Схемотехника аналоговых и цифровых устройств

В. А. ГАЛОЧКИН 
СХЕМОТЕХНИКА 
АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ 
УСТРОЙСТВ 
Учебник 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023

 
УДК 621.38 
ББК 32.844.1 
Г16 
 
Р е ц е н з е н т ы :   
д. т. н., профессор А. И. Тяжев,  
Поволжский государственный университет 
телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), г. Самара;  
к. т. н., с. н. с. А. М. Плотников,  
 Российский научно-исследовательский институт радио 
им. Кривошеева (НИИР) - Самарское отделение НИИ радио (СОНИИР),  
г. Самара 
 
 
 
Галочкин, В. А. 
Г16  
Схемотехника аналоговых и цифровых устройств : учебник / В. А. Галочкин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 312 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1367-1 
 
Рассматриваются принципы схемотехнических решений аналоговых и цифровых устройств полупроводниковой электроники, особенности их функционирования, методы анализа и расчетов. 
Для студентов телекоммуникационных и радиотехнических специальностей дневной и заочной формы обучения, а также для инженернотехнических работников, изучающих электронику и схемотехнику. 
 
УДК 621.38 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1367-1 
” Галочкин В. А., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
 

 
 
 
 
Высшее образование -  
это совокупность систематизированных знаний 
 и практических навыков, позволяющих решать  
теоретические и практические задачи по профилю  
подготовки, используя и творчески развивая 
 современные достижения науки, техники и культуры. 
 
Источник – Большая Советская Энциклопедия (БСЭ) –  
одна из крупнейших и наиболее авторитетных  
универсальных энциклопедий в мире 
 
 
 
 
 
 
3 
 

 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Список сокращений и обозначений 
..................................................................... 11 
Предисловие 
........................................................................................................... 13 
Введение. Об особенностях аналоговой и цифровой электроники. 
Этапы развития электроники ............................................................................... 16 
 
ЧАСТЬ I 
СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 
 
Тема 1. Определение, классификация, основные технические 
характеристики аналоговых электронных устройств ......................... 20 
1.1. Общая характеристика аналоговых электронных устройств .................... 20 
1.2. Классификация аналоговых электронных устройств 
................................. 21 
1.3. Устройства на основе усилителей ................................................................ 22 
1.4. Основные технические характеристики  
и показатели аналоговых электронных устройств (АЭУ) ......................... 22 
1.4.1. Стандартизация. Унификация 
............................................................ 23 
1.4.2. Входное и выходное сопротивление 
................................................. 23 
1.4.3. Коэффициенты усиления (передачи) ................................................ 23 
1.4.4. Коэффициент усиления (передачи) по мощности ........................... 24 
1.4.5. Амплитудно- и фазочастотная характеристики 
............................... 25 
1.4.6. Переходная характеристика ............................................................... 27 
1.4.7. Нелинейные искажения ...................................................................... 27 
1.4.8. Коэффициент полезного действия .................................................... 29 
1.4.9. Собственные помехи 
........................................................................... 29 
1.4.10. Амплитудная характеристика. Динамический диапазон 
.............. 30  
1.4.11. Специфические показатели АЭУ .................................................... 30 
1.4.12. Стабильность показателей ............................................................... 31 
1.5. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
............................................ 32 
 
Тема 2. Схемотехника входных цепей транзисторного усилителя. 
Схемы стабилизации режима транзистора 
........................................... 33 
2.1. Цепи питания база-эмиттер. Рабочая точка на входной 
характеристике ............................................................................................... 33 
2.1.1. Смещение фиксированным током базы 
............................................ 34 
2.1.2. Смещение фиксированным напряжением база-эмиттер 
................. 35 
2.2. Стабилизация режима транзистора .............................................................. 38  
2.2.1. Эмиттерная стабилизация .................................................................. 38 
2.2.2. Цепи смещения с температурной стабилизацией 
............................ 41 
2.2.3. Стабилизация схемы с непосредственной связью между 
усилительными элементами 
............................................................... 43 
4 
 

