Электроника. Аналоговые элементы и узлы электронной аппаратуры





ǧǨǩȒȇȘȕȉ






ȄDzǬDZǹǷǵǴǯDZǧ
ǧǴǧDzǵǪǵǩȂǬȄDzǬdzǬǴǹȂǯǺǮDzȂ
ȄDzǬDZǹǷǵǴǴǵǰǧǶǶǧǷǧǹǺǷȂ

ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ

















dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ
ªǯȔțȗȇǯȔȍȌȔȌȗȏȦ«

1 
 

УДК 621.382 
ББК 32.85 
В58 
 
Рецензенты: 
директор ООО «Севремавтоматика» Масюк Сергей Григорьевич; 
д. т. н., доцент, замдиректора АНОДО «Учебный центр охраны труда» 
Подобед Виталий Александрович 
 
 
 
 
 
Власов, А. Б. 
В58  
Электроника. Аналоговые элементы и узлы электронной аппаратуры : учебное пособие / А. Б. Власов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 264 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1560-6 
 
Представлены материалы, связанные с проблемами строения, принципами работы аналоговых элементов и узлов разнообразной электронной аппаратуры. Включены начальные 
сведения о силовой преобразовательной технике, в которой используются узлы аналоговой 
электроники. 
Для учащихся технических специальностей вузов, колледжей, в учебных планах которых предусмотрено изучение разделов аналоговой и цифровой электроники, преобразовательной техники, основ схемотехники. Может быть полезно для школьников старших классов при проведении профориентационных занятий в центрах технического творчества типа 
«Кванториумов», «Сириуса» при подготовке к научно-техническим конференциям. 
 
УДК 621.382 
ББК 32.85 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1560-6 
” Власов А. Б., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.................................................................................................... 7 
 
ГЛАВА 1. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 
............................................... 8 
1.1. Классификация и характеристики усилительных устройств 
....................... 8 
1.1.1. Общие сведения об усилительных устройствах ................................ 8 
1.1.2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ................................. 9 
1.1.3. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) ............................................ 12 
1.1.4. Амплитудная и переходная характеристики усилителя ................. 14 
1.2. Усилители с обратной связью 
....................................................................... 15 
1.3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах ............................... 19 
1.3.1. Усилительный каскад ОЭ 
................................................................... 22 
1.3.1.1. Назначение элементов схемы ............................................... 22 
1.3.1.2. Расчет каскада и линии нагрузки по постоянному току 
.... 26 
1.3.1.3. Расчет линии нагрузки по переменному току 
..................... 29 
1.3.1.4. Практический расчет параметров каскада по схеме ОЭ 
.... 34 
1.3.2. Понятие о классах усиления .............................................................. 37 
1.3.3. Усилительный каскад ОК (эмиттерный повторитель) .................... 41 
1.3.3.1. Строение и режимы работы усилительного каскада ОК ... 41 
1.3.3.2. Модулятор на основе эмиттерного повторителя ................ 44 
1.3.4. Фазоинверсный каскад ....................................................................... 45 
1.4. Усилительные каскады на полевых транзисторах 
...................................... 46 
1.4.1. Усилительный каскад ОИ 
................................................................... 47 
1.4.2. Выбор параметров схемы для задания точки покоя 
........................ 48 
1.4.3. Практический расчет параметров каскада по схеме ОИ 
................. 51 
1.5. Многокаскадные усилители .......................................................................... 54 
1.6. Усилители постоянного тока ........................................................................ 56 
1.7. Дифференциальный (параллельно-балансный) каскад .............................. 58 
1.8. Усилители мощности  .................................................................................... 61 
1.8.1. Трансформаторный усилитель мощности класса А ........................ 62 
1.8.2. Двухтактные усилительные каскады ................................................ 66 
1.8.3. Бестрансформаторные усилители мощности 
................................... 68 
 
ГЛАВА 2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ  
И УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ 
................................................................ 71 
2.1. Общие сведения 
.............................................................................................. 71 
2.1.1. Структурные схемы ОУ при различных включениях ..................... 72 
2.1.2. Характеристики операционного усилителя ..................................... 74 
2.2. Инвертирующие и неинвертирующие усилители с применением ОУ 
..... 76 
2.2.1. Инвертирующий усилитель на основе ОУ с обратной связью ...... 77 
2.2.2. Неинвертирующий усилитель на основе ОУ с обратной связью .. 80 
3 
 

