3.2. Передаточные характеристики ОУ…………………..53
Рис.3.3. Принципиальная схема трёхкаскадного ОУ………...54
Рис.3.4. Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ……...55
Рис.3.5. Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ……..56
Рис.3.6. Сумматоры аналоговых сигналов на ОУ…………...57
Рис.3.7. Сумматоры-вычитатели аналоговых сигналов
на ОУ.…………...........................................................................58
Рис.3.8. Интеграторы аналоговых сигналов на ОУ………….59
Рис.3.9. Схемы дифференциаторов на ОУ…………………...60
Рис.3.10. Компаратор постоянных напряжений на ОУ ……..61 Рис.3.11. Компаратор переменных напряжений на ОУ……..62 Рис.3.12. Симметричный гистерезисный компаратор ……...63 Рис.3.13. Гистерезисный компаратор с нелинейной ПОС….63 Рис.3.14. Гистерезисный компаратор сравнения Uвх и Есм….64 Рис. 3.15. Схемы источников постоянного тока на ОУ……...65 Рис. 3.16. Источник тока с заземлённой нагрузкой.…………65 Рис. 3.17. Схемы источников постоянного напряжения…….65
Рис. 3.18. Схема и АЧХ ФНЧ первого порядка на ОУ………66
Рис. 3.19. Схема и АЧХ ФВЧ первого порядка на ОУ……...66
Рис. 3.20. Полоснопропускные фильтры на ОУ……………..67
Рис. 3.18. Схема и АЧХ ПЗФ на основе ФНЧ и ФВЧ………65
Раздел 4.Автогенераторы сигналов.…………………..69
Рис.4.1. Структурная схема автогенератора…………………69
Рис.4.2. Типовая резонансная схема LC-автогенератора……69
Рис.4.3. Варианты трёхточечных LC-автогенераторов……..70
Рис.4.4. Стабилизация частоты LC-автогенераторах………...70
Рис.4.5. Частотно-зависимые RC-цепи………………………..71
Рис.4.6. Схема автогенератора с Г-образными RC-цепями....71
Рис.4.7. Схемы автогенераторов на резонансных RC-цепях...72
Рис.4.8. Схема триггера с общим (счётным) запуском и
временные диаграммы, поясняющие его работу ……………73
Рис.4.9. Схема симметричного мультивибратора и
временные диаграммы, поясняющие его работу ……………74
Рис.4.10. Схема ждущего мультивибратора и временные
диаграммы, поясняющие его работу ………….……………...75
Рис.4.11. Схема автоколебательного МВБ на ОУ……………76
Рис.4.12. Схема одновибратора на ОУ………………………..76
Рис.4.13. Схема ГЛИН на БПТ и временные диаграммы,
поясняющие его работу ……………………….........................77
Рис.4.14. Схема ГЛИН на ОУ с управляющим тиристором и временные диаграммы, поясняющие его работу ………...….77
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………….78
ВВЕДЕНИЕ
В данном учебном пособии приведены демонстрационные схемы для основных разделов аналоговой электроники дисциплины «Общая электротехника и электроника», изучение которой предусматривается рабочей программой подготовки инженеров специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» (210201). Схемы, приведенные в пособии, предполагается использовать в качестве сопровождающего лекцию демонстрационного материала, с визуализацией его на большом экране. При этом предполагается обязательное сопровождение отображаемых на экране схем устными пояснениями и дополнениями, необходимыми для уяснения студентами принципов построения и функционирования демонстрируемых схем. Предполагается также, что параллельно с демонстрацией схем, часть материала, относящаяся к дополнительным графическим и математическим пояснениям и доказательствам, будет воспроизводиться на демонстрационных плакатах или вручную, мелом на классной доске.
Демонстрируемый на экране сложный графический материал целесообразно переносить студентам в конспект лекций в часы их самостоятельной подготовки. Для этого необходимо обеспечить возможность получения студентами изучаемого графического материала в электронном виде (через флэш-память или в электронной библиотеке). Наличие схем в конспекте студентов можно проконтролировать на последующих практических занятиях по данной тематике и на этапе текущего контроля.
Предлагаемая методика преподавания позволит существенно сократить время на изучение дисциплин с большим объёмом графического материала и повысить степень усвоения учебного материала при ограниченном объёме аудиторных занятий и достаточном объёме часов для самостоятельной работы студентов. Это соответствует современным требованиям к учебному процессу в части совершенствования технологии преподавания технических дисциплин.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 210202 с вечерней формой обучения, но может использоваться студентами специальностей 210202 и 210201 при изучении ими этой дисциплины и при других формах обучения.