 
2.3. Цепи смещения без стабилизации режимов работы полевых 
транзисторов ................................................................................................... 44 
2.4. Цепи смещения со стабилизацией режима работы полевых 
транзисторов ................................................................................................... 45 
2.5. Генераторы стабильного тока (ГСТ) ............................................................ 46  
2.5.1. Принцип работы ГСТ 
.......................................................................... 46  
2.5.2. Схемы ГСТ 
........................................................................................... 48 
2.6. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
............................................ 51 
 
Тема 3. Схемотехника отрицательной обратной связи 
..................................... 52 
3.1. Виды обратной связи ..................................................................................... 52 
3.1.1. Параллельная по входу и выходу ОС ............................................... 52 
3.1.2. Последовательная по входу и выходу обратная связь .................... 54 
3.1.3. Последовательная по входу и параллельная  
по выходу обратная связь 
................................................................... 55 
3.1.4. Параллельная по входу и последовательная по выходу ОС 
........... 57 
3.2. Влияние ОС на коэффициенты усиления .................................................... 58 
3.3. Влияние отрицательной обратной связи на входные 
и выходные сопротивления (проводимости) .............................................. 60 
3.3.1. Влияние отрицательной обратной связи на входное 
сопротивление ..................................................................................... 60 
3.3.2. Влияние отрицательной обратной связи на выходное 
сопротивление ..................................................................................... 63 
3.4. Общий метод определения влияния ООС на входные  
и выходные сопротивления по формуле Блекмана .................................... 65 
3.5. Влияние ОС на амплитудно-фазочастотные  
и переходные характеристики ...................................................................... 66 
3.5.1. Частотно-независимая ОС 
.................................................................. 66 
3.5.2. Частотно-зависимая ОС 
...................................................................... 69 
3.6. Стабильность коэффициента усиления при обратной связи ..................... 70  
3.7. Устойчивость усилителей с ОС. Критерии устойчивости.  
Запасы устойчивости ..................................................................................... 72 
3.8. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
............................................ 75 
 
Тема 4. Схемотехника выходных цепей транзисторного усилителя.  
Анализ работы резисторного каскада предварительного 
усиления напряжения ............................................................................. 77 
4.1. Цепи питания коллектор-эмиттер. Рабочая точка  
на выходной характеристике. Принцип усиления 
...................................... 77 
4.2. Основные свойства схем с общим эмиттером, общей базой 
и общим коллектором 
.................................................................................... 79  
4.2.1. Основные свойства схемы с общим эмиттером 
............................... 79  
4.2.2. Основные свойства схемы с общей базой ........................................ 80 
4.2.3. Основные свойства схемы с общим коллектором ........................... 82 
5 
 

 
4.3. Режимы работы усилительных элементов 
................................................... 85 
4.4. Схемы межкаскадных связей ........................................................................ 87  
4.5. Резисторный апериодический предварительный усилитель 
напряжения ..................................................................................................... 89 
4.5.1. АЧХ резисторного каскада на биполярном транзисторе 
................ 90 
4.5.2. Фазочастотная характеристика резисторного каскада 
.................... 93 
4.6. Усилители на полевых транзисторах.  
Широкополосные (импульсные) усилители.  
Коррекция амплитудно-частотных характеристик 
.................................... 94 
4.6.1. Особенности анализа каскадов на полевых транзисторах. 
............. 94 
4.6.2. Низкочастотная коррекция АЧХ ....................................................... 97 
4.6.3. Высокочастотная коррекция АЧХ 
................................................... 101 
4.7. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
.......................................... 106 
Тема 5. Схемотехника выходных мощных каскадов усиления ..................... 108 
5.1. Требования к оконечным усилительным каскадам .................................. 108 
5.2. Схемы выходных каскадов 
.......................................................................... 109 
5.3. Трансформаторный каскад мощного усиления в режиме А 
.................... 110 
5.3.1. Общие соотношения, нагрузочные характеристики 
по постоянному и переменному току ............................................. 110 
5.3.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного 
усиления в режиме А ........................................................................ 112 
5.3.3. Особенности расчета двухтактного каскада мощного усиления 
в режиме А ......................................................................................... 114 
5.3.4. Трансформаторный каскад в режиме В .......................................... 116 
5.3.5. Бестрансформаторные двухтактные каскады  
мощного усиления............................................................................. 118 
5.3.6. Расчет бестрансформаторных двухтактных каскадов 
................... 120 
5.4. Задания и контрольные вопросы по теме .................................................. 122 
Тема 6. Схемотехника операционных усилителей 
.......................................... 123 
6.1. Операционные усилители. Определения. Структура ............................... 123 
6.2. Схемотехника операционных усилителей 
................................................. 127 
6.2.1. Элементарная (упрощенная) схема входного 
 каскада ОУ ........................................................................................ 127 
6.2.2. Упрощенная типовая схема входного каскада ОУ  
первого поколения ............................................................................ 127 
6.2.3. Схема входного каскада ОУ второго поколения ........................... 128 
6.2.4. Схема входного каскада ОУ третьего поколения 
.......................... 129 
6.2.5. Схемотехника промежуточных каскадов ОУ ................................ 130  
6.2.6. Схемотехника выходных каскадов ОУ 
........................................... 130  
6.3. Основные параметры ОУ ............................................................................ 131 
6.4. Схемы сдвига уровней ................................................................................. 133 
6.5. Схемотехника аналоговых устройств  
на основе операционных усилителей 
......................................................... 134 
6 
 

