Схемотехника аналоговых и цифровых устройств

 
 
 
 
 
А. Л. Тимофеев 
 
 
 
 
 
 
 
 
СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ 
 
 
 
 
 
 
Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию  
в области электроники и связи в качестве учебного пособия для группы направлений  
и специальностей 11.00.00 «Электроника, радиотехника 
и системы связи» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
 
УДК 621.38 
ББК 32.844.1 
Т41 
 
 
Рецензент: 
к. т. н., доцент Уфимского университета науки и технологий (УУНиТ) 
Мешков И. К. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тимофеев, А. Л. 
Т41   
Схемотехника аналоговых и цифровых устройств : учебное пособие / 
А. Л. Тимофеев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 228 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1657-3 
 
Кратко изложены основные понятия теории сигналов, классификация и характеристики усилителей, виды усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, их эквивалентные схемы и расчет, многокаскадные и интегральные усилители. 
Для подготовки бакалавров и магистров по группе направлений и 
специальностей «Электроника, радиотехника и системы связи».  
 
УДК 621.38 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1657-3 
” Тимофеев А. Л., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Глава 1. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ 
.............................................................................. 6 
1.1. Фильтры нижних частот .................................................................................. 6 
1.2. Фильтры верхних частот 
.................................................................................. 7 
1.3. Заграждающие (режекторные) фильтры ........................................................ 7 
1.4. Полосовые фильтры ......................................................................................... 8 
1.5. Активные RC-фильтры .................................................................................... 8 
Глава 2. ГЕНЕРАТОРЫ ............................................................................................ 12 
2.1. Генераторы гармонических сигналов .......................................................... 14 
2.2. Генераторы с внутренней обратной связью ................................................ 18 
2.3. Кварцевые генераторы 
................................................................................... 20 
2.4. Генераторы  прямоугольных  импульсов .................................................... 21 
2.4.1. Релаксационные генераторы на транзисторах. .................................... 22 
2.4.2. Одновибратор на операционном усилителе. ........................................ 27 
2.5. Генераторы на цифровых интегральных микросхемах 
.............................. 29 
2.5.1. Генераторы одиночных импульсов (одновибраторы) 
......................... 31 
2.5.2. Укорачивающие одновибраторы ........................................................... 31 
2.5.3. Расширяющие одновибраторы 
............................................................... 33 
2.6. Генераторы линейно изменяющихся напряжений ..................................... 34 
2.7. Генератор прямоугольного и треугольного напряжений 
........................... 37 
Глава 3. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ ........................................................................ 39 
3.1. Диодные ключи .............................................................................................. 39 
3.2. Транзисторные ключи 
.................................................................................... 41 
3.2.1. Транзисторный ключ с общим эмиттером ........................................... 42 
3.2.2. Варианты ключевых схем на транзисторах 
.......................................... 46 
3.2.3. Ключи на МДП-транзисторах ................................................................ 49 
3.2.4. Силовые биполярные транзисторы с изолированным  
затвором (IGBT)................................................................................................. 54 
Глава 4. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ .................................................................... 58 
4.1. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) 
........................................................... 58 
4.2. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) ................................................ 62 
4.2.1. Логические уровни ТТЛ микросхем ..................................................... 64 
4.2.2. Семейства ТТЛ микросхем .................................................................... 64 
4.2.3. Цифровые логические микросхемы, выполненные  
на комплементарных МОП транзисторах (КМОП микросхемы) ................ 65 
4.2.4. Особенности применения КМОП-микросхем 
...................................... 68 
4.2.5. Логические уровни КМОП-микросхем 
................................................. 69 
4.2.6. Семейства КМОП-микросхем 
................................................................ 70 
3 

