 |
Общие сведения об аналоговых электронных устройствах
|
|
|
|
СХЕМОТЕХНИКА
АНАЛОГОВЫХ
ЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
Курс лекций
Чебоксары 2010
Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова»
В.С.Пряников
СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Курс лекций
Чебоксары 2010
УДК 621.375 (075)
П85
Рецензенты: главный конструктор СКТБ ОАО «Научно-производственный комплекс «Элара», к.т.н. Архипов В.А.; кафедра промышленной электроники ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н.Ульянова».
Пряников B.C.
П85 Схемотехника аналоговых электронных устройств: Курс лекций, Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2010. 203 с.
ISBN 5-7677-0464-3
Рассмотрены основные качественные показатели аналоговых электронных устройств, изложены теоретические основы, принципы построения усилительных и других функциональных схем.
Для студентов второго и третьего курсов, обучающихся по направлению подготовки 210300-Радиотехника и специальности 210302-Радиотехника.
Отв. редактор: д-р техн. наук, профессор
Г.А. Белов
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
УДК 621.375 (075)
ISBN 5-7677-0464-3 © Пряников B.C. 2010
Лекция №1
Введение в дисциплину
«Схемотехника аналоговых электронных устройств»
Общие сведения об аналоговых электронных устройствах
Целью преподавания данной дисциплины является изучение студентами особенностей схемотехники аналоговых электронных устройств и методов их анализа, а также формирование у студентов знаний, навыков и умений, позволяющих осуществлять схемотехническое проектирование электронных устройств, которые обеспечивают усиление и обработку аналоговых сигналов, в том числе и с использованием интегральных микросхем, выпускаемых промышленностью. Эти знания и умения имеют не только самостоятельное значение, но и обеспечивают базовую подготовку студентов по схемотехнике, необходимую им при изучении других схемотехнических дисциплин.
|
|
|
В результате изучения дисциплины студенты должны:
- знать принципы функционирования основных аналоговых электронных устройств и их базовых элементов, особенности схемотехники этих устройств, в том числе и учитывающие возможность их реализации по интегральной технологии и необходимость обеспечения стабильности их работы;
- знать и уметь применять методы анализа усилительных и других аналоговых электронных устройств, основанные на использовании эквивалентных схем; уметь составлять эти схемы на базе принципиальных схем анализируемых устройств;
- знать принципы построения цепей обратной связи и их влияние на основные показатели и стабильность параметров аналоговых электронных устройств; уметь формировать эти цепи с целью улучшения качественных показателей разрабатываемых устройств и получения заданной формы их характеристик;
- уметь осуществлять схемотехническое проектирование разрабатываемых усилительных и других аналоговых устройств, в том числе, построенных на базе операционных усилителей, а также с учетом возможности их реализации по интегральной технологии; выполнять расчеты, связанные с выбором параметров и режимов работы разрабатываемых устройств;
- уметь применять современную вычислительную технику при анализе и проектировании аналоговых электронных устройств.
Дисциплина «Схемотехника аналоговых электронных устройств» является первой дисциплиной, в которой студенты изучают схемотехнику и ее язык. Она располагается в учебном плане специальности на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую и специальную подготовку инженеров. Изучая эту дисциплину, студенты впервые знакомятся с принципами функционирования, схемотехникой аналоговых электронных устройств и с методами их анализа; с задачами, связанными с обеспечением стабильности работы и знание которых необходимо как при разработке устройств, рассматриваемых в настоящей дисциплине, так и устройств, изучаемых в других дисциплинах и связанных с формированием, приемом и обработкой аналоговых сигналов.
|
|
|
Изучение дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» базируется на физико-математической подготовке студентов, получаемой ими при изучении дисциплин «Математика» и «Физика», на знании методов анализа электрических цепей, с которыми студенты знакомятся при изучении дисциплин «Основы теории цепей», «Радиотехнические цепи и сигналы» и «Основы компьютерного проектирования РЭС», а также на знании параметров и характеристик пассивных и активных радиокомпонентов, рассматриваемых дисциплинами «Радиоматериалы и радиокомпоненты» и «Электроника». Материал, изучаемый в дисциплине «Схемотехника аналогов электронных устройств», используется студентами в дисциплинах «Устройства приема и обработки сигналов», «Основы телевидения», «Устройства генерирования и формирования сигналов» и др.