 
6.5.1. Инвертирующий усилитель ............................................................. 134 
6.5.2. Неинвертирующий усилитель ......................................................... 137 
6.5.3. Дифференциальный усилитель 
........................................................ 138  
6.5.4. Схемотехника устройств суммирования и вычитания 
.................. 139 
6.5.5. Интегрирующий усилитель 
.............................................................. 140 
6.5.6. Дифференцирующий усилитель 
...................................................... 141 
6.5.7. Логарифмический и антилогарифмический усилители 
................ 143 
6.5.8. Схемотехника перемножителей и делителей на ОУ ..................... 145 
6.5.9. Повторитель напряжения на операционном усилителе 
................ 149 
6.6. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
.......................................... 149 
Тема 7. Схемотехника активных фильтров на основе  
операционных усилителей ................................................................... 151 
7.1. Активные RC-фильтры нижних частот первого порядка. 
Обобщенное описание фильтра НЧ ............................................................ 151 
7.2. Реализация ARC-фильтра нижних частот первого порядка .................... 153 
7.3. Реализация ARC-фильтра верхних частот первого порядка ................... 154 
7.4. Реализация ARC-фильтров НЧ и ВЧ второго порядка 
............................. 154 
7.4.1. ARC-фильтр НЧ второго порядка со сложной ООС ..................... 155  
7.4.2. ARC-фильтр НЧ второго порядка на основе положительно  
обратной связи 
................................................................................... 155 
7.5. ARC-фильтр ВЧ второго порядка на основе положительной  
обратной связи 
.............................................................................................. 156 
7.6. Реализация полосовых ARC-фильтров второго порядка ......................... 157 
7.7. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
.......................................... 158 
Тема 8. Схемотехника генераторов и компараторов  
на основе операционных усилителей 
.................................................. 159 
8.1. RC-генератор на операционном усилителе ............................................... 159 
8.2. Генератор сигналов прямоугольной формы 
.............................................. 162 
8.3. Генератор сигналов треугольной формы 
................................................... 163  
8.4. Схемотехника компараторов напряжений  
на основе операционных усилителей 
........................................................ 164 
8.4.1. Принцип функционирования компаратора .................................... 164 
8.4.2. Положительная обратная связь в компараторе 
.............................. 166 
8.4.3. Пороговые уровни компараторов 
.................................................... 167 
8.4.4. Детектор с «окном» 
........................................................................... 167 
8.4.5. Особенности схемотехники компараторов .................................... 168 
8.5. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
.......................................... 169 
 
ЧАСТЬ II 
 СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ 
Тема 9. Современные базовые элементы цифровой техники (введение  
в цифровую технику). Цифровые сигналы и цифровые схемы ....... 170 
7 
 

