Схемотехника телекоммуникационных устройств

Москва

Горячая линия – Телеком

2016

УДК 681.3(075.8) 
ББК  32.85я73 

Ч-60 

Р е ц е н з е н т ы :  Заслуженный деятель науки РФ, доктор техн. наук, профессор  
Д. А. Безуглов, доктор техн. наук, доцент  В. А. Погорелов  

Чикалов А. Н., Соколов С. В., Титов Е. В.

Ч-60          Схемотехника телекоммуникационных устройств: Учебное 
пособие для вузов / Под редакцией С. В. Соколова. – М.: Горячая 
линия – Телеком, 2016 – 322 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0514-6. 

Последовательно изложены как принципы построения и работы основных типов аналоговых усилителей, так и наиболее часто используемых 
схем, построенных на их основе. Приведена и подробно рассмотрена схемотехника базовых цифровых функциональных элементов телекоммуникационных систем и систем обработки информации.  
Материал, представленный в пособии, имеет практическую направленность и позволяет обеспечить формирование необходимых компетенций обучающихся. 
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02, 
11.04.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» квалификации «бакалавр», «магистр» и 11.05.04 – «Инфокоммуникационные 
технологии и системы специальной связи» квалификации «специалист»,  
может быть также использовано для изучения дисциплины «Схемотехника» по направлению «Информатика и вычислительная техника». 
ББК 32.85я73 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

Учебное издание 

Чикалов Андрей Николаевич, Соколов Сергей Викторович,  
Титов Евгений Вадимович 

Схемотехника телекоммуникационных устройств 
Учебное пособие для вузов  

Все права защищены.
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме 
и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком»
www.techbook.ru
  ©  А. Н. Чикалов, С. В. Соколов, Е. В. Титов

ВВЕДЕНИЕ 

Непрекращающийся рост требований к системам обработки информации постоянно инициирует появление новых информационных схем, 
ориентированных на решение самых разнообразных задач. Несмотря на 
огромное число видов этих схем и особенности их структур, их архитектура построена, тем не менее, на сравнительно небольшом числе функциональных элементов – триггерах, регистрах, счетчиках, мультивибраторах и т. п. В свою очередь, синтез подавляющего большинства подобных функционально законченных устройств оказывается невозможен без 
использования аналоговых усилительных схем различного назначения. 
В связи с этим, материал пособия предусматривает последовательное 
рассмотрение как принципов построения и работы основных типов аналоговых усилителей, так и наиболее часто используемых схем на их основе, а также цифровых функциональных элементов телекоммуникационных систем и систем обработки информации. 
В пособии предпринята попытка построить изложение материала таким 
образом, чтобы достичь максимальной практической полезности полученных знаний и обеспечить формирование необходимых компетенций.  
Содержание книги ориентировано на специалистов по системам связи и телекоммуникаций, а также системам обработки информации, поэтому соответствует требованиям действующих образовательных стандартов по данным специальностям. 

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 

АРУ – автоматическая регулировка усиления. 
АХ – амплитудная характеристика. 
АЦП – аналого-цифровой преобразователь. 
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика. 
ВАХ – вольтамперная характеристика. 
ВЧ – высокие частоты. 
ГСТ – генератор стабильного тока. 
ДК – дифференциальный каскад. 
ДУ – дифференциальный усилитель. 
ИМС – интегральная микросхема. 
КМДП – технология комплементарная метал-диэлектрикполупроводник. 
КМОП– технология комплементарная метал-окисел-полупроводник. 
МДП – технология метал-диэлектрик-полупроводник. 
МОП – технология метал-окисел полупроводник. 
НРТ – начальная рабочая точка. 
НЧ – низкие частоты.  

Схемотехника телекоммуникационных устройств 

НЭ – нелинейный элемент. 
ОБ – общая база. 
ОИ – общий исток. 
ОК – общий коллектор. 
ООС – отрицательная обратная связь. 
ОС – общий сток, обратная связь. 
ОУ – операционный усилитель. 
ПОС – положительная обратная связь. 
ПФ – полосовой фильтр. 
ПХ – переходная характеристика. 
РТ – рабочая точка. 
РФ – режекторный фильтр. 
СПХ – сквозная передаточная характеристика. 
ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика. 
УП – усилительный прибор. 
УПТ – усилитель постоянного тока. 
УЭ – усилительный элемент. 
ФВЧ – фильтр верхних частот. 
ФНЧ – фильтр нижних частот. 
ФЧХ – фазочастотная характеристика. 
ЦАП – цифроаналоговый преобразователь.  
ЧФК – частотно-фазовая коррекция. 
ШИМ – широтно-импульсная модуляция. 
ШУ – широкополосный усилитель. 
 

