Схемотехника аналоговых устройств

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет имени первого Президента 
России Б. Н. Ельцина

Н. Ф. Школа

схемотехника 
аналоговых устройств

Лабораторный практикум

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
12.03.04 — Биотехнические системы и технологии;
14.03.02 — Ядерные физика и технологии;
14.05.04 — Электроника и автоматика физических установок

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 621.3.049.77(076.5)
ББК 32.852я7
          Ш66
Рецензенты:
д‑р физ.‑мат. наук Г. И. Пилипенко (Уральский институт связи и информатики (филиал СибГУТИ);
замгенерального директора по РЗиА С. Л. Олин (инженерная компания 
«ООО ПРОСОФТ‑СИСТЕМЫ»)

Научный редактор — д‑р физ.‑мат. наук, проф. И. Н. Огородников

 
Школа, Н. Ф.
Ш66    Схемотехника аналоговых устройств : лабораторный практикум / Н. Ф. Школа ; Мин‑во науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 192 с.

ISBN 978‑5‑7996‑3092‑8

Лабораторный практикум предназначен для закрепления теоретических знаний и формирования у обучающихся компетенций по анализу и синтезу схем аналоговых электронных устройств и приборов экспериментальной физики, изучения 
методов измерения их основных показателей и развития навыков практической 
работы с современными измерительными приборами. В предлагаемом практикуме изучение схем осуществляется с помощью методов расчета схем по формулам, 
компьютерного моделирования и их натурного макетирования.

Библиогр.: 39 назв. Рис. 75. Табл. 9.

УДК 621.3.049.77(076.5)
ББК 32.852я7

ISBN 978‑5‑7996‑3092‑8 
© Уральский федеральный 

 
     университет, 2020

Предисловие

Ц

ель практикума — формирование у обучающихся общепрофессиональных и профессиональных компетенций в области 
аналоговой электроники при решении задач анализа электронных усилительных и преобразовательных схем различной сложности, создания электрических и математических моделей схем и их 
расчета, синтеза схемных решений с применением современных схемотехнических САПР, освоения методик измерения основных показателей устройств с применением современных измерительных приборов.
Лабораторный практикум состоит из 8 связанных между собой методически и схемотехнически работ.
Лабораторная работа № 1 посвящена изучению возможностей моделирования схем в среде схемотехнической САПР Micro‑Cap на примере дифференциального двухкаскадного усилителя. В работе исследуются характеристики схемы, характеристики и параметры моделей 
отдельных компонентов и влияние их производственного разброса 
на параметры схемы. Исследуются нагрузочные характеристики делителя напряжения, часто используемого в схемотехнике аналоговых 
устройств для задания опорных потенциалов.
Лабораторная работа № 2 знакомит с составом современных измерительных средств исследования электронных схем на примере цифрового запоминающего осциллографа TDS2002, генератора им пульсов 
произвольной формы AGF3021, цифрового мультиметра MY65, источников питания, с методами работы с ними, методами измерения основных показателей исследуемых схем.
В лабораторной работе № 3 исследуются характеристики основных 
частотно‑зависимых RCи RLCцепей, являющихся моделями поведения аналоговых схем в различных областях частот и времени при 
импульсном воздействии; изучаются методы частотной компенсации; 
методы измерения основных параметров.

Предисловие

В работе № 4 изучается статический режим однокаскадного усилителя ОЭ на биполярном транзисторе, схемные методы его стабилизации. Исследуется зависимость положения исходной рабочей точки активного элемента при номинальном значении параметра и его 
производственном разбросе на примере коэффициента усиления тока 
базы транзистора.
В работе № 5 исследуются динамические свойства однокаскадного усилителя ОЭ на биполярном транзисторе, влияние отрицательной 
обратной связи на характеристики каскада. Изучается методика ВЧкоррекции каскада ОЭ малой эмиттерной емкостью.
В работе № 6 исследуются характеристики основных усилительных схем на интегральных ОУ, схемные методы частотной коррекции 
и компенсации влияния емкостей на устойчивость операционных схем.
В работе № 7 исследуются операционные схемы с частотно‑зависимыми обратными связями 1‑го и 2‑го порядка. Рассмотрена схема Салена — Кея фильтра 2‑го порядка и схема спектрометрического фильтра CR‑2RC на основе фильтра Бесселя.
В работе № 8 изучается схемная реализация и характеристики активных фильтров различных типов и порядков. Моделируются схемы 
в режиме автогенератора.
Все исследуемые в лабораторном практикуме схемы моделируются в пакете Micro‑Cap по готовым файлам и собираются на макетной 
плате в целях их экспериментального исследования.
Изучение схем может ограничиваться лишь теоретико‑модельными 
этапами в соответствии с домашними заданиями и вопросами к каждой лабораторной работе, а для более глубокого усвоения может дополняться соответствующими макетными лабораторными экспериментами в соответствии с рабочими заданиями.
По результатам проведенных исследований оформляется отчет 
по приведенным требованиям. Отчеты составляют студенты индивидуально, сдают на проверку перед выполнением очередной лабораторной работы, а на последнем занятии лабораторного практикума обучаемые их защищают.

