Учебное пособие

Воронеж 2008
ГОУПВО «Воронежский государственный технический университет»

Е.И. Воробьева

СХЕМОТЕХНИКА

АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ

УСТРОЙСТВ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2008

Воробьева Е.И. Электроника и схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. Пособие /Е.И.Воробьева. Воронеж: ГОУПВО «Воронежский государственный технический университет», 2008. 332с.

В учебном пособии содержатся сведения об элементной базе устройств полупроводниковой электроники. Приводятся их классификация, вольт-амперные и частотные характеристики, основные схемы включения. Излагаются основные принципы построения усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах. В основу предлагаемого пособия положен опыт преподавания дисциплин «Электроника и схемотехника» и «Основы радиоэлектроники», читаемых в Воронежском государственном техническом университете.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210302 «Радиотехника», по дисциплинам «Основы радиоэлектроники» и «Схемотехника аналоговых электронных устройств».

Табл. 4. Ил. 139. Библиогр.: 8 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. А.Г.Остапенко

Рецензенты: ОАО «Концерн» Созвездие» (Должность);

канд техн. наук, доц. М.И.Бочаров

ã Воробьева Е.И., 2008

ã Оформление. ГОУПВО «Воронежский

государственный технический университет», 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введние………………………………………………………………….8

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ…………………………..10

1.1. Полупроводниковые диоды…………………………….………..10

1.1.1. Устройство и классификация полупроводниковых диодов…10

1.1.2. Физические процессы в p-n-переходе………………………...12

1.1.3. Работа диода при подключении внешнего……………………13

обратного напряжения………………………………………………..13

1.1.3.1. Тепловой ток диода…………………………………………..14

1.1.3.2. Токи генерации и утечки в реальных диодах………………16

1.1.4. Работа диода при подключении внешнего прямого

напряжения…………………………………………………………….20

1.1.5. Основные параметры диодов………….……………………….24

1.1.5.1. Сопротивления диода…………………..……………………..24

1.1.5.2. Емкости диода………………………………………………...26

1.1.6. Типы полупроводниковых диодов…………………………….27

1.1.6.1. Выпрямительные диоды……………………………………..27

1.1.6.2. Стабилитроны………………………………………………...29

1.1.6.3.Варикапы………………………………………………………31

1.1.6.4. Туннельный диод……………………………………………..37

1.1.6.5. Импульсные диоды…………………………………………..42

1.1.6.6. Диоды с накоплением заряда………………………………..44

1.1.6.7. Диоды с барьером Шоттки…………………………………..45

1.1.6.8. Лавинно пролетные диоды…………………………………..47

1.1.6.9. Фотодиод……………………………………………………...51

1.2. Биполярные транзисторы………………………………………..53

1.2.1. Устройство и режимы работы транзистора…………………..53

1.2.2. Физические процессы, протекающие в транзисторе,

работающем в активном режиме………..………………………….....55

1.2.3. Схемы включения, основные характеристики и параметры

транзистров………….…………………………………………………57

1.2.3.1. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) ….…….57

1.2.3.2. Основные параметры транзистора с ОБ……………….…….60

1.2.3.3. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ).…61

1.2.3.4. Выходные и входные характеристики транзистора, включенного

по схеме с ОЭ……………………...……………… …………………..63

1.2.3.5. Параметры транзистора, включенного по схеме с ОЭ.…….64

1.2.3.6. Схема включения транзистора с общим

коллектором(ОК)……..………………………………………………..65

1.2.3.7. Параметры транзистора с ОК…….…………………………..66

1.2.4. Эквивалентные схемы транзисторов….……………………….67

1.2.4.1. Эквивалентная схема транзистора в виде модели Эберса

Мола…………………………………………………………………….67

1.2.4.2. Дифференциальные параметры………….…………………..69

и малосигнальные эквивалентные схемы транзистра………...……..69

1.2.4.3. Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах…….…...73

1.2.4.5. Эквивалентная схема транзистора в y-параметрах…….…...75

1.2.5. Инерционные свойства биполярного транзистора. Зависимость

параметров биполярного транзистора от частоты.……….…………77

1.2.5.1. Процессы в схеме с общей базой………………….…………77

1.2.5.2. Процессы в схеме с ОЭ………………….……………………81

1.3. Полевые транзисторы………………….…………………………83

1.3.1. Транзисторы с управляющим p-n-переходом………………...83

1.3.1.1. Устройство и принцип работы полевого транзистора с