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
ОБ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ 
УСТРОЙСТВАХ 

1.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Аналоговые электронные устройства – это устройства усиления и 
обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе 
электронных приборов. К аналоговым относятся сигналы, которые изменяются по тому же закону, что и характеризуемые (описываемые) ими 
физические процессы. Аналоговые сигналы заданы (известны, могут 
быть измерены) во все моменты времени. Аналоговый сигнал как функция времени может быть наглядно представлен графиком или осциллограммой. График может содержать точки разрыва, например, иметь форму импульсов. 
В отличие от аналогового, у дискретного сигнала значения известны 
не на протяжении всего времени, а только в некоторые моменты, например, один раз в каждую миллисекунду. Но по форме (не по содержанию) 
любой дискретный сигнал является аналоговым. Частным видом дискретного сигнала является цифровой. Он получается, если числовые значения дискретного сигнала выразить группами импульсов, обозначающими соответствующие числа (обычно в двоичной системе счисления, 
как самой простой для отображения импульсами). 
Соответственно, все электронные устройства можно разделить на две 
группы: аналоговые и цифровые. Преимущества аналоговых устройств – 
сравнительная простота, надежность и быстродействие – обеспечили им 
самое широкое применение, несмотря на менее высокую точность обработки сигналов. 
Построение аналоговых устройств на основе активных электронных 
приборов позволяет усиливать сигналы. Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, которое за счет энергии источника 
питания формирует новое колебание, являющееся по форме более или 
менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходит 
его по напряжению, току или мощности. Усиление колебания не обязательно увеличивает его мощность, но создается выходное колебание всегда за счет энергии источника питания. Напряжение последнего в усилителе преобразуется в напряжение заданной формы. Поэтому можно считать, что усилитель является преобразователем формы напряжения.  
Совокупность усилителя и источника питания составляет усилительное устройство (рис. 1.1, а). Главной его частью является усилитель, 
вследствие чего эти два понятия обычно отождествляют. 

Схемотехника телекоммуникационных устройств 

К входным зажимам усилителя 1–1' подключают источник усиливаемого колебания (сигнала), который можно представить в виде активного 
эквивалентного двухполюсника с генератором ЭДС Er (см. рис. 1.1, а) 
или с генератором тока Ir (см. рис. 1.1, б), имеющим внутреннее сопротивление Zr. Оба эти представления равноценны и могут быть преобразованы одно в другое. Однако высокоомный источник сигнала (имеющий 
сопротивление Zr, большое по сравнению с входным сопротивлением 
усилителя) целесообразно представлять схемой с генератором тока, 
а низкоомный – схемой с генератором ЭДС. Тогда в первом приближении сопротивление Zr можно не учитывать и эквивалентный активный 
двухполюсник упрощается до идеальных генераторов тока или ЭДС. Источниками входных сигналов могут быть микрофон, детектор, датчик, 
диодный фотоприемник, выход предыдущего усилителя и т. п. 

 
Рис. 1.1. Структурная схема усилителя 

К выходным зажимам 2–2' подключается нагрузка усилителя, имеющая сопротивление Zн. В качестве нагрузок могут быть: громкоговоритель, электронно-лучевая трубка, вход последующего усилителя и т. п. 
В усилителе энергия источника питания преобразуется в энергию 
усиленного колебания с помощью усилительных активных элементов. 
Если в качестве их применяют электронные приборы, то усилители называются электронными. Для усиления электрических сигналов применяют 
почти исключительно их. 
Электронные усилители в современной технике находят самое широкое применение и как самостоятельные устройства, и как составные части более сложных устройств. Их используют в бытовой электронике, звуковом кино, радиолокации, медицине, технике измерений, автоматике и 
т. п. На их основе строятся почти все другие аналоговые электронные 
устройства, обычно, посредством добавления тех или иных цепей обратной связи (ОС). 