Раздел1.Компоненты аналоговой электроники.
Рис.1.1. Контактные явления в полупроводниках и свойства p-n-перехода.
Структура p-n-перехода: а) в равновесном состоянии;
б) при прямом напряжении;
в) при обратном напряжении.
Рис. 1.2. УГО основных типов диодов:
а) выпрямительный; б) Шоттки; в) стабилитрон;
г) туннельный; д) обращённый; е) варикап.
Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода.
Рис. 1.4. Эквивалентные схемы для прямого (а) и обратного (б) включения выпрямительного диода.
Рис. 1.5. Электрическая схема включения выпрямительного диода.
Рис. 1.6. Графический расчёт режима диода.
Рис. 1.7. Электрическая схема включения
стабилитрона.
Рис. 1.8. ВАХ полупроводниковых диодов:
а)стабилитрона; б)туннельного диода;
в) обращённого диода.
Рис. 1.9. Полупроводниковый диод Шоттки:
а) структура диода; б) УГО диода;
в) ВАХ диода Шоттки.
Рис.1.10. Биполярные транзисторы:
а) УГО и структура БПТ типа n-р-n и p-n-p;
б) схема распределения токов в БПТ типа n-р-n.
Рис.1.11. Режимы работы БПТ:
а) активный; б) инверсный; в) отсечки; г) насыщения.
Рис.1.12. Эквивалентная схема БПТ
в виде модели Эберса – Молла.
Рис.1.13. БПТ с инжекционным питанием:
а) структура; б) двухтранзисторная модель;
в) подключение напряжений; г) эквивалентная схема;
д) и е) УГО БПТ с инжектором p-типаи n-типа.
Рис.1.14. Схемы включения БПТ:
а) n-p-n типа с ОЭ; б) p-n-p типа с ОЭ;
в) n-p-n типа с ОК; г) n-p-n типа с ОБ.
Рис.1.15. Статические ВАХ БПТ n-p-n типа с ОЭ:
а) схема включения БПТ с ОЭ;
б) входная ВАХ iб = f(uбэ), при uкэ = const;
в) выходная ВАХ iк = f(uкэ), при iб = const.
Рис.1.16. Схемы замещения БПТ:
а) для схемы с ОБ; б) для схемы с ОЭ; в) в h-параметрах.
Рис.1.17. К расчёту h-параметров БПТ с ОЭ:
а) входноесопротивление h11 =dUбэ /dIб , при Uкэ = const;
б) коэф. ОС по напряжению h12= dUбэ /dUкэ , при Iб = const;
в) коэф. усиления по току h21 =dIk / dIб , при Uкэ = const;
г) выходная проводимость h22 =dIk /dUкэ , при Iб = const.
Рис.1.18. Классификация ПТ.
Рис.1.19. Структуры полевых транзисторов:
а) ПТ с управляющим n-каналом;
б) УГО ПТ с управляющим n- каналом и р-каналом;
в) ПТ МДП-типа с встроенным р-каналом;
г) УГО МДП-транзисторов с встроенными n- и р-каналом.
Рис.1.20. Структуры полевых транзисторов:
а) ПТ МДП-типа с индуцированным р-каналом;
б) УГО ПТ МДП-типа с индуцированными n- и р-каналом;
в) МНОП-структура с изолированным затвором;
г) ЛИЗМОП-структура с плавающим затвором.
Рис.1.21. Схемы включения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом с p-каналом:
а) с общим истоком; б) с общим стоком.
Рис.1.22. Схемы включения МДП ПТ с индуцированным р- каналом :
а) с общим истоком; б) с общим стоком.
Рис.1.23. ВАХ ПТ с n-каналом:
а) УГО ПТ; б) входная ВАХ; в) выходная ВАХ.
Рис.1.24. ВАХ ПТ МДП-типа с n-каналом:
а) УГО ПТ; б) входная ВАХ; в) выходная ВАХ.
Рис.1.25. К расчёту параметров ПТ с ОИ:
а) крутизна характеристики: S =d Iс / dUзu , при Uси = const;
б) коэффициент усиления: Ки =dUси / dUзu , при Iс = const;
в) внутреннее сопротивление: Ri = dUси /dIc , при Uзu= const;
г) входноесопротивление: Rвх=dUзu /dIзu , при Uси = const.
Рис.1.26. Диодный тиристор:
а) структура; б) УГО; в) ВАХ; г) двухтранзисторная модель.
