Основные устройства аналоговой электроники

М.В. Белодедов, М.М. Абулкасимов

Основные устройства  
аналоговой электроники 

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.37
ББК 32.844
Б43

ISBN 978-5-7038-5104-3

 
Белодедов, М. В.

Б43 
 
Основные устройства аналоговой электроники : учебное пособие / 

М. В. Белодедов, М. М. Абулкасимов. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2019. — 109, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5104-3

Рассмотрены основные темы курса «Электроника». Приведены краткие теоретические сведения, примеры расчета и проектирования электронных устройств, контрольные вопросы, сформулированы программы выполнения лабораторных работ 
по каждой теме и требования к оформлению отчета. Все работы могут выполняться 
с применением как реальных элементов электроники и реальной измерительной 
аппаратуры, так и программ-симуляторов, таких как Proteus, Electronics Workbench, 
Microсap и т. п. 
Для студентов 2-го курса, обучающихся по направлению подготовки бакалавра 
09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» (профиль «Системы обработки 
информации и управления») в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Издание может оказаться полезным для студентов других специальностей при изучении дисциплин «Электроника», «Аналоговая схемотехника», «Основы радиоэлектроники».

УДК 621.37
ББК 32.844

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2019

Факультет «Информатика и системы управления»
Кафедра «Системы обработки информации и управления»

Рекомендовано Научно-методическим советом  

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Издание доступно в электронном виде по адресу
ebooks.bmstu.press/catalog/193/book1987.html

Предисловие

Настоящее учебное пособие разработано в соответствии с рабочей программой дисциплины «Электроника» для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавра 09.03.01 «Информатика и вычислительная 
техника» (профиль «Системы обработки информации и управления»), и предназначено для приобретения студентами практических навыков конструирования при изучении базовых модулей указанной дисциплины: «Электронные 
приборы полупроводников электроники и их применение» и «Усилители и 
стабилизаторы напряжения на биполярных и полевых транзисторах».
Основной целью учебного пособия является подготовка студентов к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электроника». В ходе лабораторных работ обучающиеся освоят общие принципы и положения современной схемотехники полупроводниковых устройств, методы расчета и 
анализа электронных устройств и узлов, а также приобретут опыт и навыки 
практического применения этих устройств и устройств измерения электронных параметров и характеристик.
В учебное пособие включены темы дисциплины «Электроника», которые 
требуют освоения обучающимися навыков практических расчетов и конструирования основных устройств аналоговой полупроводниковой схемотехники, 
использующихся в настоящее время в автоматизированных системах обработки информации и управления (АСОИУ), вычислительных и телекоммуникационных системах. Следует отметить, что предлагаемое учебное пособие 
не охватывает учебный курс «Электроника» целиком, для его полного освоения необходимо изучение лекционного материала и рекомендованной литературы.
Для работы с учебным пособием необходимо предварительное овладение 
студентами материалом дисциплин «Математический анализ», «Физика», 
«Электротехника».
В начало каждой темы учебного пособия вынесены ключевые слова и 
термины, смысл которых раскрывается в данной теме. В тексте они выделены курсивом.
По каждой теме предусмотрено выполнение лабораторной работы. Краткие теоретические сведения предваряют описание  примерной программы 
выполнения лабораторной работы, требования к содержанию отчета, контрольные вопросы по темам. 
Изложенный в пособии теоретический материал служит дополнением к 
лекционному курсу и может быть использован при подготовке обучающихся 
к итоговой аттестации, семинарам и выполнению домашних заданий по дисциплине «Электроника».

