УДК 621. 385
Галочкин В.А.«Схемотехника аналоговых и цифровых
устройств». Учебное пособие. Под редакцией д.т.н., профессора
Елисеева С.Н. - Самара: ФГОБУ ВПО ПГУТИ
2016г- 441с.
ISBN 978-5-904029-51-7
Рассматриваются принципы построения и схемотехника аналоговых
и цифровых устройств полупроводниковой электроники;
Предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения,
а также для специалистов направлений «Информатика и
вычислительная техника», «Управление в технических системах»
и «Радиотехника».
Рецензент:
д.т.н., профессор Тяжев А.И.
ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
ISBN 978-5-904029-51-7
© Галочкин В.А., 2016
Стр.2
Оглавление
Список сокращений и обозначений ............................................ 4
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................... 7
Лекция 1
Тема: основные технические характеристики и
показатели аналоговых электронных устройств (АЭУ)
1.1. Стандартизация. Унификация .................................................. 9
1.2. Входное и выходное сопротивление ..................................... 10
1.3. Коэффициенты усиления (передачи) .................................... 10
1.4. Коэффициент усиления (передачи) по мощности ................ 12
1.5. Амплитудно - и фазочастотная характеристики ................... 12
1.6. Переходная характеристика ................................................... 15
1.7. Нелинейные искажения .......................................................... 16
1.8. Коэффициент полезного действия ......................................... 18
1.9. Собственные помехи ............................................................... 19
1.10. Амплитудная характеристика. ............................................. 20
1.11. Специфические показатели АЭУ ......................................... 21
1.12. Стабильность показателей .................................................... 22
Выводы по теме .............................................................................. 23
Задания и вопросы для самоконтроля по теме ............................ 23
Лекция 2
Тема: требования к цепям питания усилительных
элементов. Стабилизация режима транзистора
2.1. Нестабилизированные цепи питания ..................................... 26
2.1.1. Смещение фиксированным током базы ............................. 26
2.1.2. Смещение фиксированным напряжением база—
эмиттер...........................................................................................28
2.2. Стабилизация режима транзистора ........................................ 30
2.2.1. Эмиттерная стабилизация ................................................. 30
2.2.4. Цепи смещения с температурной стабилизацией ............ 33
2.3. Цепи смещения без стабилизации
режимов полевых транзисторов .................................................. 34
2.4. Цепи смещения со стабилизацией режима ........................... 36
2.5. Генераторы стабильного тока (ГСТ) ..................................... 37
В.А.Галочкин
430
«Схемотехника аналоговых и цифровых устройств»
Стр.430
2.5.1. Принцип работы ГСТ........................................................... 37
2.5.2. Схемы ГСТ ............................................................................ 40
Выводы по теме .............................................................................. 42
Задания и вопросы для самоконтроля по теме ............................ 44
Лекция 3
Тема: обратная связь в аналоговых электронных
устройствах и ее влияние на их параметры и свойства.
Схемотехника применения отрицательной обратной связи
3.1. Виды обратной связи ............................................................... 46
3.1.1. Параллельная по входу и выходу ОС ................................... 47
3.1.2. Последовательная по входу и выходу
обратная связь ................................................................................ 49
3.1.3. Последовательная по входу и параллельная
по выходу обратная связь .............................................................. 51
3.1.4. Параллельная по входу и последовательная
по выходу ОС.................................................................................. 53
3.2. Влияние ОС на коэффициенты усиления. ............................. 55
3.3. Стабильность коэффициента усиления
при обратной связи ......................................................................... 58
3.4. Влияние отрицательной обратной связи
на входные и выходные сопротивления ................................. 60
3.4.1. Влияние отрицательной обратной связи
на входное
сопротивление ................................................................................ 60
Лекция 4
Тема: обратная связь в аналоговых электронных
устройствах и ее влияние на их параметры и свойства.