 
Глава 1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах 
7 

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 

Аналоговые электронные устройства можно условно разделить на 
две большие группы: усилители и устройства, выполненные на их основе. 
Усилители являются самыми распространенными электронными устройствами. Их принято классифицировать по нескольким признакам. 
По форме усиливаемых сигналов – усилители непрерывных и усилители импульсных сигналов. К первым относятся усилители квазигармонических сигналов (речевые, музыкальные), которые изменяются во времени сравнительно медленно так, что переходные процессы в усилителе 
почти не проявляются. Свойства таких усилителей оценивают по качеству передачи гармонического колебания. Усилители импульсных сигналов 
предназначены для усиления импульсов радиолокационных, телевизионных, телеграфных и т. д. Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства таких усилителей оценивают по форме переходной характеристики. 
По диапазону частот – усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока. Первыми называются такие, которые усиливают 
колебания с частотами, начиная с нуля герц, т. е. способны усиливать как 
переменную, так и постоянную составляющую входного сигнала. Усилители, способные усиливать только переменную составляющую, называются усилителями переменного тока. Они усиливают колебания с частотами от нижней граничной частоты fн до верхней граничной частоты fв. За 
пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой 
пропускания, усиление падает ниже допустимого уровня. 
Среди усилителей переменного тока выделяют: 
• 
Усилители звуковой частоты, рабочий диапазон которых находится в 
пределах от 20 Гц до 20 кГц, при  fв >> fн. 
• 
Усилители радиочастоты, у которых отношение fн/fв близко к единице, а диапазон частот намного выше звуковых. Эти усилители широко применяют в радиоприемных устройствах (изучают в соответствующем курсе). В выходные цепи каскадов здесь включают колебательные контуры, резонансная частота которых fр ≈  (fн+fв)/2. Поэтому они называются также резонансными усилителями. Их полоса 
пропускания ∆ f << fр. Остальные усилители, в отличие от резонансных, иногда называют апериодическими. 
• 
Широкополосные усилители (ШУ), у которых fв > 100 кГц, а fн – десятки герц. Сюда относятся усилители видеотракта в телевизионной 
технике, видеоусилители радиолокационных приемников и т. п. 

По типу усилительных элементов – транзисторные, ламповые, диэлектрические, магнитные и на интегральных микросхемах. 

Схемотехника телекоммуникационных устройств 

По области применения – микрофонные, трансляционные, измерительные, телевизионные, магнитофонные, радиолокационные и т. д. Усилители делят и по функциональному назначению. Так, если главным назначением усилителя является усиление напряжения, то он называется 
усилителем напряжения. Аналогично определяются усилители тока и 
усилители мощности. 
Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие, например: по типу питания (батарейное, сетевое), 
числу каскадов, конструктивному или технологическому исполнению и др. 
Устройства на основе усилителей – это в основном преобразователи 
электрических сигналов и сопротивлений. Первые из них называются 
также активными устройствами аналоговой обработки сигналов. Их 
выполняют на базе усилителей либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями ОС, либо путем некоторого видоизменения. 
Сюда относятся устройства суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования, антилогарифмирования, 
фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. 
Преобразователи сопротивлений также выполняют на основе применения 
принципа ОС в усилителях. Они могут преобразовывать величину, знак и 
характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах обработки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и 
связанные с ними устройства. 

1.3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ 
АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 

Технические показатели любого устройства представляют количественную оценку его свойств. Они характеризуют усиление, величину искажения, точность преобразования, уровни сигналов на входе и выходе и 
т. д. и позволяют оценить степень пригодности устройства для того или 
иного применения. Для устройств широкого применения показатели и 
методы их измерения определяют государственные или отраслевые стандарты (ГОСТ, ОСТ), например, действующий и сейчас ГОСТ 23850–85 
«Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электроакустических параметров». 

1.3.1. Общие сведения. Стандартизация и унификация 

Стандартизация тесно связана с унификацией (уменьшение числа типов), объектом которой может быть как устройство целиком, так и его узлы. 
Номенклатура большинства устройств ограничена разумным числом типов, 
различающихся выходной мощностью, выходным и входным напряжением, 
напряжением питания (от батарей), точностью работы и т. п. 

 
Глава 1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах 
9 

К унифицированным узлам аналоговых устройств, выпускаемым серийно, относятся микросхемы операционных усилителей, стабилизаторов 
постоянного напряжения питания, перемножителей, компараторов, 
а также специализированные микросхемы для радиоприемных, телевизионных и других устройств. Стандартизация и унификация позволяют ускорить и упростить разработки, снизить стоимость производства и его 
подготовки, упростить ремонт. Определение терминов и параметров 
микросхем и методы измерения последних регламентируют ГОСТы, например, ГОСТ 19799–74 «Микросхемы интегральные аналоговые. Методы измерения электрических параметров и определения характеристик» 
(действует и сейчас). 
В первую очередь рассмотрим технические показатели усилителей 
как основного типа аналоговых устройств. Большинство их параметров 
могут быть отнесены и к другим аналоговым устройствам, выполняемым 
на основе усилителей. 

