Схемотехника аналоговых электронных устройств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное автономное  образовательное 

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

А. В. КРАВЕЦ

Учебное пособие 

по курсу

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ 

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Ростов-на-Дону  Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.375(075.8)+621.382(075.8)
ББК 32.846.+3285

К771

Печатается по решению кафедры радиоприемных устройств и 

телевидения Института радиотехнических систем и управления Южного 

федерального университета (протокол №8 от 10.03.2016 г.)

Рецензенты:

кандидат технических наук, профессор кафедры радиотехнических систем 

Института радиотехнических систем и управления ЮФУ В. Т. Лобач

кандидат технических наук, начальник отдела 14 НКБ «МИУС» 

И. М. Криворучко

Кравец, А. В.

К771 
Учебное пособие по курсу «Схемотехника аналоговых элек
тронных устройств» / А. В. Кравец ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. – 184 с. 

ISBN 978-5-9275-2741-0
В данной работе изложен теоретический материал, соответству
ющий курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств». 
Соответствует программе курса «Схемотехника аналоговых электронных устройств» для студентов всех форм обучения по направлению «Радиотехника».

УДК 621.375(075.8)+621.382(075.8)

ББК 32.846.+3285

ISBN 978-5-9275-2741-0

© Южный федеральный университет, 2018
© Кравец А. В., 2018
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................
6

1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ……………………..………………..
7

2. ПРОСТЕЙШИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ, ЗАДАНИЕ 
РАБОЧЕЙ ТОЧКИ …………………………………………………..……
16

3. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА 
БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ………………...…………………….
22

3.1. Схема с общим эмиттером …………………………........................
22

3.1.1. Схема с общим эмиттером в области средних частот ……….…
22

3.1.2. Схема с общим эмиттером в области низких частот……..………
26

3.1.3. Схема с общим эмиттером в области высоких частот ……..……
28

3.2. Схема с общей базой …………………………..…………….………
33

3.2.1. Схема с общей базой в области средних частот………………….
33

3.2.2. Схема с общей базой в области низких частот…………………...
35

3.2.3. Схема с общей базой в области высоких частот …………………
36

3.3. Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) …….…..
37

3.3.1. Схема с общим коллектором в области средних частот ……..…
37

3.3.2. Схема с общим коллектором в области низких частот ……….…
41

3.3.3. Схема с общим коллектором в области высоких частот ……..…
41

4. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ (ОС) ………………...……………………………
42

4.1. Основные параметры и определения ……………………………….
42

4.2. Параллельная обратная связь по напряжению (Y-типа) .............
44

4.3. Последовательная обратная связь по напряжению (Н-типа) …...
45

4.4. Последовательная обратная связь по току (Z-типа) ......................
46

4.5. Параллельная обратная связь по току (G-типа) ………………..…
48

4.6. Влияние обратной связи на  нелинейные искажения и помехи ….
49

4.7. Влияние последовательной OOC по напряжению на стабильность 
коэффициента усиления усилителя ….............................................……
50

4.8. Расширение полосы рабочих частот в малосигнальном 
режиме с помощью обратной связи ……...............................……
51

4.9. Устойчивость усилителей с отрицательной обратной связью …....
52

5. ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ
55

5.1. Общие сведения о динамических нагрузках .............……….……..
55

5.2. Каскад  с динамической нагрузкой ...................…………………….
55

Оглавление

4

5.3. Токовое  зеркало……………………………………………………...
57

6. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАСКАД (ДК) …………..………………
60

6.1. Общие сведения………………………………………………………
60

6.2. Малосигнальные усилительные параметры ДУ........................……
63

7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
.............…………………….
68

7.1. Общие сведения
................……………….…………………………
68

7.2. Расширение полосы пропускания  в области низких частот …..…
68

7.3. Расширение полосы пропускания  в области высоких частот…….
68

8. УСИЛИТЕЛИ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ .........…….
75

