Основы схемотехники

А. И. Бабёр

ОснОвы схемОтехнИкИ

Рекомендовано учреждением образования

«Республиканский институт профессионального образования» 
Министерства образования Республики Беларусь в качестве 
пособия для учащихся учреждений образования, реализующих 

образовательные программы среднего специального образования 

по специальности «Автоматизация технологических 

процессов и производств»

Минск
РИПО
2018

УДК 621.3.049.77(076)
ББК 32.844я723
       Б12

А в т о р: 

преподаватель УО «Минский государственный 

колледж электроники» А. И. Бабёр.

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия электротехники и эксплуатации 

электронных систем филиала «Минский государственный 

автомеханический колледж имени М.С. Высоцкого» 

УО РИПО (Л. В. Сычёва);

доцент кафедры «Автоматизированные системы управления 
производством» УО «Белорусский государственный аграрный 

технический университет», кандидат технических наук, 

доцент А. Г. Сеньков.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой 

ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства об
разования Республики Беларусь.

Б12

Бабёр, А. И.

Основы схемотехники : пособие / А. И. Бабёр. – Минск : 

РИПО, 2018. – 110 с. : ил.

ISBN 978-985-503-754-6.

Рассмотрены выпускаемые промышленностью микросхемы и схе
мотехника их использования, особенности входных и выходных цепей, 
возможности стыковки и согласования уровней сигналов, требования к 
источникам питания, вопросы помехозащищенности и др. Приведены 
примеры, позволяющие разобраться в особенностях применения отдельных микросхем и их соединений.

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального об
разования по специальности «Автоматизация технологических процессов 
и производств». Может быть полезно студентам вузов и специалистам, 
работающим в области автоматизации технологических процессов.

УДК 621.3.049.77(076)
ББК 32.844я723

ISBN 978-985-503-754-6 
© Бабёр А. И., 2018
© Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2018

ПредИслОвИе

Знания из области схемотехники широко используют в про
мышленности при создании радиоэлектронной аппаратуры для 
связи, автоматики, телевидения, радиолокации, навигации, вычислительной техники, систем управления технологическими 
процессами и др. Поэтому изучение схемотехники является важной задачей подготовки специалистов в области эксплуатации 
автоматизированных систем управления.

В настоящем пособии в доступной для понимания учащих
ся форме изложены основы схемотехники аналоговых и цифровых устройств. При изложении материала дополнительный акцент сделан на практическое совместное использование отдельных элементов микроэлектроники для создания электронных 
устройств. Представлены возможности применения элементной 
базы электроники, стыковки элементов и использования их для 
создания определенных устройств, приведены вопросы для самопроверки.

Пособие предназначено для изучения правил построения ана
логовых, цифровых узлов и устройств, которые применяют при 
разработке систем автоматического программного управления и 
автоматизации технологических процессов в производстве.

рАздел 1. АнАлОгОвАя схемОтехнИкА

Электронные устройства (датчики температуры, давления и 

других физических величин) являются источниками аналоговых 
сигналов. Управление многими устройствами (например, двигателями) часто осуществляется в аналоговой форме. Поэтому, несмотря на то, что большинство вычислительных и управляющих 
комплексов являются числовыми (цифровыми), обработка и преобразование аналоговых сигналов не теряют своей актуальности. 
Более того, некоторые устройства как были, так и остаются аналоговыми. Аналоговая техника постоянно совершенствуется, и 
рынок аналоговых элементов и устройств постоянно расширяется 
как по объему используемых устройств, так и по номенклатуре. 
При этом улучшаются и эксплуатационные характеристики, надежность и качество аналоговых элементов.

1.1. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) разработан для выполнения 

математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ОУ был выпущен в 1942 г. на лампах, имел большие 
размеры и был достаточно дорогим. Переход к транзисторам вызвал 
резкое уменьшение размеров, увеличение надежности и снижение 
стоимости ОУ. Интегральные микросхемы (отечественный аналог 
140УД1), несмотря на существенные недостатки, нашли широкое 
применение и высокий спрос на рынке. ОУ 153УД1 лишен многих 
недостатков и применяется до сих пор. Разработанные позже ОУ 
LM101 и LM101А (их отечественные аналоги 153УД2 и 153УД6) не 
требовали внешних цепей защиты, в них использовались новинки, 

1.1. Операционные усилители

в том числе многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, 
применение их стало проще и удобнее.

Операционный усилитель представляет собой дифференциаль
ный усилитель постоянного тока с двумя входами, большим коэффициентом усиления и малыми токами смещения.

Благодаря малым размерам, высокому коэффициенту усиле
ния, почти идеальным характеристикам (за счет интегрального 
исполнения) свойства усилителя определяются в основном внешними цепями. За счет низкой стоимости и простоты использования схемы многих устройств часто выгодно выполнять с помощью ОУ вместо транзисторов.