управляющим p-n-переходом………………………………….……..83

1.3.2. Дифференциальные параметры……………….……………….86

1.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором…….……..89

1.4. Тиристоры………………….……………………………………...92

1.5. Интегральные схемы………………….…………………………..96

1.6. Полупроводниковые датчики и индикаторные приборы….….100

1.6.1. Полупроводниковые датчики температуры……….…………100

1.6.2. Магнитополупроводниковые приборы…………….………...107

1.6.3. Приборы с зарядовой связью…………….…………………...123

1.6.4. Фотоэлектрические приборы……………….………………...131

Понятие об оптоэлектронных приборах……………….…………...131

2. Аналоговые электрические устройства………….………………138

2.1. Общие сведения. Классификация и основные характеристики

усилителей……………………..……………………………………..138

2.1.1. Общие сведения об усилителях…………….………………...138

2.1.2. Классификация усилителей……………………….…………..141

2.1.3. Основные характеристики усилителя…………………….….143

2.1.3.1. Коэффициент усиления……………………………………..143

2.1.3.2 Полоса пропускания усилителя…………………….……….145

2.1.3.3 Входное и выходное сопротивления………………….…….146

2.1.3.4. Искажение сигналов в усилителе……………….………….148

2.1.3.5. Переходные характеристики……………….……………….153

2.1.4 Типовые функциональные каскады полупроводникового

усилителя……………….…………………………………………….154

2.1.5. Математическое описание усилительных устройств…….….156

2.1.6. Представление передаточной функции элементарными

звеньями……………………………………………...…………….....158

2.1.7. Частотные характеристики усилительных устройств…….…159

2.2. Обратные связи. Понятие устойчивости………………….……161

2.2.1. Обратная связь………………….……………………………...161

2.2.2. Влияние цепи обратной связи на основные характеристики

усилительного устройства………………...…………………………166

2.2.2.1. Коэффициент усиления……………………….……………..166

2.2.2.2. Полоса усиливаемых частот…………………….…………..169

2.2.3. Понятие об устойчивости усилителя………………….……...172

2.2.3.1. Частотный критерий устойчивости………………….……..172

2.2.3.2. Алгебраический и фундаментальный критерии

устойчивости………………..………………………………………..177

2.3. Усилительные каскады на транзисторах…………………….…179

2.3.1. Принцип работы усилителей………………….………………179

2.3.2. Токи покоя и напряжения покоя в усилительных каскадах...183

2.3.3. Понятие о классах усиления усилительных каскадов……....187

2.3.3.1. Класс усиления А………………….………………………...188

2.3.3.2. Класс усиления В……………………………………………190

2.3.3.3. Класс усиления АВ………………………………………….192

2.3.3.4. Класс усиления С и D………………………….……………193

2.3.3.5. Методы стабилизации рабочей точки……………………...196

2.3.4. Каскад с последовательной отрицательной обратной связью

по току нагрузки………………………………………………………200

2.3.5. Каскад с параллельной отрицательной обратной связью по

выходному напряжению…………………..…………………………205

2.3.6. Формирование частотной характеристики каскадов с

цепями ООС…………………………………………………………...210

2.3.7. Усилительный каскад по схеме с общим истоком……….….213

2.3.7.1 Основные параметры каскада усилителя на полевом

транзисторе…………………………………………...………………216

2.3.8. Эмиттерный и истоковый повторители……………………...222

2.4. Каскады предварительного усиления………………………….226

2.4.1 Условия работы каскадов предварительного усиления……..226

2.4.1.1. Требования к каскадам и режим работы………….………..226

2.4.1.2. Определение частотной, фазовой и переходной

характеристик………………………………………………………...228

2.4.2 Резисторный каскад……………………………….……………230

2.4.2.1. Применение, принципиальные и эквивалентные схемы.…230

2.4.2.2 Характеристики и расчетные формулы резисторного

каскада…………………...…………………………………….……...233

2.4.2.3. Расчетные формулы каскада в области средних частот…..238

2.4.2.4. Расчет транзисторного резисторного каскада………….….250

2.4.2.5. Резисторные каскады предварительного усиления,

работающие на внешнюю нагрузку, и резисторные входные цепи.255

2.5. Выходные каскады………………………………………….…...258

2.5.1. Условия расчета каскадов мощного усиления………….…...258

2.5.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного

усиления в режиме А……………………….………………………..264

2.5.3. Расчет двухтактного транзисторного каскада мощного

усиления в режиме В……………………………..………….………268

2.5.4. Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного

усиления………………..……………………………………………..272

2.5.5. Расчет бестрансформаторных двухтактных каскадов……....283