8.1. Основные сведения об операционных усилителях
........................
75

8.2. Основные параметры операционных усилителей
....................….
77

8.3. Основные схемы включения операционных усилителей …………
81

8.3.1. Инвертирующий усилитель
.............………………..…………..
81

8.3.2. Неинвертирующий усилитель
..................……………………..
84

8.3.3. Повторитель
....................…………………………………………
85

8.3.4. Разностный усилитель .....................……………………………...
85

8.4. Сумматоры
........…………………………………………………….
87

8.4.1. Инвертирующий сумматор
………………….…………………...
87

8.4.2. Неинвертирующий сумматор …………………………..………...
88

8.5. Логарифмические преобразователи на операционном усилителе
90

8.6. Прецизионные выпрямители на операционных усилителях………
92

8.6.1. Однополупериодные выпрямители ……………………………….
93

8.6.2. Двухполупериодные выпрямители ………………………..……..
94

9. ОДНОПОЛЯРНОЕ ПИТАНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ 
УСИЛИТЕЛЕЙ …………………………………………………………..
102

9.1. Основные сведения …………………………………….…………...
102

9.2. Смещение операционных усилителей с однополярным питанием
104

9.3. Схема включения операционного усилителя для  усиления 
сигналов переменного тока
.....…………………………………………
110

9.4. Введение искусственной нулевой точки
.........……………………
110

10. ПОЛНОСТЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ 
УСИЛИТЕЛЬ ……………………………………………………………..
115

10.1. Основные сведения
.......…………….…………………………….
115

10.2. Преобразование несимметричных сигналов 
в дифференциальные .....………………………….……………………..
116

10.3. Новые функции .........………………….…………………………...
118

Оглавление

5

10.4. Инструментальные усилители .........……………………….……..
119

10.5. Фильтры на полностью дифференциальных усилителях …..……
120

11. МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ .......……..….…….
128

11.1. Общие сведения о моделях электронных компонентов ………….
128

11.2. Модели пассивных электронных компонентов
(Passive components)
...........……………………………………………
130

11.2.1. Модель резистора (Resistor) ......…………………….……………
130

11.2.2. Модель конденсатора (Capacitor) .......……………..……………
131

11.2.3. Модель индуктивности (Inductor) ............………………………..
133

11.2.4. Модель взаимной индуктивности и магнитный сердечник (К)
134

11.2.5. Модель линии передачи (Transmission line) ......................……...
135

11.2.6. Модель Диода (Diode) и стабилитрона (Zener) ......................….
136

11.3. Модели активных электронных компонентов ......................……...
151

11.3.1. Модель биполярного транзистора .........………………………...
151

11.3.2. Модель  полевого транзистора с управляющим 
p–n-переходом .....……………………….………………………………..
165

11.3.3. Модели полевых транзисторов с изолированным затвором
…
172

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......……………………………..………………………..
182

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......……………………………..…………….
183

ВВЕДЕНИЕ 

В нашем «цифровом мире» иногда кажется, что аналоговым электрон
ным  устройствам осталось место только в музее. Но в реальном мире 
большинство сигналов аналоговые по своей природе, поэтому даже в самых современных смартфонах, компьютерах, мониторах и любых других 
цифровых приборах есть часть схемы, построенная на аналоговых элементах.

Современная схемотехника аналоговых электронных устройств реша
ет несколько основных задач.

Во-первых, усиление слабых сигналов до уровня, необходимого для 

работы аналогово-цифрового преобразователя. 

Во-вторых, усиление сигналов с выхода цифро-аналогового преобра
зователя до необходимого уровня (усиление по мощности).

В-третьих, получение питающих напряжений для работы схемы. 

Устройства вторичного питания рассматриваются в отдельном предмете, 
поэтому речь в данном пособии пойдет о различных усилительных устройствах и простейших устройствах преобразования сигнала. 

1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления 

входного сигнала. Усиление электрических сигналов на практике всегда 
сопровождается изменением их формы. При этом качество усилителя считается тем более хорошим, чем меньше искажения сигналов.