2.3. Аналоговые преобразователи сигналов на ОУ  .......................................... 81 
2.3.1. Инвертирующий сумматор ................................................................ 82 
2.3.2. Неинвертирующий сумматор 
............................................................. 83 
2.3.3. Неинвертирующий вычитатель ......................................................... 84 
2.3.4. Инвертирующий интегратор  
............................................................. 85 
2.4. Преобразователи аналоговых сигналов ....................................................... 86 
2.4.1. Схема с регулированием знака и коэффициента усиления ............ 86 
2.4.2. Измерительный усилитель  ................................................................ 88 
2.4.3. Преобразователь ток - напряжение (усилитель тока)  
.................... 89 
2.4.4. Преобразователь ток - ток ................................................................. 89 
2.4.5. Преобразователь напряжение - ток .................................................. 90 
2.4.6. Преобразователь фазы (фазовращатель) .......................................... 90 
2.4.7. Логарифмирующий и антилогарифмирующий  
преобразователи .................................................................................. 91 
2.4.8. Преобразователи сопротивления 
....................................................... 92 
2.5. Релейные (пороговые) усилители 
................................................................. 93 
2.5.1. Триггер Шмитта на транзисторах ..................................................... 93 
2.5.2. Аналоговые компараторы напряжений на ОУ 
................................. 96 
 
ГЛАВА 3. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА ............................................... 102 
3.1. Общие сведения об импульсных устройствах и сигналах 
....................... 102 
3.2. Формирователи  
............................................................................................ 104 
3.3. Электронные ключи ..................................................................................... 105 
3.3.1. Статические характеристики транзисторного ключа 
.................... 107 
3.3.2. Динамические характеристики транзисторного ключа ................ 111 
3.4. Усилители импульсных сигналов 
............................................................... 114 
3.5. Аналоговые ключи на полевых транзисторах 
........................................... 118 
3.6. Коммутаторы аналоговых сигналов 
........................................................... 123 
 
ГЛАВА 4. МНОЖИТЕЛЬНО-ДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 
........... 125 
4.1. Общие сведения 
............................................................................................ 125 
4.2. МДУ на базе датчика Холла 
........................................................................ 127 
4.3. Перемножители на основе переменной крутизны 
.................................... 133 
4.4. Логарифмический преобразователь напряжения 
...................................... 136 
4.5. Применение МДУ в различных устройствах ............................................ 137 
4.6. Классификация и типы перемножителей 
................................................... 140 
 
ГЛАВА 5. ГЕНЕРАТОРЫ КОЛЕБАНИЙ 
.................................................... 142 
5.1. Генераторы синусоидальных колебаний ................................................... 142 
5.1.1. Общие сведения 
................................................................................. 142 
5.1.2. Принципы построения генераторов  ............................................... 142 
5.1.3. Генераторы гармонических колебаний с LC-контуром 
................ 144 
5.1.4. RC-генераторы гармонических сигналов ....................................... 146 
5.1.5. Генераторы с внутренней обратной связью ................................... 148 
4 
 

5.1.6. Кварцевые генераторы 
...................................................................... 150 
5.2. Генераторы импульсных сигналов ............................................................. 151 
5.2.1. Генератор сигналов прямоугольной формы  
на биполярных транзисторах ........................................................... 151 
5.2.2. Практический расчет параметров мультивибратора  
на дискретных транзисторах  
........................................................... 159 
5.2.3. Симметричный мультивибратор на ОУ 
.......................................... 163 
5.2.4. Ждущий мультивибратор (одновибратор) на ОУ 
.......................... 164 
5.2.5. Генераторы линейно изменяющегося напряжения ....................... 167 
5.2.6. Магнитно-транзисторные генераторы ............................................ 169 
 