4.2.7. Согласование цифровых микросхем различных серий  
между собой ....................................................................................................... 71 
Глава 5. СИНТЕЗ ЦИФРОВЫХ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ  
ПО ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТАБЛИЦЕ ИСТИННОСТИ 
.............................................. 76 
5.1. Совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ) ....................... 76 
5.2. Совершенная конъюнктивная нормальная форма (СКНФ) 
....................... 79 
5.3. Дешифраторы (декодеры) ............................................................................. 81 
5.4. Шифраторы (кодеры) 
..................................................................................... 86 
5.5. Мультиплексоры ............................................................................................ 89 
Глава 6. ТРИГГЕРЫ .................................................................................................. 95 
6.1. Симметричный триггер на транзисторах. 
.................................................... 95 
6.2. Триггеры в интегральном исполнении ........................................................ 97 
6.3. Несимметричные триггеры ......................................................................... 107 
6.4. Практическое применение триггеров 
......................................................... 111 
Глава 7. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 
....................................................................... 120 
7.1. Сетевые трансформаторы 
............................................................................ 120 
7.2. Выпрямители ................................................................................................ 120 
7.3. Фильтры и схемы первичной защиты по входу ........................................ 123 
7.4. Последовательная стабилизация напряжения 
........................................... 124 
7.5. Лабораторные источники питания ............................................................. 134 
7.6. Получение опорного напряжения 
............................................................... 136 
7.7. Импульсные регуляторы напряжения 
........................................................ 141 
7.7.1. Вторичный импульсный стабилизатор напряжения ......................... 142 
7.7.2. Первичный стабилизатор напряжения 
................................................ 146 
Глава 8. ОГРАНИЧИТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ 
.......................................................... 148 
Глава 9. ДЕТЕКТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ .................................. 156 
Глава 10. СЕЛЕКЦИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ 
........................................ 169 
Глава 11. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ............................ 178 
11.1. Дискретизация и квантование аналоговых величин. 
.............................. 178 
11.1.1. Параллельные АЦП 
............................................................................. 178 
11.1.2. Последовательные АЦП ..................................................................... 179 
11.1.3. АЦП поразрядного уравновешивания .............................................. 181 
11.1.4. Интегрирующие АЦП ......................................................................... 183 
11.1.5. Последовательно-параллельные АЦП .............................................. 184 
11.1.6. Устройства выборки и хранения ....................................................... 186 
11.2. Цифроаналоговые преобразователи 
......................................................... 189 
11.2.1. ЦАП с суммированием токов 
............................................................. 189 
11.2.2. Цифроаналоговые преобразователи R-2R ........................................ 192 
11.3. Методы  преобразования аналоговых величин в код,  
применяемые в цифровых измерительных устройствах 
................................. 194 
4 

11.3.1. Время-импульсный метод .................................................................. 194 
11.3.2. Частотно-импульсный метод ............................................................. 195 
11.3.3. Циклический и следящий режимы работы ЦИУ ............................. 196 
11.3.4. Цифровые частотомеры 
...................................................................... 197 
11.3.5. Цифровой измеритель отношения двух частот 
................................ 198 
11.3.6. Цифровое измерение интервалов времени ....................................... 199 
11.3.7. Цифровые фазометры ......................................................................... 200 
11.3.8. Цифровые вольтметры 
........................................................................ 203 
11.3.9. Цифровые измерительные мосты ...................................................... 214 
11.3.10. Цифровые отсчетные устройства .................................................... 218 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 222 
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................. 223 
 
 
 
 
5 

 
Глава 1. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ 
 
1.1. Фильтры нижних частот 
 
Схема простейшего фильтра нижних частот приведена на рис. 1.1. Передаточная функция этого фильтра определяется выражением: W(s) = 1/(1sRC). 
 
 
 
Рис. 1.1. Простейший фильтр нижних частот первого порядка 
 
Заменив s на jZ, получим частотную характеристику фильтра. Для реализации общего подхода целесообразно нормировать комплексную переменную s. 
Положим S = s/Zc, где Zc – круговая частота среза фильтра. В частотной области этому соответствует j: = j(Z /Zc). Частота среза Zc фильтра на рис. 1.1 равна 1/RC. Отсюда получим S = sRC и W(S)=1/(1S). 
Используя передаточную функцию для оценки зависимости амплитуды 
выходного сигнала от частоты, запишем W(j:) = 1/(1:). 
При :>> 1, т. е. для случая, когда частота входного сигнала Z>> Zc,  |W(j:)_ = 
= 1/:. Это соответствует снижению коэффициента передачи фильтра на 20 дБ на 
декаду. 
Если необходимо получить более быстрое уменьшение коэффициента передачи, можно включить n фильтров нижних частот последовательно. Передаточная функция такой системы имеет вид: 
 
 
 
где D1,D2,...,Dn – действительные положительные коэффициенты. Из этой формулы следует, что _W(j:)_ a 1/:n при :>> 1.  
 
Передаточная функция фильтра нижних частот (ФНЧ) в общем виде может быть записана как 
 
 
 
6 

где с1,с2,...,сn – положительные действительные коэффициенты, K0 – коэффициент усиления фильтра на нулевой частоте. Порядок фильтра определяется максимальной степенью переменной S. Для реализации фильтра необходимо разложить полином знаменателя на множители. Если среди нулей полинома есть 
комплексные, то рассмотренное ранее представление полинома не может быть 
использовано. В этом случае следует записать его в виде произведения квадратных трехчленов: 
 
 
 
где ai и bi – положительные действительные коэффициенты. 
 