Предисловие

Программы выполнения лабораторных работ по темам пособия не содержат конкретного описания необходимого лабораторного оборудования. Это 
связано с тем, что лабораторные работы могут проводиться как с использованием реальных электронных компонентов и приборов в учебных лабораториях, так и путем применения разнообразных симулирующих программ, 
таких как Proteus, Electronics Workbench, Simulink, Microcap, Orcad и т. д.,  
в компьютерных классах и при домашней подготовке. Рекомендуется каждую работу выполнять в сотрудничестве с преподавателем, ведущим соответствующий курс. 
Составление отчета, отражающего объем выполненной работы и полученные результаты, можно рассматривать как разновидность оформления 
технической документации, овладение навыками которого является неотъемлемой частью подготовки бакалавра. Защита лабораторной работы проходит в форме доклада студента перед преподавателем с представлением отчета и демонстрацией используемых схем в рабочем состоянии.
Предлагаемые в пособии контрольные вопросы не рассчитаны на непосредственный поиск ответов на них в тексте теоретической части темы, ответить на эти вопросы возможно лишь после тщательного изучения и усвоения разбираемого материала. 
Пособие содержит словарь терминов, список основной и дополнительной литературы и приложение, включающее справочные данные о наиболее 
распространенных элементах электроники.
Выполнение всех лабораторных работ является необходимым условием 
успешной аттестации студента по дисциплине «Электроника».
Овладение материалом необходимо для успешного освоения последующих дисциплин направления, таких как «Схемотехника дискретных устройств», 
«Сети и телекоммуникации», «Защита информации», «Архитектура АСОИУ», 
«Технологии конструирования ЭВМ», «Элементы управления АСОИУ», «Эксплуатация АСОИУ» и др.

Введение

Перспективы и направления развития электроники зависят в первую очередь от научных достижений в области физики, химии, математики и техники 
полупроводников. Электроника, связанная с нарастанием информационных 
потоков, уже давно перешла в область микроэлектроники, где достигнуты впечатляющие успехи благодаря миниатюризации, снижению потребления энергии, повышению быстродействия, расширению функциональных возможностей электронных средств.
В настоящее время наблюдается переход от микроструктур к наноструктурам, что ведет к увеличению степени интеграции полупроводниковых приборов и улучшению энергетических параметров базовых элементов электроники, 
в первую очередь транзисторов, а на их основе — всех других функциональных 
узлов электроники. По мнению ведущих ученых, наноструктуры будут основной элементной базой в ближайшие 30–50 лет.
Рассмотренные в учебном пособии основные узлы, используемые в схемо- 
технике аналоговых электронных устройств: выпрямители, усилители, стабилизаторы напряжения, генераторы, схемы на операционных усилителях — 
используются как при разработке устройств электроники на дискретных элементах, так и при проектировании интегральных микросхем.

ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Ключевые слова и термины: выпрямитель, полупроводниковый диод, анод, катод, прямое включение, обратное включение, однополупериодный выпрямитель, двухполупериодный выпрямитель, диодный мост, пульсации выпрямленного напряжения, 
коэффициент пульсаций, сглаживающие фильтры, емкостной фильтр, индуктивный 
фильтр, умножители напряжения, схема Латура.

Теоретические сведения

Большинство радиотехнических устройств получает энергию для работы 
от источника постоянного напряжения. Вместе с тем для передачи энергии 
на расстояние и удобства преобразования значений амплитуды напряжения 
используются источники переменного напряжения. В связи с этим в каждом 
электронном устройстве обязательно должен присутствовать блок, преобразующий переменное напряжение в постоянное. Такие блоки носят название 
выпрямителей. 
Все выпрямители строятся на основе нелинейных двухполюсников, вольтамперная характеристика которых имеет ярко выраженную асимметрию.  
В настоящее время в схемах выпрямителей чаще всего используются полупроводниковые диоды (рис. 1.1).
При подключении к диоду положительного напряжения (потенциал анода выше потенциала катода) через диод течет ток I, существенно превышающий обратный ток I0 (значение которого, как правило, не более 1 мкА).  
В этом случае используют термин «включение диода в прямом направлении». 