1. система схемотехнического  
проектирования Micro-Cap6  
и ее возможности по анализу электронных схем

Ц

ель работы — ознакомиться с программой установки системы, 
интерфейсом программы и ее основными возможностями; 
выполнить анализ свойств разработанных схем и их элементов, создать принципиальные схемы и выполнить их анализ; освоить 
вывод результатов анализа; приобрести навыки по работе с виртуальными компонентами и простейшими схемами на их основе.

1.1. общие сведения о системе Micro-Cap

Изучение схемотехнического моделирования электронных устройств 
рекомендуется начать с освоения одной из программ семейства MicroCap (MicrocomputerCircuitAnalysisProgram) фирмы SpectrumSoftware.
Рассмотрим этапы развития программы Micro-Cap.
CircuitDesigner (авг. 1981) — созданы текстовый редактор и программа моделирования;
Micro-CapI (сент. 1982) — разработан графический ввод, динамическое отображение графиков;
Micro-CapII (нояб. 1984) — создана на языке Бэйсик программа 
с ограничением максимального размера схемы 50–150 узлов;
Micro-CapIII (дек. 1988) — разработан на язык Си удобный графический редактор, но точность моделирования низка;
Micro-CapIV (февр. 1992) — разработаны вычислительные алгоритмы SPICE 2G.6, получена полная совместимость с пакетом программ 
PSpice по принятым моделям компонентов, допустимый объем анализируемых схем составил 10 000 узлов;

1. Система схемотехнического проектирования Micro-Cap6 и ее возможности по анализу электронных схем  

Micro-CapV версия 1 (авг. 1995) — программа переведена на платформу Windows, обеспечена поддержка кириллицы, выполнено совместное моделирование аналого‑цифровых устройств, обеспечена 
полная совместимость с пакетом программ PSpice;
Micro-CapV версия 2 (авг. 1997) — программа обеспечила развитый 
многовариантный анализ;
Micro-Cap6 (дек. 1999) — программа дополнена редактором плат 
и дизайнером фильтров;
Micro-Cap7 (2001) — разработана сетевая версия программы MicroCap;
Micro-Cap8 (июль 2004) — расширены библиотеки компонентов, 
расширены возможности меню и окон программы Micro-Cap;
Micro-Cap9 (янв. 2007), Micro-Cap10 — используют более совершенные модели компонентов и алгоритмы расчетов;
Micro-Cap11 (дек. 2013) — обеспечена разрядность 32bit и 64bit, изображения всех элементов соответствуют нормам ЕСКД; добавлены библиотеки, исправлен ряд ошибок.
Micro-Cap12 (июль 2018) — выпущена ознакомительная версия.
По своим функциональным возможностям Micro-Cap находится 
между профессиональной программой моделирования аналого‑цифровых устройств PspiceA/D, входящей в состав пакета DesidnLab 8.0, 
и более дешевым базовым вариантом с ограниченными возможностями PspiceA/DBasics+ (табл. 1.1). Основное ее отличие от DesignLab — 
работа под управлением одной управляющей оболочки, в которой при 
смене режима лишь частично изменяется состав меню команд. В системе DesignLab, при смене режима, один экран полностью заменяется другим, выполненным иначе, что затрудняет ее освоение начинающими пользователями.
Таблица 1.1
Наличие характеристик программ моделирования

Характеристика
Pspice
A/D
Pspice A/D 
Basics+
MicroCap5
MicroCap6
Графический ввод схем
Да
Да
Да
Да
Интерфейс с программами разработки 
печатных плат
Да
Да
Нет
Да

Расчет режимов DC, AC, Transient
Да
Да
Да
Да
Расчет шумов, спектров, вариация температуры
Да
Да
Да
Да

1.1. Общие сведения о системе Micro-Cap

Характеристика
Pspice
A/D
Pspice A/D 
Basics+
MicroCap5
MicroCap6
Статистический анализ по методу Монте‑Карло и расчет наихудшего случая
Да
Нет
Да
Да