 
9.1. Цифровые сигналы и цифровые схемы 
...................................................... 170 
9.2. Современные базовые элементы цифровой техники ............................... 173 
9.2.1. Логический элемент «И» 
.................................................................. 173 
9.2.2. Логический элемент «ИЛИ» ............................................................ 176 
9.2.3. Логический элемент «НЕ» (инвертор) ............................................ 178 
9.2.4. Логическое двойное инвертирование ............................................. 179 
9.3. Логические элементы «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», «исключающее ИЛИ» 
....... 179 
9.3.1. Логический элемент «И-НЕ» (инвертированное «И») 
.................. 180 
9.3.2. Логический элемент «ИЛИ-НЕ» (отрицание «ИЛИ») .................. 181  
9.3.3. Логический элемент «исключающее ИЛИ»  
.................................. 183  
 
Тема 10. Современные базовые элементы цифровой техники 
(введение в цифровую технику).  
Свойства и характеристики цифровых схем .................................... 186 
10.1. Свойства и сравнительные характеристики современных  
базовых элементов. Требования к базовым цифровым схемам ............. 186 
10.2. Способы представления информации 
...................................................... 186 
10.3. Основные требования к базовым логическим элементам 
...................... 187 
10.3.1. Совместимость уровней входных и выходных сигналов ........... 188 
10.3.2. Нагрузочная способность логического элемента ........................ 188 
10.3.3. Формирующее свойство логического элемента  
(квантование сигнала) .................................................................... 189 
10.4. Помехоустойчивость логических элементов. 
Быстродействие логических элементов. 
Классификация логических устройств ..................................................... 190  
10.4.1. Помехоустойчивость логических элементов ............................... 190 
10.4.2. Быстродействие логического элемента ........................................ 191 
10.5. Классификация логических устройств 
..................................................... 192 
10.5.1. Классификация по способу ввода-вывода информации ............. 192 
10.5.2. Классификация по принципу действия 
......................................... 193 
10.5.3. Классификация по схемотехническим решениям ....................... 193 
10.6. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
........................................ 194 
Тема 11. Схемотехника цифровых интегральных схем.  
Схемотехника логических элементов 
................................................. 196 
11.1. Ключ на биполярном транзисторе 
............................................................ 196 
11.2. Схемотехника транзисторной логики с непосредственными 
связями (НСТЛ) .......................................................................................... 197 
11.3. Схемотехника РТЛ (транзисторной логики с резистивной связью) ..... 198  
11.4. Схемотехника ДТЛ (диодно-транзисторной логики) 
............................. 199  
11.5. Схемотехника ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики) .................. 200 
11.6. Схемотехника эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) ............................... 201 
11.7. Схемотехника логических элементов с инжекционным  
питанием (И2Л) ........................................................................................... 202 
11.8. Схемотехника логических элементов на полевых транзисторах .......... 204 
8 
 

 
11.8.1. Ключ на МДП-транзисторах с динамической нагрузкой ........... 205 
11.8.2. Логические элементы на комплементарных 
МДП-транзисторах (КМДП) 
.......................................................... 206 
11.8.3. Схемотехника динамической логики на МДП-транзисторах 
..... 208 
11.9. Сравнение параметров основных типов интегральных 
логических схем 
......................................................................................... 209 
11.10. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
...................................... 209 
 