1.2. Фильтры верхних частот 
 
Используя логарифмическое представление, можно перейти от нижних 
частот к верхним, зеркально отобразив амплитудно-частотную характеристику 
коэффициента передачи относительно частоты среза, т. е. заменив : на 1/: или 
S на 1/S. При этом частота среза остается без изменения, а K0 переходит в Kбеск. 
При этом получим 
 
 
 
1.3. Заграждающие (режекторные) фильтры 
 
Для выборочного подавления составляющих определенных частот необходим фильтр, коэффициент передачи которого на резонансной частоте равен 
нулю, а для нижних и верхних частот имеет постоянное значение. Такой фильтр 
называется заграждающим. Для оценки избирательности введем добротность 
подавления сигнала Q = fр/'f, где 'f  – полоса частот, на краях которой коэффициент передачи падает на 3 дБ. Чем больше добротность фильтра, тем быстрее 
возрастает коэффициент передачи при удалении от резонансной частоты. Передаточная функция заграждающего фильтра: 
 
 
 
Подставив j: вместо S, получим частотную характеристику заграждающего фильтра. 
 
7 

1.4. Полосовые фильтры 
 
Полосовой фильтр: 
 
 
 
Подставив выражение для добротности, получим передаточную функцию 
полосового фильтра 
 
 
 
Избирательный (селективный) фильтр предназначен для выделения из 
сложного сигнала монохромной составляющей и по сути является узкополосным полосовым фильтром. Фильтры этого типа имеют АЧХ, подобные амплитудно-частотным характеристикам колебательных LC-контуров. Характерным 
для этих фильтров является пик АЧХ в области резонансной частоты fр. Характеристикой избирательности фильтра является добротность Q, определяемая 
как отношение резонансной частоты к полосе пропускания, т. е. 
 
Q = fp/(fмакс – fмин) = 1/(:макс – :мин) = 1/':.   
 
1.5. Активные RC-фильтры 
 
Усилитель с частотно-зависимым коэффициентом усиления является активным фильтром. ОУ является весьма подходящим элементом для реализации 
подобных фильтров. Для выбора типа цепей обратных связей используется теория синтеза фильтров. На рис. 1.2. а, б представлены примеры ФНЧ первого и 
второго порядков. 
 
 
а)                                                              б) 
 
Рис. 1.2. а – схема ФНЧ первого порядка, б – схема ФНЧ второго порядка  
с многопетлевой отрицательной обратной связью (фильтр Рауха) 
8 

Для реализации фильтров нижних частот, верхних частот и полосовых 
широкое применение нашла схема фильтра второго порядка Саллена-Ки. На  
рис. 1.3 приведен ее вариант для ФНЧ. 
 
 
 
Рис. 1.3. Активный ФНЧ второго порядка Саллена-Ки 
 
Отрицательная обратная связь, сформированная с помощью делителя 
напряжения R3, (D1)R3, обеспечивает коэффициент усиления, равный D. Положительная обратная связь обусловлена наличием конденсатора С2.  
Передаточная функция фильтра имеет вид: 
 
 
 
Расчет схемы существенно упрощается, если с самого начала задать некоторые дополнительные условия. Можно выбрать коэффициент усиления   D= 1. 
Тогда (D-1)R3 = 0, и  резистивный  делитель  напряжения  в  цепи отрицательной обратной связи можно исключить. ОУ оказывается включенным по схеме 
неинвертирующего повторителя. В простейшем случае он может быть даже заменен эмиттерным повторителем на составном транзисторе. При D = 1 передаточная функция фильтра принимает вид: 
 
 
 
Для расчета фильтра можно задать значения резисторов R1 и R3 и по приведенным формулам вычислить значения R2, С1 и С2. Однако, в связи с тем, что 
конденсаторы, как правило, приходится выбирать из ряда Е12, где отношение 
соседних емкостей составляет 1.21, или даже из ряда Е6, где отношение соседних емкостей составляет 1.47, удобнее задаваться значениями емкостей конденсаторов и вычислять необходимые значения сопротивлений резисторов.  
При приеме слабых сигналов смещение нуля операционных усилителей, 
входящих в состав фильтров, накладываясь на входной сигнал, порождает 
ошибку, поэтому очень интересна схема ФНЧ, нечувствительная к смещению 
нуля ОУ. Эта схема приведена на рис. 1.4: 
9 

 
Рис. 1.4. Схема активного ФНЧ второго порядка,  
нечувствительная к смещению нуля ОУ 
 
Передаточная функция фильтра при условии, что он работает на холостом 
ходу, имеет вид: 
 
 
 
Соответственно, схема ФВЧ получается из схемы ФНЧ взаимной заменой 
R и C в цепях, определяющих частотную характеристику (рис. 1.5). 
 
 
 
Рис. 1.5. Активный ФВЧ второго порядка 
 
ФВЧ с многопетлевой ОС применяются редко из-за большого количества 
конденсаторов, а схемы рис. 1.2 приобретут вид рис. 1.6 для ФВЧ. 
 
 
 
 
 
 
                               
 
   а)                                                                      б) 
 
 
Рис. 1.6. а – схема ФВЧ первого порядка, б – схема ФВЧ второго порядка  
с многопетлевой отрицательной обратной связью 
 
10