Схемотехника аналоговых устройств (стр. 3 )

Несмотря на то что вопросы функционирования, анализа и проектирования классических схемных решений изложены в указанных выше книгах, отдельные вопросы, как показывает практика чтения лекций, требуют более подробного рассмотрения. Это обстоятельство также явилось поводом для составления данного лекционного курса. Наконец, излагаемый в настоящем издании материал находится в тесной увязке с курсом лабораторных работ, заключающихся в моделировании отдельных классических схемных решений в среде Workbench, а также с заданиями на курсовое проектирование. Материал изложен компактно, выстроен в строгой логической последовательности по направлению от простого к более сложному, причем последующие сведения базируются на предыдущих.

ЛЕКЦИЯ 1

1.1. Классификация электронных схем

Электронные схемы делятся на:

-  аналоговые (напряжение и ток меняются непрерывно и описываются математическим аппаратом дифференциального и интегрального исчисления и комплексных переменных);

-  цифровые (два уровня напряжения меняются дискретно и описываются алгеброй логики).

Принято разделять элементы и схемы на:

-  активные (транзисторы: в них имеется возможность усиления по мощности);

-  пассивные (резисторы, конденсаторы, диоды, индуктивности);

-  линейные (в них ток пропорционален напряжению, соблюдается закон Ома, выполняется принцип суперпозиции);

-  нелинейные (характеризуются вольт-амперными характеристиками, имеющими нелинейный вид).

1.2. Делители напряжения

Простейший делитель напряжения − это схема, которая для данного напряжения на входе создает на выходе напряжение, являющееся некоторой частью входного. Делители напряжения часто используются в схемах для получения заданного напряжения из большего.

Рис. 1.1. Простейший делитель напряжения

Так как для делителя , то , а коэффициент передачи .

1.3. Теорема об эквивалентном преобразовании
источников (генераторов)

Сколь угодно сложную схему, состоящую из резисторов и источников напряжения и имеющую два выхода, можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из одного эквивалентного резистора RЭКВ, последовательно подключенного к одному источнику эквивалентного напряжения UЭКВ.

R1

U1

R2

 

R3

U2

Рис. 1.2. К эквивалентному преобразованию источников напряжения

При этом UЭКВ определяется как напряжение на выходе разомкнутой схемы, а , где IЗАМКН. СХ. – ток, протекающий при коротком замыкании выхода схемы. На практике UЭКВ и IЗАМКН. СХ. можно рассчитать или измерить.

Применим эту теорему к делителю напряжения:

, .

Замыкаем R2 – выход схемы – и получаем .

С учетом получаем .

Таким образом, эквивалентное сопротивление делителя, состоящего из резисторов R2, R1, является параллельным соединением последних ().

1.4. Понятие о динамическом сопротивлении

Для элементов, имеющих нелинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ), закон Ома не выполняется. Однако небольшие приращения напряжения и соответствующие приращения тока можно считать пропорциональными.

Рис. 1.3. К понятию динамического сопротивления

Сопротивление в данной точке ВАХ называется динамическим сопротивлением: RДИН = dU/dI.

1.4.1. Стабилитрон

Стабилитрон (зенеровский диод) характеризуется наличием участка пробоя на обратной ветви ВАХ. Обладает свойством самовосстановления после пробоя. Характеризуется напряжением стабилизации UСТАБ при заданном токе IСТАБ и динамическим сопротивлением RДИН. Стабилитрон используют для получения постоянного напряжения. Простейший стабилизатор напряжения представляет собой делитель напряжения, в котором в качестве второго сопротивления используется динамическое сопротивление стабилитрона.

R1

а б в

Рис. 1.4. Простейший стабилизатор (а), его эквивалентная схема (б)
и вольт-амперная характеристика стабилитрона (в)

Процесс стабилизации осуществляется за счет источника входного напряжения (причем ) и может быть представлен в виде следующей цепочки рассуждений:

и, наоборот,

Здесь знаки «­» («¯») означают увеличение (уменьшение) параметра, знак «®» означает следствие. Недостатком данной схемы является большой уровень пульсации.

Пример:

Пусть RДИН = 10 Ом; UСТАБ = 5 В; I СТАБ = 10 мА. Если на 10% изменится ток, то Таким образом, .

1.4.2. Туннельный диод

Туннельный диод имеет участок ВАХ с отрицательным динамическим сопротивлением (участок АВ). В данной схеме туннельный диод может быть представлен динамическим сопротивлением RДИН, определяемым на участке АВ. Достоинствами схемы усилителя на туннельном диоде являются простота и высокое быстродействие. Недостаток − небольшой коэффициент усиления. Данные схемы используют крайне редко.

U2 UСИГН

U1

а б в

Рис. 1.5. ВАХ туннельного диода (а), принципиальная (б) и эквивалентная (в) схемы
усилителя на туннельном диоде

При входном напряжении UВХ = UСИГН, изменяющемся относительно постоянного напряжения смещения Uсм, имеем . Поскольку , то коэффициент передачи .

1.5. Наиболее распространенные виды сигналов

1.5.1. Синусоидальный сигнал

Синусоидальные сигналы , где А – амплитуда, – угловая частота (где , Т – период колебаний), – начальная фаза, с достаточной точностью описывают процессы в линейных цепях.

Рис. 1.6. Синусоидальный сигнал

При измерениях величины сигнала различают:

-  максимальное значение сигнала (амплитуда А);

-  двойную амплитуду (2А);

-  эффективное значение (измеряется на уровне , соответствует –3 дБ).

В линейных цепях для синусоидальных сигналов выполняется принцип суперпозиции. Используя понятие «отклик» (реакция цепи на входное воздействие), принцип суперпозиции часто кратко формулируют следующим образом: отклик суммы равен сумме откликов. На другие виды сигналов принцип суперпозиции не распространяется.

1.5.2. Понятие амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)

Принцип суперпозиции позволяет использовать для описания частотных свойств схемы понятие АЧХ (зависимость коэффициента передачи от частоты): . АЧХ определяется путем последовательного измерения амплитуды выходного сигнала при изменении частоты входного синусоидального сигнала с постоянной амплитудой.