Тема 12. Коды. Схемотехника преобразователей кодов, шифраторов,  
мультиплексоров 
.................................................................................. 210 
12.1. Двоично-десятичный код 8421 ................................................................. 210 
12.2. Код с избытком 3 
........................................................................................ 211 
12.3. Код Грея ...................................................................................................... 211 
12.4. Схемотехника преобразователей кодов ................................................... 212 
12.4.1. Схемотехника шифраторов, дешифраторов 
................................. 212 
12.4.2. Схемотехника мультиплексоров и демультиплексоров.............. 217 
12.5. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
........................................ 227 
Тема 13. Схемотехника триггерных устройств. Схемы фиксаторов.  
Запуск триггеров ................................................................................. 228 
13.1. RS-триггер (асинхронный) ........................................................................ 229 
13.2. RS-триггер (синхронный)  
......................................................................... 231  
13.3. D-триггер (триггер с задержкой) .............................................................  234 
13.4. D-триггеры с дополнительными входами ............................................... 235 
13.5. JK-триггеры. Схемы фиксаторов. Запуск триггеров. 
JK-триггер (ждущий мультивибратор)..................................................... 236 
13.6. JK-триггер с дополнительными входами 
................................................. 237 
13.7. Схемы фиксаторов ..................................................................................... 239 
13.8. Запуск триггеров 
......................................................................................... 240 
13.8.1. Триггеры с управлением (запуском) по фронту 
или по срезу тактового импульса .................................................. 241 
13.8.2. Триггеры типа ведущий/ведомый  
(триггеры с динамическим управлением) .................................... 242 
13.9. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
........................................ 243 
Тема 14. Схемотехника счетчиков, регистров, сумматоров .......................... 245 
14.1. Счетчики со сквозным переносом ............................................................ 245 
14.2. Асинхронный счетчик по модулю 10  
...................................................... 247 
14.3. Синхронные счетчики 
................................................................................ 247 
14.4. Вычитающие счетчики .............................................................................. 249 
14.5. Асинхронный трехразрядный счетчик по модулю 8 
.............................. 249 
14.6. Самоостанавливающиеся счетчики 
.......................................................... 250 
14.7. Регистры ...................................................................................................... 254  
14.7.1. Последовательные регистры сдвига 
.............................................. 255 
14.7.2. Параллельные регистры сдвига ..................................................... 257 
9 
 

 
14.7.3. Классификация регистров .............................................................. 259 
14.8. Арифметические устройства. Сумматоры 
............................................... 259 
14.8.1. Двоичное сложение 
......................................................................... 259 
14.8.2. Сложение в разряде единиц (полусумматор) 
............................... 261 
14.8.3. Полные сумматоры ......................................................................... 262 
14.8.4. 3-х разрядный сумматор 
................................................................. 263  
14.9. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
........................................ 233 
Тема 15. Схемотехника запоминающих устройств 
......................................... 265 
15.1. Принципы работы ОЗУ. ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) ........... 266 
15.2. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) ...................................... 269 
15.3. Статические ОЗУ на биполярных транзисторах 
..................................... 272 
15.4. Статические ОЗУ на основе полевых транзисторов 
............................... 273 
15.5. Динамические ОЗУ .................................................................................... 274 
15.6. Постоянные ЗУ (ПЗУ; ROM-Read - Only Memory) 
................................ 276 
15.6.1. Масочные ПЗУ ................................................................................ 276 
15.6.2. Прожигаемые ПЗУ (однократно программируемые ППЗУ) ...... 277 
15.6.3. Репрограммируемые ПЗУ  
(стираемое ППЗУ - Erasable PROM, EPROM; РПЗУ) 
................. 277 
15.7. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
........................................ 279 
 
Тема 16. Схемотехника сопряжения цифровых и аналоговых устройств.  
Цифроаналоговые преобразователи. 
Аналого-цифровые преобразователи 
.................................................. 281 
16.1. Цифроаналоговые преобразователи 
......................................................... 281 
16.2. Общая структурная схема ЦАП 
................................................................ 283 
16.3. Основная схема простого ЦАП 
................................................................. 284 
16.4. Цифроаналоговый преобразователь лестничного типа ......................... 284 
16.5. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 
........................................... 286 
16.5.1. Базовая структурная схема аналого-цифрового  
преобразователя (АЦП) .................................................................. 287 
16.5.2. Структурная схема АЦП с динамической компенсацией 
........... 288 
16.5.3. Интегрирующий АЦП .................................................................... 289  
16.5.4. АЦП последовательного приближения ........................................ 290 
16.6. Характеристики АЦП и ЦАП 
.................................................................... 292 
16.7. Задания и вопросы для самоконтроля по теме 
........................................ 300 
Список литературы ............................................................................................  301 
Глоссарий ............................................................................................................. 306 
 
 
10