Обозначение ОУ показано на рисунке 1.1. Первоначально ОУ 

изображали по варианту а. Входы усилителя располагали слева, 
выходы справа, а цепи питания и корректирующие цепи – на 
боковых линиях. Такое обозначение до сих пор можно встретить 
в литературе и в технической документации. ГОСТ 2.759–82 требует обозначений по вариантам б и в. Входы располагают слева, 
выходы справа, в центральном поле помещают символ усилителя 
и выполняемую функцию, на боковых полях – входы и выходы и 
их функции. Вариант б – упрощенное обозначение ОУ.

а
б
в

Рис. 1.1. Условно-графические обозначения ОУ

Операционные усилители имеют два равнозначных входа: U1

и U2. Однако для определенности один из входов называют прямым, другой – инвертирующим. Инвертирующий вход обозначают кружочком (см. рис. 1.1), знаком «–» (минус) или символом n 
(negative), прямой – знаком «+» (плюс), символом p (positive) или 
вообще он не имеет символа. 

Операционные усилители имеют очень большие входные со
противления (более 50 кОм), поэтому их входные токи малы и в 
расчетах используют коэффициенты усиления по напряжению.

Как у любого дифференциального усилителя, выходное на
пряжение пропорционально разности входных напряжений. Чтобы 
по фазе оно соответствовало прямому входу, принято считать

Раздел 1. Аналоговая схемотехника

Uвых = КU (U1 – U2), или Uвых = КU (Uпр – Uинв), 

или Uout = КU(Up – Un).

Коэффициент усиления КU называют дифференциальным ко
эффициентом усиления. Реальные ОУ имеют достаточно большие коэффициенты усиления: КU = 103…...30 · 106. Напряжение 
Uпр – Uинв называют дифференциальным входным напряжением; 
напряжение (Uпр – Uинв) / 2 – синфазным входным напряжением 
(синфазное входное напряжение рассматривалось при изучении 
балансных усилителей).

Чтобы обеспечить возможность работы ОУ с разнополярны
ми напряжениями, используют два источника питания. Плюс 
одного источника подключают к входу питания «+ ОУ», минус 
другого источника – к входу питания «– ОУ». Источники имеют 
общую точку, которая обычно подключается к корпусу устройства; относительно этой точки выдается выходной сигнал ОУ. 

Большинство ОУ имеют питание ±15 В, однако множество 

усилителей питается самыми разными напряжениями, вплоть до 
однополярных. Обычно цепи питания усилителей в схемах не 
показывают, но в левом нижнем углу схемы помещают таблицу 
питания, в которой указывают напряжение, подключаемое к соответствующему выводу микросхемы. В случае необходимости на 
правом или левом боковом поле условно-графического обозначения ОУ выделяют отдельный участок, на котором показывают 
подключение источников питания.

Имея огромный коэффициент усиления КU, ОУ в обычном 

исполнении может применяться весьма ограниченно. Поэтому 
его охватывают отрицательной обратной связью – ООС (рис. 1.2). 
Цепь ОС имеет коэффициент передачи β. На вход цепи ОС подается выходной сигнал Uвых усилителя с ОС, а на вход усилителя – 
сигнал ΔU = Uвх – βUвых. Поэтому 

Uвых = KU ΔU = KU (Uвх – βUвых) = KUUвх – KU  βUвых.

Uвх
ΔU
КU

Uвых

βUвых

β

Рис. 1.2. Операционный усилитель с обратной связью

1.2. Основные схемы включения операционного усилителя

После переноса слагаемых, содержащих Uвых, влево, а Uвх – 

вправо, получается

Uвых+ KU  βUвых = KUUвх, или Uвых (1 + KU  β) = KUUвх,

откуда коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС,

вых

вх

1
.
1
1

U

U

U

U
K
К
U
K
K

=
=
=
+
β
+ β

(1.1)

В знаменателе выражения (1.1) первым слагаемым можно 

пренебречь вследствие того, что KU очень велико, а β = 0,01…–1. 
Поэтому 

1 .
К = β
(1.2)

Из выражения (1.2) следует, что коэффициент усиления усили
теля с ОС не зависит от коэффициента усиления самого усилителя 
и определяется, в основном, цепью ОС.

Из этого следует еще один важный вывод: изменяя элементы 

цепи ОС, можно изменять такие качества усилителя, как линейность, коэффициент усиления, осуществлять нелинейные преобразования и т. д.

1.2. Основные схемы включения 

операционного усилителя

Принятые допущения
Поскольку ОУ имеет два входа, его можно использовать для 

усиления сигнала, подключенного к одному из входов (прямому 
или инвертирующему), или для усиления разности двух сигналов, подключенных к обоим входам. Во всех случаях входные и выходные напряжения должны измеряться относительно 
некоторой общей шины, в качестве которой можно использовать, например, корпус, а также необходимо использовать ООС. 
Чтобы создать ООС, напряжение прямого выхода следует подать 
на инвертирующий вход усилителя (или инвертирующий выход 
подать на прямой вход).

Существуют три возможности включения ОУ, которые будут 

рассмотрены ниже. При этом приняты следующие допущения.