Рис. 1.1. Обозначения полупроводникового диода (а)  
и типичный вид его вольт-амперной характеристики (б)

Теоретические сведения

При обратном включении диода (потенциал анода ниже потенциала катода) 
ток через него не может превысить обратный ток I0. По этой причине схемное 
обозначение диода можно рассматривать как изображение стрелки, направление которой указывает возможное направление протекания тока (рис. 1.1, а).
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, как правило, 
описывается формулой

I
I
eU U
=
−
0
0
1
(
),
/

где U — напряжение на диоде; U0 — некоторая константа.
Следует обратить внимание, что при прямом включении диода падение 
напряжения на нем, как это ясно из рис. 1.1, б, составляет приблизительно 
0,7...0,8 В. Это значение характерно для полупроводниковых диодов, изготовленных на основе кремния (Si). Для германиевых (Ge) диодов падение 
напряжения на них в прямом направлении — около 0,3 В.
Простейший выпрямитель представляет собой последовательное включение диода и сопротивления нагрузки (рис. 1.2, а). При положительной разности потенциалов на входе схемы диод оказывается включенным в прямом 
направлении, падение напряжения на нем составляет около 0,7 В, а напряжение на нагрузке Uвых = Uвх – 0,7 В. При отрицательных значениях входного напряжения ток через диод, включенный в обратном направлении, оказывается практически равным нулю (I0), и поэтому падение напряжения на 
нагрузке также имеет нулевое значение. При подаче на вход схемы переменного напряжения выходное напряжение изменяется во времени (рис. 1.2, б).

На рис. 1.2, б видно, что на нагрузке падает только одна половина периода входного напряжения. По этой причине рассмотренную схему выпрямителя называют однополупериодной. В течение положительного периода выходное напряжение несколько меньше входного (приблизительно на 0,7 В), а в 
течение отрицательного практически равно нулю. Если входное напряжение 
составляет доли вольта, выходное также стремится к нулю, что делает невозможной работу такого выпрямителя при использовании переменного напряжения малой амплитуды. 

Рис. 1.2. Однополупериодный выпрямитель (а) и диаграмма его работы (б)

Тема 1. Основные схемы выпрямителей 

Если применять однополупериодный выпрямитель без дополнительных 
устройств, напряжение на нагрузке значительную часть времени оказывается равным нулю. От этого недостатка свободен двухполупериодный выпрямитель (рис. 1.3).

Главная особенность двухполупериодного выпрямителя (называемого также 
выпрямительным диодным мостом) состоит в том, что при любой полярности входного напряжения ток через нагрузку протекает только в одном направлении.В отли- 
чие от однополупериодного выпрямителя, 
напряжение на нагрузке двухполупериодного выпрямителя почти всегда (кроме некоторых моментов времени) отличается 
от нуля (рис. 1.4). В этом состоит главное 
преимущество двухполупериодной схемы. 
Следует, однако, отметить и некоторые ее недостатки. Во-первых, нагрузка в 
двухполупериодной схеме подключается 
ко входному напряжению через два последовательно включенных диода, поэтому отличие падения напряжения на нагрузке от входного напряжения в  
2 раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе (Uвых = Uвх – 0,7 В для 
одно- и Uвых = Uвх –1,4 В для двухполупериодного выпрямителя). Во-вторых, 
в отличие от однополупериодного в двухполупериодном выпрямителе вход 
и выход не имеют общих точек, что приводит к некоторым трудностям в 
практической схемотехнике.
Выходной сигнал выпрямителей обоих рассмотренных типов назвать постоянным можно только с большой натяжкой. В нем присутствуют пульсации, т. е. отклонения от среднего уровня. Величину пульсаций принято характеризовать коэффициентом пульсаций — так называют отношение дейст- 

Рис. 1.3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Пути протекания 
электрического тока при различных полярностях входного напряжения (а, б)

Рис. 1.4. Диаграммы работы двухполупериодного выпрямителя

Теоретические сведения

вующего значения отклонения выходного напряжения от его среднего значения к среднему значению:

K
U
U

U
п

ср

ср
=
−
(
)
2

.