Рис.1.27.Триодный тиристор:
а) структура; б) УГО; в) ВАХ.
Рис.1.28. Триодный симистор:
а) структура; б) УГО; в) ВАХ.
Рис.1.29. Схемы включения тиристоров:
а) с управленем по аноду; б) и в) в регуляторах мощности;
г) схема включения триодного симистора;
д) релаксационный генератор импульсов.
Рис.1.30. Фоторезисторы и фотодиоды:
а) фоторезистор и его энергетическая характеристика;
б) вольт-амперная характеристика фоторезистора;
в) схема включения ФД в режиме фотопреобразователя;
г) схема включения ФД в режиме фотогенератора; д) ВАХ ФД.
д)
Рис.1.31. Фототранзистор (а и б), фототиристор (в и г)и
оптопары с фотоприёмниками (д).
Раздел 2. Усилители сигналов.
Рис.2.1. Структура и характеристики УС:
а) структурная схема одиночного усилительного каскада;
б) амплитудная характеристика усилителя;
в) амплитудно-частотная характеристика усилителя;
г) фазо-частотная характеристика усилителя;
д) структурная схема многокаскадного усилителяситналов.
Рис.2.2. Схемы усилительных каскадов на БПТ:
а) с общим эмиттером; б) с общим коллектором; в) с общей базой.
Рис.2.3. Схемы усилительных каскадов на ПТ:
а) с общим истоком; б) с общим стоком.
а)Режим А (θ = 180˚);
б) РежимВ (θ = 90˚);
в) Режим С (θ < 90˚).
Рис.2.4. Режимы работы усилительных каскадов.
Рис.2.5. Параллельная ОС по напряжению:
а) положительная (ПОС); б) отрицательная (ООС).
Рис.2.6. Параллельная ОС по току:
а) положительная (ПОС); б) отрицательная (ООС).
Рис.2.7. Последовательная ОС по напряжению:
а) положительная (ПОС); б) отрицательная (ООС).
Рис.2.8. Последовательная ОС по току:
а) положительная (ПОС); б) отрицательная (ООС).
Рис.2.9. Влияние видов ОС на параметры УК.
Рис.2.10. Схема усилителя напряжения с резистивной обратной связью.
Рис.2.11. Схема УПТ компенсационного типа с одним источником питания.
Рис.2.12. Схема УПТ c компенсацией ДН применением цепей сдвига.
Рис.2.13. Принцип дифференциального усиления сигналов
а) ”дрейф нуля” в УПТ; б) структура мостового дифференциального УПТ; в) типовая схема ДУПТ.
Рис.2.14. Варианты схем ДУПТ.
Рис.2.15. Cхема ДУПТ с динамической нагрузкой
в виде токового зеркала.
Рис.2.16. УПТ с преобразованием напряжения
типа М-Д-М:
а) структурная схема; б) временные диаграммы.
Рис.2.17. Избирательные усилители с RC-цепями ООС:
а) структура усилителя с ООС; б)2Т- образный резонансный мост;
в) АЧХ усилителя с 2Т-мостом в цепи ООС; г) АЧХ 2Т-моста;
д) схема избирательного усилителя с 2Т-мостом в цепи ООС.
Рис.2.18. Избирательные усилители с LC-контуром:
а) структура усилителя; б)типовая схема усилителя;
в) схема замещения усилителя.
Рис.2.19. АЧХ усилителя с LC-контуром.
Рис.2.20. Избирательный усилитель с LC-контуром с трансформаторной связью с нагрузкой.
Рис.2.21. Схемы УМ с трансформаторной связью:
а)однотактного (режим А); б) двухтактного (режим В или АВ) .
Рис.2.22. Схемы УМ на составных транзисторах:
б) двухтактного в режиме В;
в) двухтактного с термостабилизацией в режиме АВ;
г) двухтактного с однополярным питанием (режим АВ).
Раздел 3. Операционные усилители.
Рис. 3.1. Общие сведения об операционных усилителях:
а) общая структурная схема ОУ; б) назначение выводов;
в) УГО, применяемые в отечественной и зарубежной литературе;
г) типовая схема включения ОУ типа К140УД8А.
Рис. 3.2. Передаточные характеристики ОУ:
а) по неинвертирующему входу; б) по инвертирующему входу;
в) по неинвертирующему входу для ОУ К140УД1.
Рис.3.3. Принципиальная схема трёхкаскадного ОУ.