Для того чтобы обеспечить глубокое усвоение студентами основ схемотехники аналоговых электронных устройств, творческий подход и самостоятельность при изучении ими соответствующего материала, необходимо провести большую методическую работу, направленную на эффективное использование студентами часов, выделенных учебным планом для самостоятельной работы и на обеспечение руководства и контроля преподавателем этой работы. Учитывая место дисциплины в учебном плане, при чтении лекций необходимо особое внимание уделять принципам функционирования изучаемых устройств. Рассматриваемая схемотехника должна быть ориентирована на изготовление аналоговых устройств, в том числе и по интегральной технологии. Целесообразно обратить внимание и на обеспечение повторяемости разрабатываемых устройств при их производстве.
|
|
|
Большое значение для творческого освоения студентами особенностей схемотехники аналоговых электронных устройств имеет выполнение ими курсового проекта. Курсовой проект по этой дисциплине является первым среди схемотехнических курсовых проектов, выполняемых студентами при обучении их по направлению 210300 - Радиотехника и по специальности 210302 - Радиотехника. При его выполнении студенты еще не имеют навыков разработки устройств по заданным показателям. Поэтому во время работы студентов над курсовым проектом должно быть обеспечено достаточное количество индивидуальных консультаций.
Для реализации настоящей программы предусмотрено всего 140 часов, из них аудиторных занятий – 78 ч., которые могут быть распределены следующим образом: лекции - 46 ч., лабораторные занятия - 32 ч. и самостоятельные занятия – 62 ч. Схемотехника аналоговых электронных устройств изучается в течение четвертого и пятого семестров. Отчетность: зачет в четвертом семестре; дифференцированный зачет по результатам защиты курсового проекта и экзамен за весь курс в пятом семестре.
Программа дисциплины
1.2.1. Содержание дисциплины
Введение. Определение аналоговых электронных устройств. Принципы их построения, особенности функционирования и области применения. Усилительные устройства и их роль при построении устройств обработки аналоговых сигналов. Краткий исторический обзор развития отечественной аналоговой техники. Тенденции ее развития. Значение дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» для подготовки бакалавров; ее содержание и связь с другими дисциплинами учебного плана.
Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств, требования, предъявляемые к аналоговым электронным устройствам. Показатели и характеристики, определяющие усиление, преобразование и искажения аналоговых сигналов. Входные и выходные показатели, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика, фазовая характеристика, амплитудная характеристика, коэффициент нелинейных искажений и переходная характеристика аналоговых электронных устройств (АЭУ). Обратная связь и ее влияние на показатели и характеристики аналоговых электронных устройств.
|
|
|
Принцип и назначение обратной связи. Основные способы ее обеспечения. Влияние обратной связи на основные показатели и характеристики усилительных устройств и аналоговых устройств, построенных на их базе, а также на чувствительность этих устройств к изменению параметров их элементов. Устойчивость устройств, охваченных отрицательной обратной связью, и ее оценка с помощью различных критериев.
Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току.
Цепи питания, обеспечивающие режим работы транзисторов по постоянному току. Значение этих цепей.
Обеспечение необходимого режима работы транзисторов по постоянному току с помощью простейших цепей. Влияние условий эксплуатации и разброса значений параметров транзисторов на режим их работы по постоянному току; необходимость стабилизации тока покоя выходной цепи транзистора.
Генераторы стабильного тока СГСТЭ и их использование для обеспечения стабилизации токов покоя транзисторов. Расчет значений сопротивлений резисторов ГСТ, при которых обеспечиваются заданные значения его тока покоя и дифференциального сопротивления.
Стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току с помощью отрицательной обратной связи. Цепи, обеспечивающие стабилизацию в одиночных каскадах. Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току в многокаскадных устройствах с непосредственной связью между каскадами; дрейф нуля.
Каскады предварительного усиления.
Требования, предъявляемые к каскадам предварительного усиления, и особенности их анализа, связанные с малым уровнем входного сигнала, при котором нелинейность характеристик транзистора можно не учитывать.
Применение эквивалентных схем для анализа каскадов предварительного усиления. Модели усилительных элементов, используемые при анализе этих каскадов. Построение эквивалентных схем рассматриваемых аналоговых электронных устройств. Применение ЭВМ для расчета аналоговых электронных устройств по полным эквивалентным схемам. Упрощение эквивалентных схем для проведения расчетов, не связанных с применением ЭВМ.
Применение усилительных элементов, состоящих из нескольких транзисторов (составных транзисторов).
Усилительные каскады с транзисторами, включенными с общим эмиттером и общим истоком. Резисторные каскады предварительного усиления, их принципиальные и эквивалентные схемы. Применение динамической нагрузки. Коэффициент усиления, частотные характеристики каскада в области верхних частот и переходные характеристики в области малых времен. Площадь усиления резисторного каскада.
|
|
|
Применение цепей коррекции для увеличения площади усиления и получения частотных и переходных характеристик заданной формы.