Применение функциональных зависимых источников
Да
Да
Да
Да

Учет задержек распространения сигналов 
в цифровых компонентах
Да
Нет
Да
Да

Наличие программы идентификации параметров моделей
Да
Нет
Да
Да

Наличие модуля параметрической оптимизации
Да
Нет
Да
Да

Расчет целостности сигналов
Да
Нет
Нет
Нет

1.1.1. основные возможности системы Micro-Cap6

Система Micro-Cap6 включает в себя:
§ многостраничный графический редактор принципиальных схем, 
поддерживающий иерархические структуры;
§ интерактивный имитатор, не требующий загрузки дополнительных программ;
§ интегрированный разработчик активных и пассивных фильтров;
§ интерфейс, обеспечивающий передачу задания для последующей разработки печатных плат;
§ совместимое цифровое моделирование;
§ большую библиотеку компонентов, состоящую из наиболее популярных цифровых интегральных схем дискретной логики 
и ПЛИС и аналоговых компонентов типа диодов, биполярных, 
полевых и МОП‑транзисторов, магнитных сердечников, линий 
передачи с потерями, макромоделей операционных усилителей, 
кварцевых резонаторов, датчиков Холла и т. п. Все эти модели 
написаны в стандартном формате SPICE и могут быть использованы программами моделирования MicroSim, IntoSoft и др.; макромодели компонентов могут быть представлены в виде принципиальных электрических схем или в текстовом виде;
§ функциональное моделирование аналоговых и цифровых компонентов, возможность описания цифровых компонентов с помоОкончание табл. 1.1

1. Система схемотехнического проектирования Micro-Cap6 и ее возможности по анализу электронных схем  

щью логических выражений. В сочетании с библиотекой графических символов типовых операций это позволяет моделировать 
динамические системы, заданные не только принципиальными, 
но и функциональными схемами;
§ вывод графиков результатов в процессе моделирования или после его окончания по выбору пользователя;
§ мощные средства обработки графиков;
§ многомерное варьирование параметров;
§ трехмерную графику представления результатов моделирования;
§  статистический анализ по методу Монте‑Карло;
§ динамическое представление на схеме узловых потенциалов, токов ветвей, рассеиваемых мощностей и состояний р-п переходов 
активных элементов;
§ анимационные устройства (семисегментный дисплей, светодиоды, переключатели);
§ специальную программу MODEL для расчета параметров математических моделей по справочным или экспериментальным 
данным;
§ сетевую версию для выполнения совместных проектов;
§ встроенные средства помощи; при наличии ошибок информация о них мгновенно появляется на экране;
§ электронную документацию и контекстно ориентированные 
средства помощи.
Для системы Micro-Cap имеется ознакомительная версия, которая предназначена для моделирования схем, содержащих не более 
50 компонентов или 100 связей; в ней отсутствует программа MODEL. 
Эта версия распространяется бесплатно и рекомендуется для учебных целей.
Следующие наиболее интересные системы схемотехнического моделирования также представлены своими демоверсиями:
§ DesignLab 8.0 (80dlabe.exe, 15.7 Mb);
§ Pspice 9.1 (91pspstu, 27.2 Mb);
§ DrSpice 2000 (drdemo82.exe, 10.0 Mb);
§ Electronics Workbench 5.0 (ewbdemo.exe, 4.42 Mb);
§ Electronics Workbench 6.0 (msmdemo.exe, 28.6 Mb).
Подробное описание системы приведено в литературе [1–4].

1.1. Общие сведения о системе Micro-Cap

1.1.2. установка системы

Система Micro-Cap состоит из двух программ:
§ МС6 — основная программа;
§ MODEL — программа идентификации параметров математических моделей компонентов по паспортным данным.
Ознакомительная версия системы распространяется бесплатно 
в виде архивного файла DEMO.ZIP размером 1.73 Mb и устанавливается обычным образом из среды Windows с указанием имени диска.
После установки в каталоге МС6 располагаются следующие файлы:
МСAP.DAT — файл конфигурации программы МС6;
MC6.EXE (MC5DEMO.EXE) — программа МС6;
MC6.HLP — встроенная помощь;
COMP.MC6 — библиотека описаний компонентов;
MODEL.DAT — файл конфигурации программы;
MODEL.EXE — программа;
MODEL.HLP — встроенная помощь;
STANDARD.CMP — библиотека компонентов;
STANDARD.SHP — библиотека условных графических обозначений (символов) компонентов (могут быть выполнены по ЕСКД);
STANDARD.PKGбиблиотека упаковки компонентов.
В подкаталог MC6\DATA заносят файлы схем, библиотек математических моделей компонентов и результатов их моделирования. Приняты следующие соглашения о расширениях имен файлов:

.AMC
Текстовый файл статистической обработки расчетов частотных характеристик при разбросе параметров по методу Монте‑Карло

.ANO
Текстовый файл результатов расчетов частотных характеристик, отмеченных в меню AC analysis Limits
.ASA
Бинарный файл результатов расчетов частотных характеристик
.CIR
Файл описания схем в формате МС6
.CKT
Файл описания схем и задания на моделирование в формате SPICE

.DMC
Текстовый файл статистической обработки расчетов передаточных 
функций по постоянному току при разбросе параметров по методу 
Монте‑Карло

.DNO
Текстовый файл результатов расчета передаточных характеристик 
по постоянному току, отмеченных в меню DC analysis Limits
.DSA
Бинарный файл результатов расчетов передаточных характеристик