Рис. 3.4. Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ:
а) неинвертирующий усилитель; б) инвертирующий усилитель; в) повторитель; г) инвертор; д) с цепями формирования Uкор .
Рис. 3.5. Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ:
а) нелинейный преобразователь с симметричной
передаточной характеристикой ;
б) ограничитель уровней.
Рис. 3.6. Сумматоры аналоговых сигналов на ОУ:
а)инвертирующий; б) неинвертирующий.
Рис. 3.7. Сумматоры-вычитатели
аналоговых сигналов на ОУ.
Рис. 3.8. Интеграторы аналоговых сигналов на ОУ.
Рис.3.9. Схемы дифференциаторов на ОУ:
а) простого; б) суммирующего.
Рис.3.10. Компаратор постоянных напряжений на ОУ:
а) схема однопорогового компаратора;
б) передаточная характеристика при Uвх >0;
в) передаточная характеристика при Uвх <0.
Рис.3.11. Компаратор переменных напряжений на ОУ:
а) схема компаратора;
б)входная и выходная временные диаграммы.
Рис.3.12. Симметричный гистерезисный компаратор:
а) схема компаратора с инвертирующим входом;
б) передаточная характеристика компаратора.
Рис.3.13. Гистерезисный компаратор с нелинейной ПОС:
а) схема компаратора с инвертирующим входом;
б) передаточная характеристика компаратора.
Рис.3.14. Гистерезисный компаратор сравнения Uвх и Есм :
а)при совпадении полярностей напряжений Uвх и Есм;
б) при несовпадении полярностей напряжений Uвх и Есм.
Рис.3.15.Схемыисточников постоянного тока на ОУ:
а) на инвертирующем усилителе; б) на неинвертирующем усилите.
Рис.3.16. Источники тока с заземлённой нагрузкой на ОУ:
а) отрицательной полярности; б)положительной полярности.
Рис.3.17. Схемыисточников постоянного напряжения:
а) на инвертирующем усилителе; б) на неинвертирующем усилителе.
Рис.3.18. Схема (а) и АЧХ (б) ФНЧ первого порядка на ОУ.
Рис.3.19. Схема (а) и АЧХ (б) ФВЧ первого порядка на ОУ.
Рис.3.20. Полоснопропускные фильтры на ОУ:
а) и б) с многопетлевой обратной связью;
в) с Т-образным мостом в цепи ООС.
Рис.3.21. Схема (а) и АЧХ (б) ПЗФ на основе ФНЧ и ФВЧ.
Раздел 4. Автогенераторы сигналов.
Рис.4.1. Структурная схема автогенератора.
Рис.4.2. Типовые резонансные схемы LC-автогенератора:
а) на полевом транзисторе; б) на операционном усилителе.
Рис.4.3. Варианты трёхточечных LC-автогенераторов:
а) индуктивная трёхточка; б) емкостная трёхточка.
Рис.4.4. Стабилизация частоты в LC – автогенераторах.
Рис.4.5. Частотно-зависимые RC-цепи:
а) Г- образные RC-цепи; б) мост Вина; в) Т-образный мост.
Рис.4.6. Схема автогенератора с Г-образными
RC-цепями.
Рис. 4.7. Схемы автогенераторов на резонансных RC -цепях:
а) с мостом Вина на ОУ;
б) с Т-образным мостом на ОУ;
в) с Т-образным мостом на БПТ.
Рис. 4.8. Схема триггера с общим (счётным) запуском (а)
и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).
tвос ≈ 3Rб2Rcм2С1 /( Rб2 +Rcм2); tф =3RkC = 3Rk2C2 .
T ≈ 1,4RбС; tи ≈ 0,7R1 C1; tп ≈ 0,7R2C2; tф = t1 – t0 ≈ 2,3Rk1C1.
Рис. 4.9. Схема симметричного мультивибратора (а)
и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).
Рис. 4.10. Схема ждущего мультивибратора (а)
и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).
Рис. 4.11. Схемы автоколебательного МВБ на ОУ:
а) ПОС – делитель R3R2 , ООС – интегратор С1 и R1 ;
б) ПОС – дифференциатор на C1 R4 R3, ООС – делитель R2R1.
Рис. 4.12. Схемы одновибратора на ОУ:
а) с подачей Uзап на неинвертирующий вход ;
б) с подачей Uзап на инвертирующий вход.
Рис. 4.13. Схема ГЛИН на БПТ (а)
и временная диаграмма его работы (б).
Рис. 4.14. Схема ГЛИН на ОУс управляющим тиристором (а) и временная диаграмма его работы (б).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