ГЛАВА 6. ВЫПРЯМИТЕЛИ 
........................................................................... 176 
6.1. Структура источников электропитания ..................................................... 176 
6.2. Однофазные неуправляемые выпрямители ............................................... 177 
6.2.1. Однополупериодный (однофазный)  
неуправляемый выпрямитель .......................................................... 178 
6.2.2. Однофазный двухполупериодный  
неуправляемый выпрямитель .......................................................... 183 
6.2.3. Мостовой однофазный неуправляемый выпрямитель .................. 184 
6.3. Трехфазные неуправляемые выпрямители 
................................................ 186 
6.3.1. Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом  ............................ 188 
6.3.2. Трехфазный мостовой выпрямитель 
............................................... 190 
6.4. Принцип действия управляемого выпрямления ....................................... 192 
6.5. Выпрямители с умножением напряжения ................................................. 193 
6.6. Фазочувствительные выпрямители (фазовые детекторы) ....................... 195 
6.7. Понятие об электрических фильтрах для выпрямителей ........................ 198 
6.7.1. Емкостной фильтр 
............................................................................. 199 
6.7.2. Индуктивный фильтр 
........................................................................ 201 
6.8. Внешние характеристики маломощных выпрямителей 
........................... 203 
6.9. Стабилизаторы постоянного тока 
............................................................... 204 
6.9.1. Параметрический стабилизатор 
....................................................... 206 
6.9.2. Параметрический стабилизатор с усилителем 
............................... 208 
6.9.3. Многокаскадные и мостовые параметрические стабилизаторы 
.... 208 
6.9.4. Стабилитронные интегральные микросхемы 
................................. 209 
6.9.5. Компенсационные стабилизаторы .................................................. 210 
6.9.5.1. Последовательный КС 
......................................................... 212 
6.9.5.2. Параллельный КС ................................................................ 215 
6.9.5.3. Релейный КС ........................................................................ 216 
6.9.5.4. Практический расчет параметров компенсационного  
стабилизатора ...................................................................... 218 
 
ГЛАВА 7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ 
......... 221 
7.1. Общие сведения 
............................................................................................ 221 
7.2. Понятие об инверторах 
................................................................................ 222 
5 
 

7.3. Преобразователи частоты 
............................................................................ 225 
7.3.1. Циклоконверторы 
.............................................................................. 225 
7.3.2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока 
................ 230 
7.4. Понятие о фильтрах для подавления высших гармоник 
.......................... 231 
7.4.1. Пассивные LC-фильтры для подавления высших гармоник 
........ 233 
7.4.2. Понятие об активных фильтрах 
....................................................... 235 
7.5. Подавление высших гармоник без выходных фильтров ......................... 240 
7.5.1. Применение отпаек ........................................................................... 240 
7.5.2. Векторный способ синтезирования  
синусоидального напряжения 
.......................................................... 241 
7.5.3. Особенности аппроксимации синусоидального напряжения  
ступенчатыми сигналами ................................................................. 243 
 