Коэффициент пульсаций, как правило, можно с достаточной точностью 
оценить по формуле

K
U
U

U
п
ср

ср
=
−
(
)
max
.

В последних двух формулах используется величина Uср  — среднее выходное напряжение, — которая выражает действующее значение выходного 
напряжения:

U
U t
ср =
[
]
( )
;
2
 

на практике можно это значение с достаточной точностью оценить по формуле

U
U t
ср =
( ) .

Для устранения пульсаций (точнее, для уменьшения коэффициента пульсаций) в схемы выпрямителей включают сглаживающие фильтры. Простейшим сглаживающим фильтром является емкостной фильтр (иногда используется также определение «ёмкостный») — рис. 1.5. 
Суть работы сглаживающего фильтра состоит в следующем. Когда входное напряжение диодного моста по абсолютной величине больше, чем напряжение на конденсаторе, одна пара диодов оказывается включенной  

Рис. 1.5. Емкостной сглаживающий фильтр и диаграммы (а) его работы 
без учета падения напряжения на диодах (б)

Тема 1. Основные схемы выпрямителей 

в прямом направлении и через нее протекает значительный ток, заряжающий конденсатор C (рис. 1.5, а). Если абсолютная величина входного напряжения меньше напряжения на конденсаторе, все диоды включены в обратном направлении и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки 
Rн: U
U e t R C
вых
н
=
−
0
.  Эти процессы приводят к зависимости выходного напряжения от времени (рис. 1.5, б).
Напряжение на нагрузке всегда имеет ненулевое значение (рис. 1.5, б), 
причем величина пульсаций выпрямленного напряжения тем меньше, чем 
больше постоянная времени RнC. При бесконечно большой нагрузке (холостой ход) пульсации выпрямленного напряжения отсутствуют. Таким образом, для того чтобы величина пульсаций была малой по сравнению со средним значением выпрямленного напряжения, необходимо выполнение 
условия R C
T
н
≫
,  где T — период выпрямленного напряжения, который для 
однополупериодного выпрямителя совпадает с периодом входного переменного напряжения, а для двухполупериодного в 2 раза меньше его. 
Следует иметь в виду, что при выполнении указанного условия значение 
выходного напряжения совпадает с амплитудным значением входного переменного напряжения (а не с его действующим значением, которым принято 
характеризовать переменное напряжение).

Пример 1.1. Рассчитать емкостной сглаживающий фильтр в составе двухполупериодного выпрямителя напряжения бытовой сети для питания нагрузки 
с сопротивлением 500 Ом (что при напряжении 220 В приблизительно соответствует мощности 100 Вт). Оценить среднее значение выпрямленного напряжения 
и коэффициент пульсаций.
Решение. Напряжение бытовой сети имеет частоту 50 Гц и действующее  
значение напряжения 220 В. Этому соответствуют период 20 мс и амплитудное 
значение 220
2
311
В
В.
⋅
=
 Значение емкости фильтра следует выбрать из условия C
T R
≫
н
мс
Ом
мкФ.
=
=
10
500
20
 Выберем С = 200 мкФ. Время разряда 
RC-цепочки в этом случае RнС = 100 мс, поэтому за период выпрямленного напряжения конденсатор успеет разрядиться до напряжения 311 В – 311 В ⋅ 10 мс/100 мс = 
= 280 В. Следовательно, выходное напряжение колеблется в пределах 280...311 В.
Таким образом, среднее значение выпрямленного напряжения 

U ср
 В
 В
 В,
=
+
(
) =
280
311

2
295
 

коэффициент пульсаций 

K
U
U

U
п
вых
ср

ср

 В
 В
=
−
(
) =
=

max

,
.
16
295
0 054

Помимо емкостного сглаживающего фильтра для уменьшения величины 
пульсаций применяют также индуктивные фильтры (рис. 1.6). Индуктивный 
фильтр в некотором смысле является противоположностью емкостного — 
пульсации выходного напряжения минимальны при малых значениях сопро