Усилители условно делят на усилители тока, усилители  напряжения 

или мощности. По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени  
различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. К 
ним относятся усилители низкой частоты, усилители высокой  частоты, 
широкополосные усилители, избирательные усилители и т.д.

Усилители имеют определенные параметры и характеристики. Наибо
лее важным параметром усилителя является его коэффициент усиления, 
который представляет собой отношение параметров выходного сигнала к 
входному. 

Коэффициент  усиления   по напряжению  

вх

вых

U
U
U
=
K
;

коэффициент усиления по току 

вх

вых

I
I
I
=
K
;

коэффициент усиления по мощности 

вх

вых

P
P
P
=
K
.

Иногда, вместо коэффициента усиления, используется коэффициент 

преобразования. 

Например:

вх

вых
U
I
=
S
– коэффициент преобразования входного напряжения в вы
ходной ток, называемый часто крутизной усиления; 

вх

вых
I
P
=
W
– коэффициент преобразования тока в мощность.

Коэффициенты усиления иногда оценивают в логарифмических еди
ницах – децибелах:

1. Параметры и характеристики усилителей электрических сигналов

8











вх

вых

дБ
U
U
U
=
K
lg
20
,    










вх

вых

дБ
I
I
I
=
K
lg
20
,   










вх

вых

дБ
P
P
P
=
K
lg
10
.

Изредка используется единица Непер (Нп):











вх

вых

u
U
U
=
K
ln
,  










вх

вых

i
I
I
=
K
ln
,    










вх

вых

P
P
P
=
K
ln
2
1

.

Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффици
енты усиления отдельных каскадов, то общий коэффициент усиления находят как алгебраическую сумму логарифмических  коэффициентов усиления 
отдельных каскадов [1].

Коэффициент усиления, как правило, является комплексной величи
ной, характеризуемой как модулем, так и фазой. Это связано с наличием 
реактивных компонентов и инерционности активных приборов.

Выходная мощность, как правило, характеризуется номинальной 

выходной мощностью. Под ней понимают мощность на выходе усилителя 
при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник 
или нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение 

выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

ИП

ВЫХ
P
P
=
η
.

К основным характеристикам усилителя относятся: амплитудная, ам
плитудно-частотная, амплитудно-фазовая, фазочастотная и переходная характеристики.

Амплитудная характеристика  зависимость амплитуды напряже
ния первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рис.1.1):

Uвых = f (Uвх).

Уменьшение коэффициента усиления при больших входных сигналах 

определяется нелинейностью характеристик усилительных элементов –
транзисторов [2]. 

1. Параметры и характеристики усилителей электрических сигналов

9

Рис. 1.1. Амплитудная характеристика усилителя

По амплитудной характеристике усилителя определяют динамиче
ский диапазон усилителя, являющийся отношением наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому 
значению:











мин
вх

макс
вх

U

U
=
D
20lg
.

Динамический диапазон усилителя ограничивается, с одной стороны, 

уровнем собственных шумов и помех, наблюдаемых на выходе усилителя, 
а с другой – допустимым уровнем нелинейных искажений, т.е. предельно 
допустимым значениям  Uвх maх.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ) опреде
ляется как зависимость модуля коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала (рис.1.2). По АЧХ определяют полосу пропускания 
усилителя, т.е. рабочий диапазон частот, в пределах которого коэффициент 
усиления изменяется не больше заданного.

Как правило рабочий диапазон частот определяют на уровне 0,7 Кмакс 

(рис. 1.2). АЧХ широкополосных усилителей невозможно изобразить в линейном масштабе по оси частот. Поэтому для них используют логарифмический масштаб. АЧХ, построенную в логарифмическом масштабе, иногда 
называют диаграммой Боде, при этом аппроксимируют при помощи касательных к вершине и склонам характеристики. Точки пересечения каса