1.3.2. Входное и выходное сопротивления. Коэффициенты 
усиления 

Входное сопротивление Zвх (проводимость Yвх) усилителя или другого 
устройства – это внутреннее сопротивление (проводимость) между его 
входными зажимами. В большинстве случаев оно может быть представлено в виде параллельного соединения резистивного (активного) сопротивления Rвх (проводимости gвх=1/Rвх) и емкости Cвх. В этом случае полная входная проводимость в комплексной форме равна Yвх=gвх+j ω Cвх. 
Желательно иметь большое Rвх (малое gвх) и малое Cвх. Но если входной 
сигнал подается по кабелю, то для согласования с ним требуется Rвх усилителя, равное волновому сопротивлению кабеля, обычно составляющему 75 или 50 Ом. В некоторых измерительных усилителях иногда требуется Rвх → 0 (gвх → ∞ ). 
Выходное сопротивление Zвых усилителя – это внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. По отношению к нагрузке усилитель является источником колебаний, внутреннее сопротивление которого равно Zвых. В области средних частот выходное сопротивление можно считать резистивным (активным). Если усилитель работает на нагрузку, подключаемую через коаксиальный кабель, с которым она согласована, Rвых должно равняться волновому сопротивлению кабеля во избежание отражений, приводящих к искажениям формы импульсов. 
Для усилителей звуковой частоты желательно, чтобы их выходное сопротивление было как можно меньше. Это демпфирует (подавляет) собственные колебания подвижной системы громкоговорителя и ослабляет зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки. Последнее особенно важно для усилителей, работающих на нестабильную нагрузку, например на трансляционную сеть звукового вещания. Применяются специ

Схемотехника телекоммуникационных устройств 

альные показатели: коэффициент демпфирования kд = Rн/Rвых и коэффициент сброса нагрузки 
1
c
вых хх
вых
вых
н
k
U
U
Z
Z
=
=
+
. 

Коэффициент усиления или передачи напряжения усилителя – отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного 
напряжений (рис. 1.1, а): Ku = Uвых/Uвх. Он определяется в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале, используется наиболее часто и в дальнейшем для простоты обозначается 
через K (без индекса). 
Отношение  
 
Kскв = Uвых/Eг  
(1.1) 
называется коэффициентом сквозной передачи или коэффициентом передачи ЭДС. Из рис. 1.1, а следует, что 
 
Kскв=KвхK,  
(1.2) 
где Kвх=Zвх/(Zг+Zвх) – коэффициент передачи (в комплексной форме) 
входной цепи, состоящей из входного сопротивления Zвх и внутреннего 
сопротивления эквивалентного генератора входного сигнала Zг. Очевидно, что с повышением входного сопротивления увеличивается Kвх, а значит, и Kскв. 
Коэффициентом усиления тока называется отношение 
 
KI = Iвых/Iвх.  
(1.3) 
Он используется реже, так как для измерения токов требуется осуществлять разрыв цепей, что трудоемко. Если источник входного сигнала 
представить в виде эквивалентного генератора тока (рис. 1.1, б), то можно ввести понятие коэффициента сквозной передачи тока KI скв= Iвых/Iг. 
Иногда используют также понятия сопротивления передачи Zп= Uвых/Iвх и 
проводимости передачи Yп = Iвых/Uвх. 
Отношение мощности усиленного колебания в нагрузке к мощности, 
подаваемой на вход, называется коэффициентом усиления мощности 
KP = Pн/Pвх. Все три коэффициента усиления взаимосвязаны очевидными 
соотношениями: KP = KIK, KI = KZвх/Zн. 
В связи с тем, что громкость слухового восприятия звукового сигнала пропорциональна логарифму его интенсивности, для сравнения мощностей двух колебаний была введена логарифмическая единица «бел» 
(названа по имени изобретателя телефона А. Белла). 
Коэффициент усиления мощности часто выражают в более мелких 
единицах – децибелах: KP, дБ = 10 lg KP. 
Если мощности Pн и Pвх выделяются на одинаковых сопротивлениях 
(Rн = Rвх = R), то их отношение в децибелах можно выразить через отношение напряжений 

 

2

2
/
10lg
20lg
.
/

вых
вых

вх
вх

U
R
U
U
U
R =