2.6. Широкополосные каскады и каскады специального

назначения…………………………………………………………….286

2.6.1. Особенности широкополосных усилителей………………...286

2.7. Схемы коррекции без обратной связи…………………………291

2.7.1. Низкочастотная коррекция…………………………………...291

2.7.2. Высокочастотная коррекция…………………………………295

2.8. Схемы коррекции с обратной связью………………………….302

2.8.1. Низкочастотная коррекция……………………………….…..302

2.8.2. Высокочастотная коррекция…………………………….……304

2.9. Повторители……………………………………………..……….307

2.9.1. Простые повторители………………………………………….307

2.10. Усилители постоянного тока……………………………….….313

2.10.1. Основные свойства и применение…………………………..313

2.10.2. Усилители постоянного тока, с непосредственной связью..315

2.11. Дрейф нуля и способы его уменьшения………………….…...321

2.11.1 Причины дрейфа нуля………………………….……………..321

2.12. Балансные и дифференциальные каскады……………….…...325

Заключение…………………………….……………………………...334

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………….....336
ВВЕДЕНИЕ

Электроника - это область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных средств и принципов их использования. В России более широкое применение получил термин радиоэлектроника. Слово "радио", входящее в этот термин, с одной стороны, указывает на радиотехническое происхождение различных методов и средств электроники, а с другой - значительно расширяет область того, что понимается под радиоэлектроникой.

В основе развития радиоэлектроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронными устройствами. На определенных этапах становится невозможным решать новые задачи на основе существующей элементной базе, таким образом, создаются предпосылки для дальнейшего совершенствования этой базы, которое заключается в повышении надежности, уменьшении габаритов, массы, стоимости и потребляемой мощности.

Под основами радиоэлектроники понимается минимум основных сведений о методах и устройствах, изучение которых позволяет грамотно разрабатывать основные элементы различных электронных устройств и сами электронные устройства на современной элементной базе. Изучение радиоэлектроники позволяет осуществить подготовку специалистов в области основ построения радиоэлектронной аппаратуры, используемой в системах передачи информации и данных.

В пособии рассматриваются важнейшие количественные соотношения и методы анализа базовых элементов и микроэлектронных устройств, используемые в системах передачи и обработки информации. Представлен необходимый минимум специальных физических, математических и теоретических понятий, которые обеспечили бы возможность понимать и анализировать процессы в радиоэлектронных цепях систем передачи и обработки информации.

Материал, изложенный в данной работе, дает возможность иметь представление о перспективных направлениях развития элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, о физических основах работы полупроводниковых приборов, о международных и отечественных стандартах в области электроники. Кроме того, количественные соотношения и методы анализа базовых элементов и микроэлектронных устройств, представленные в пособии, позволяют узнать принципы работы элементов современной радиоэлектронной аппаратуры и физические процессы, протекающие в них. Разбираться в основах схемотехники аналоговых интегральных схем (ИС) и устройствах, созданных на их основе, проводить анализ базовых элементов и устройств радиоэлектронной аппаратуры, используемых в современных системах связи, применяя, при этом, основные методы расчета электронных схем.

В основу предлагаемого пособия положен опыт преподавания дисциплины "Электроника и схемотехника", читаемой в Воронежском государственном техническом университете по специальности "Информационная безопасность телекоммуникационных систем".

Предполагается, что студенты, изучающие курс "Электроника и схемотехника", умеют пользоваться справочными параметрами цифровых и аналоговых интегральных схем при проектировании электронных устройств и электронной измерительной аппаратурой для контроля параметров. А также имеют навыки в чтении и изображении электронных схем на основе современной элементной базы, в проектировании и расчете простейших аналоговых и цифровых схем, работы с контрольно-измерительной аппаратурой.