ГЛАВА 8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ  
ДЛЯ ПИТАНИЯ СУДОВОЙ СИЛОВОЙ НАГРУЗКИ 
.............................. 244 
8.1. Преобразователи для питания судовой силовой нагрузки ...................... 244 
8.2. Выпрямители общего назначения .............................................................. 245 
8.2.1. Дроссельные и трансформаторные магнитные усилители 
........... 245 
8.2.2. Дроссельно-выпрямительные агрегаты ВАКС .............................. 250 
8.2.3. Зарядные и зарядно-силовые выпрямительные агрегаты 
............. 252 
8.2.4. Сварочные выпрямительные агрегаты  .......................................... 253 
8.2.5. Выпрямители питания систем катодной защиты  
корпуса судна .................................................................................... 254 
8.2.6. Выпрямители для питания систем возбуждения  
судовых электрических машин 
........................................................ 256 
8.2.7. Преобразователи для валогенераторных установок 
...................... 256 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................... 260 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Учебное пособие создано на основе разделов курсов лекций «Судовая электроника и силовая преобразовательная техника» для курсантов специальности 
26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»  
и студентов технических направлений по курсам «Физические основы электроники», «Электротехника и электроника» Мурманского Арктического университета.  
Предназначено для использования при самостоятельной подготовке курсантами и студентами, в том числе, при дистанционном обучении, получающими начальные сведения о приборах, устройствах, схемах аналоговой электроники, преобразовательной техники, применяемых на морских судах, инфраструктуры флота, объектах береговой энергетики. 
Содержание материала в учебном пособии связано с программами ФГОС 
вузов многих технических специальностей и направлений, которые характеризуются профессиональными компетенциями:  
 осуществлять безопасное техническое использование, техническое обслуживание электрооборудования и средств автоматики в соответствии с требованиями нормативно-технических документов; 
 выполнять диагностирование, техническое обслуживание и ремонт электроэнергетического электрооборудования и средств автоматики; 
 осуществлять выбор электрооборудования и элементов систем автоматики для замены в процессе эксплуатации устройств и приборов; 
 устанавливать причины отказов электрооборудования и средств автоматики, определять и осуществлять мероприятия по их предотвращению. 
По тематике вопросов, включенных в настоящее пособие, в предыдущие 
годы написано множество хороших учебников и пособий, тем не менее, многие 
материалы остаются недостаточно раскрытыми для понимания студентов,  
в особенности, с учетом сокращения контактных часов, выделяемых в рамках 
современных ФГОС и учебных планов, разрабатываемых вузами.  
Проблема преподавания и изменения содержания пособий становится еще 
более актуальной в связи с намеченным переходом от упрощенного бакалавриата к отечественному специалитету, для которого характерна «старая» школа 
преподавания технических дисциплин с углубленным изучением и пояснением 
процессов, приборов, принципов их действия. 
В материалы пособия включены начальные сведения о силовой преобразовательной технике, в которой используются узлы аналоговой электроники. 
Приводится расширенный список литературы, в которой учащиеся технических специальностей могут самостоятельно освоить специализированные вопросы, которые выходят за рамки данного материала или детализировать их. 
Пособие может быть полезно учащимся старших классов школ, колледжей 
при изучении электроники и работе над выбором научной тематики для внешкольного обучения в молодежных научно-технических центрах типа «Кванториумов», «Сириуса» и других. 
7 
 

 
ГЛАВА 1 
УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 
 
1.1. Классификация и характеристики  
усилительных устройств 
 
1.1.1.Общие сведения об усилительных устройствах 
Усилителем называют устройство, предназначенное для изменения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности) при допустимом 
уровне искажений его формы [1, 6, 32]. 
Важнейший признак транзисторных усилителей - вид входного электрического сигнала. По этому признаку различают усилители: 
 сигналов, не изменяющихся или очень медленно изменяющихся во времени - усилители постоянного тока (УПТ); 
 гармонических сигналов в заданном диапазоне частот - усилители переменного сигнала; 
 специальные (связанные с видом сигнала): импульсные, переключающие, 
фазочувствительные, резонансные и другие. 
Рассмотрим свойства усилителя как четырехполюсника (рис. 1.1). Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, к которой подключается нагрузка или последующие каскады1. 
Усилитель представляется в виде активного четырехполюсника (рис. 1.1)  
с электрическими параметрами, характеризуемых действующими значениями 
комплексных величин на входе øвх, ܷሶвх, Zвх, Рвх и выходе: øвых, ܷሶвых, Zвых, Рвых,  
а также значением Zн - полным комплексным сопротивлением нагрузки. 
 
 
Рис. 1.1. Обобщенная схема усилителя как четырехполюсника 
 
Здесь и далее переменные составляющие токов и напряжений обозначе- 
ны i(t) и u(t), а их действующие значения и постоянные составляющие буква- 
ми I, U. 
 
1 Особо следует отметить, что для работы любого усилителя необходимо первоначально подключить источник питания с напряжением постоянного тока. В данной схеме питание усилителя не указывается и принимается по умолчанию. 
8 
 

Заметим, что ниже в большинстве случае речь будет идти о переменных 
составляющих сигналов. Поэтому в качестве переменных будут рассматриваться как собственно переменные составляющие, так и приращения2 токов 'i, 
напряжений'u. 
Активная мощность на выходе (полезная выходная мощность) равна:  
 
Рвых = Uвых2/Rн = RнIн2,   
     (1.1) 
где Rн - активная составляющая полного сопротивления нагрузки; Uвых, Iн - 
действующие значения напряжения и тока на нагрузке. 
Коэффициент полезного действия усилителя определяется как:  
 