Усилительный каскад с транзистором, включенным с общим коллектором и общим стоком. Эмиттерный и истоковый повторители.
Усилительный каскад с транзистором, включенным с общей базой.
Чувствительность характеристик резисторного каскада к изменению значений параметров его элементов.
Дифференциальный усилительный каскад. Основные свойства и расчет этого каскада. Коэффициенты усиления по дифференциальному и синфазному сигналам. Относительное ослабление синфазной составляющей сигналов. Дифференциальные усилительные каскады с повышенным значением коэффициента усиления и входного сопротивления. Применение токового зеркала в дифференциальном каскаде.
Частотные искажения в области нижних частот и искажения вершины прямоугольного импульса, возникающие в резисторных каскадах переменного тока вследствие наличия разделительных конденсаторов и блокировочных конденсаторов в эмиттерной (истоковой) цепи усилительного элемента.
Входные каскады усилителей предварительного усиления и их шумовые свойства.
Выходные усилительные каскады.
Требования, предъявляемые к выходным каскадам усиления и особенности их расчета, обусловленные использованием большого участка передаточной характеристики, нелинейность которой необходимо учитывать.
Режимы работы усилительных элементов в усилительных каскадах. Коэффициент полезного действия и допустимая мощность рассеяния на транзисторе с учетом температуры окружающей среды и наличия радиатора.
Однотактные каскады. Построение выходных динамических характеристик. Определение нелинейных искажений.
Двухтактные оконечные каскады. Особенности работы и свойства двухтактных каскадов. Применение режимов В и АВ. Нелинейные искажения в двухтактных каскадах. Бестрансформаторные двухтактные каскады.
Операционные усилители. Значение операционных усилителей в современной радиоэлектронике. Основные показатели операционных усилителей и предъявляемые к ним требования. Типовые структуры и каскады операционных усилителей. Сдвиги нуля выходного напряжения и их компенсация. Макромодели операционных усилителей. Применение обратных связей для создания устройств аналоговой обработки сигналов. Обеспечение устойчивости операционных усилителей, охваченных обратной связью.
Инвертирующие и неинвертирующие усилители с заданным точным значением коэффициента усиления; повторители напряжения. Устройства, осуществляющие суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование и антилогарифмирование. Аналоговые перемножители и делители. Основные применения.
Активные RC-фильтры. Аппроксимация амплитудно-частотных характеристик фильтров. Способы реализации активных RC-фильтров. Каскадная реализация фильтров на базе звеньев первого и второго порядков. Звенья фильтров, в которых используются частотно-зависимые цепи отрицательной или положительной обратной связи.
Заключение. Направления и перспективы развития аналоговых электронных устройств.
1.2.2. Примерный перечень тем лабораторных занятий
Исследование резисторного усилительного каскада на полевых транзисторах.
Исследование резисторного усилительного каскада на биполярных транзисторах.
Исследование импульсного усилителя.
Исследование двухтактного выходного каскада.
Исследование повторителей напряжения.
Исследование операционного усилителя.
Исследование аналоговых устройств, построенных на базе операционных усилителей.
С точки зрения обеспечения эффективного усвоения материала курса при выполнении лабораторных работ важно, чтобы эти работы выполнялись студентами после проработки ими соответствующего материала и усвоения порядка проведения экспериментальной части работы. Поэтому допуск студентов к выполнению соответствующей работы целесообразно осуществлять только после того, как они во время предварительного опроса покажут соответствующие знания.
1.2.3. Курсовой проект
Каждому студенту выдается индивидуальное задание, связанное с разработкой несложного аналогового электронного устройства.
При выполнении курсового проекта студенты проводят предварительный расчет и составляют структурную и принципиальную схемы разрабатываемого устройства. Исходя из общих требований, предъявляемых к показателям этих устройств, формулируют требования к показателям их отдельных каскадов и цепей; выбирают и рассчитывают значения параметров радиокомпонентов, при которых обеспечиваются необходимые показатели и характеристики разрабатываемых устройств, выбирают необходимые микросхемы. После выбора схемы и расчета значений параметров ее элементов производится расчет основных показателей разработанного устройства и их сравнение с заданными показателями. Этот расчет целесообразно проводить с помощью ЭВМ, используя пакеты программ анализа электронных цепей. Необходимо, чтобы при оформлении курсового проекта соблюдались требования ГОСТов ЕСКД.
|
|
|