Раздел 1. Аналоговая схемотехника

1. Входные сопротивления ОУ равны бесконечности, а вход
ные токи равны нулю.

2. При наличии ООС напряжения на входах ОУ одинаковы. 

Это легко доказать. 

Ниже приведены три способа доказательства:
а) чем больше разность напряжений на входах, тем больше 

выходной сигнал, пропорциональный разности входных напряжений. Однако при наличии ООС этот выходной сигнал поступает на инвертирующий вход, уменьшая разность напряжений 
между входами на величину, пропорциональную этой разности. 
Процесс станет установившимся только в случае равенства напряжений на входах;

б) если напряжения неодинаковы, выходное напряжение бу
дет изменяться до тех пор, пока напряжения на входах уравняются (следует заметить, что это качество не относится к ПОС – положительной ОС);

в) математически доказательство проще провести для случая 

К = 1, β = 1. В этом случае при напряжениях на входах U1 и U2
Uпр = U1, а Uинв = U2 + Uвых = U2+ (U1 – U2) = U1, т. е. на прямом и 
инвертирующем входах напряжения равны U1, т. е. одинаковы.

3. При равных сигналах на входах напряжение на выходе 

равно нулю (в реальности добиться равенства входных сигналов очень трудно, а внутренние цепи усилителя дают смещение 
нуля).

неинвертирующее включение
Входной сигнал подается на прямой вход. Организовать ООС 

по этому входу невозможно, так как она будет положительной. 
ООС создается по инвертирующему входу (рис. 1.3). 

Uвх
Uвых

R1

R2

Рис. 1.3. Неинвертирующее включение ОУ

1.2. Основные схемы включения операционного усилителя

На инвертирующий вход подается напряжение 

U = 

вых
2
1
2
.
U
R
R
R
+

Это напряжение должно быть равным напряжению на неин
вертирующем входе, т. е.

вых
вх
2
1
2
.
U
U
R
R
R
=
+

Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

вых
1
2
1

вх
2
2
1
.
U
R
R
R
K
U
R
R
+
=
=
=
+
(1.3)

Из выражения (1.3) следует, что коэффициент усиления не
инвертирующего усилителя > 1. При R2 = ∞ (инвертирующий 
вход отсоединен от общей шины и присоединен к выходу) независимо от величины R1 K = 1. Усилитель, в котором выход 
присоединен к инвертирующему входу, является повторителем 
напряжения, так как в этом случае K = 1.

Повторители выпускают в виде микросхем. В одном корпусе 

размещают четыре и более повторителей.

Инвертирующее включение
Входной сигнал подается на инвертирующий вход. По это
му же входу организуется ООС через сопротивление R2. Прямой 
вход ОУ подключается к общей шине (рис. 1.4). 

Uвых
Uвх
R1

R2

Рис. 1.4. Инвертирующее включение ОУ

Ток усилителя по инвертирующему входу равен нулю. В со
противлениях R1 и R2 возникает ток i за счет разности напряжений Uвх и Uвых. На инвертирующем входе усилителя напряжение 
равно Uвх – iR1 и Uвых + iR2. И оно же равно напряжению на неинвертирующем входе, т. е. нулю.

Раздел 1. Аналоговая схемотехника

Поэтому 

Uвх – iR1 = 0, откуда Uвх = iR1;

Uвых + iR2 = 0, откуда Uвых = – iR2.

Коэффициент усиления 

вых
2
2

вх
1
1
.
U
iR
R
K
U
iR
R
−
=
=
= −
(1.4)

Из выражения (1.4) следует, что: а) выходное напряжение на
ходится в противофазе к входному; б) коэффициент усиления 
может быть как больше, так и меньше единицы.

Поскольку напряжение на инвертирующем входе равно 

нулю, входной ток схемы i = Uвх / R1 , т. е. входным сопротивлением ОУ с ОС является R1. Чтобы получить усилитель с высоким коэффициентом усиления К, необходимо уменьшить R1 (см. 
выражение (1.4)), но тогда уменьшается и входное сопротивление. Можно увеличить R2, но это приведет к нестабильности ОУ. 
Чтобы получить усилитель с большим коэффициентом усиления 
и высоким входным сопротивлением, используют специальные 
схемы цепи ОС.

Схема позволяет суммировать несколько входных напряже
ний (рис. 1.5), поскольку напряжение на инвертирующем входе 
равно нулю:

1
2

1
2

вх
вх
вых
2
1
2
3

вх
в

1

х
ых

1
3

1

в

2

2
;
; 
,

.

;
U
U
U
i
R
R
R

U
U
U
R
R

i
i

R

i
i
i
+
=
=
=
= −

+
= −
(1.5)

R1
i1
i

i2

R3

R2
Uвых

1
2
вх
вх
вых.
U
U
U
+
= −

1
2
вх
вх
вых.
U
U
U
+
= −

Рис. 1.5. Суммирование напряжений 

на инвертирующем усилителе