K = Рвых/Р0, 
   (1.2) 
где Р0  мощность, потребляемая усилителем от источника электрической энергии. 
Коэффициенты усиления по напряжению КU, току КI и мощности КP записывается как отношение соответствующих выходных и входных величин в абсолютном или логарифмическом масштабе: 
КU = Uвых/Uвх;      КU* = 20lgКU, дБ (децибел); 
 
КI = Iвых/Iвх;       КI* = 20lgКI, дБ;  
   (1.3)  
Кр = Рвых/Рвх = UвыхIвых/UвхIвх = КU КI; КP* = 10lgКP, дБ. 
Необходимость использования логарифмического масштаба (дБ) связана с 
тем что, коэффициенты Ki выражаются иногда большими числами (105…106…), 
поэтому удобнее их сравнивать в логарифмическом масштабе. Если Ki ! 0  
говорят о коэффициенте усиления, если Ki < 0 - коэффициенте ослабления  
сигнала. Желательно запомнить, что при Ki = 10 имеем Ki* = 20 дБ, при  
Ki = 0,1: Ki* = 20 дБ, при Ki = 100: Ki* = 40 дБ; при Ki = ¥2: Ki* = 3 дБ и т. д. 
В общем случае входное и выходное полные сопротивления (импеданс) 
усилителя имеют комплексный характер: Zвх, Zвых, но в области рабочих час- 
тот - имеют активный характер: Zвх = Rвх, Zвых = Rвых. 
 
1.1.2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) 
Поведение усилителя при изменении частоты входного сигнала описы- 
вает амплитудно-фазовой частотной характеристикой (АФЧХ). На ее основе 
стоят амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики. 
Усилители (рис. 1.2) подразделяются на два класса: с линейным режимом 
работы и с нелинейным режимом работы. 
 
2 В ряде литературных источников значок ' не пишется. 
9 
 

 
Рис. 1.2. Классификация усилителей и их амплитудно-частотные характеристики 
 
Усилители с линейным режимом работы должны вносить минимальные 
искажения по мере прохождения входного сигнала по элементам устройства. 
Поэтому данный усилитель характеризуется пропорциональной передачей 
мгновенных значений входных напряжения или тока, т. е. сигнал на выходе изменяется пропорционально изменению сигнала на входе. 
В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче мгновенных значений входного сигнала отсутствует. Поэтому эти усилители используются для преобразования формы и усиления импульсных сигналов. 
АЧХ различных усилителей отражает зависимость модуля коэффициента 
усиления _KU_, определенного для синусоидального входного сигнала от частоты (рис. 1.2). На практике АЧХ представляет собой зависимость коэффициента 
усиления КU (в децибелах или в относительных единицах) устройства от частоты f (или угловой частоты Z) в логарифмическом масштабе. На оси абсцисс откладываются декады частот, например, 1...10 Гц; 10…100 Гц; 100…1000 Мгц  
и выше. 
В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяют (рис. 1.2) на усилители: постоянного тока (УПТ), низкой (звуковой) 
частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные (ШПУ) и узкополосные (УПУ). Отличительная особенность УПТ - это возможность усиливать 
сигналы с частотой, равной нулю, другими словами, усиливать постоянный  
ток. Это обеспечивается тем, что нижняя граница частотного диапазона  
fпн = 2SZпн o 0. Верхняя граница частотного диапазона fпв = 2SZпв усиливаемых 
сигналов в зависимости от назначения УПТ может быть достаточно высокой 
(до 108 Гц). УПТ могут применяться, например, в качестве усилителей входного 
сигнала в осциллографах. 
Диапазон усиливаемых частот fп или Zп усилителя (рис. 1.2; 1.3, б) оценивается с учетом показателя, который называется полосой пропускания:  
 
fп = fпв - fпн или Zп = Zпв - Zпн.  
   (1.4) 
Одной из особенностей УНЧ является частотный диапазон (fпн…fпв) усиливаемых сигналов (20 Гц…20 кГц). Поэтому УНЧ применяются в усилителях 
звуковых частот (УЗЧ). 
10