Схемотехника применения обратной связи (продолжение
лекции 3)
3.4.2. Влияние отрицательной обратной связи на
выходное сопротивление .............................................................. 62
3.4.3. Общий метод определения влияния ООС на входные
и выходные сопротивления по формуле Блекмана.....................64
3.5. Влияние ОС на амплитудно-, фазочастотные и
переходные
характеристики (линейные искажения) .............. 66
3.5.1. Частотно-независимая ОС .............................................. 66
3.5.2. Частотнозависимая ОС .................................................... 70
3.6. Влияние ОС на нелинейные искажения, помехи и
динамический диапазон ................................................................ 71
В.А.Галочкин
«Схемотехнка аналоговых и цифровых устройств»
431
Стр.431
3.7. Устойчивость усилителей с ОС. Критерии
устойчивости. Запасы устойчивости ........................................... 72
Выводы по теме .............................................................................. 78
Задания и вопросы для самоконтроля по теме ............................ 79
Лекция 5
Тема: усилители на биполярных и полевых транзисторах
5.1.1. Основные свойства транзистора, включенного
по схеме с общим эмиттером.......................................................81
5.1.2. Основные свойства транзистора, включенного
по схеме с общей базой...................................................................83
5.1.3. Основные свойства транзистора, включенного
по схеме с общим коллектором.....................................................86
5.2. Принцип электронного усиления ......................................... 87
5.3 Режимы работы усилительных элементов ......................... 89
5.4. Схемы межкаскадных связей ............................................... 92
5.5. Динамические и нагрузочные характеристики .................. 94
5.6. Резисторный апериодический предварительный
усилитель напряжения............................................................... ...96
5.6.1. АЧХ резисторного каскада на биполярном
транзисторе ................................................................................... 97
Лекция 6
Тема: усилители на биполярных и полевых транзисторах
(продолжение лекции 5)
5.6.2. Фазочастотная характеристика
резисторного
каскада........................................................................................... 105
6. Усилители на полевых транзисторах. Широкополосные
(импульсные) усилители. Коррекция амплитудно-частотных
характеристик ............................................................................... 106
6.1. Особенности анализа каскадов на полевых
транзисторах ................................................................................. 107
6.2. Широкополосные (импульсные) каскады.
Площадь усиления ........................................................................ 108
6.3. Низкочастотная коррекция .................................................. 111
6.3.1. НЧ коррекция с помощью цепочки RФ СФ ................... 111
6.3.2. НЧ коррекция с помощью ОС ....................................... 114
6.4. Высокочастотная коррекция............................................... 115
6.4.1. Схема ВЧ коррекции с параллельной
индуктивностью........................................................................... 115
В.А.Галочкин
432
«Схемотехника аналоговых и цифровых устройств»
Стр.432
6.4.2. Схема ВЧ коррекции с ООС ............................................ 117
Выводы по теме ............................................................................ 119
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 121
Лекция 7
Тема: анализ и схемотехника выходных мощных
каскадов усиления ...................................................................... 124
7.1. Требования к оконечным усилительным ............................ 125
каскадам......................................................................................... 125
7. 2. Схемы выходных каскадов .................................................. 126
7. 3. Трансформаторный каскад мощного усиления
в режиме А .................................................................................... 129
7.3.1. Общие соотношения ......................................................... 129
7.3.2. Расчет однотактного транзисторного
каскада мощного усиления в режиме А ...................................... 132
7.3.3. Особенности расчета двухтактного каскада
мощного усиления в режиме А……………………………………...135
Лекция 8
Тема: анализ и схемотехника выходных мощных
каскадов усиления (продолжение лекции 7)
7.3.4. Трансформаторный каскад в режиме В .......................... 139
7.3.5. Бестрансформаторные двухтактные каскады
мощного усиления......................................................................... 142
7.3.6. Двухтактный бестрансформаторный
каскад с параллельным (несимметричным) выходом ............... 142
7.3.7. Двухтактный каскад с последовательным
управлением ................................................................................... 146
7.3.8. Расчет бестрансформаторных двухтактных
каскадов ......................................................................................... 147
7.3.9. Двухтактный усилитель мощности
с операционным усилителем ........................................................ 150
Выводы по теме: ........................................................................... 150
Контрольные вопросы по теме: ................................................... 152
Лекция9
Тема: операционные усилители .............................................. 153
9.1 Операционные усилители. Определения,Структура ........... 154
9.2 Схемотехника ОУ ................................................................... 159
9.2.1.Элементарная (упрощенная) схема входного
каскада........................................................................................... 159
В.А.Галочкин
«Схемотехнка аналоговых и цифровых устройств»
433
Стр.433
9.2.2. Упрощенная типовая схема входного каскада ОУ
первого поколения.........................................................................160
9.2.3. Схема входного каскада ОУ второго поколения ............. 161
9.2.4. Схема входного каскада ОУ третьего поколения .......... 162
9.2.5. Промежуточные каскады ................................................. 163
9.2.6 Выходные каскады .............................................................. 163
9.3. Основные параметры ОУ ...................................................... 166
9.4. Схемы сдвига уровней .......................................................... 168
Выводы по теме ............................................................................ 169
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 171
Лекция 10
Тема: схемотехника аналоговых устройств на основе
операционных усилителей ........................................................ 172
10.1. Инвертирующий усилитель ............................................... 173
10.2. Неинвертирующий усилитель ........................................... 177
10.3. Дифференциальный усилитель ......................................... 178
10.4.Устройства суммирования и вычитания ......................... 180
10.4.1.Инвертирующий сумматор ............................................. 180
10.4.2. Сумматор на основе неинвертирующего ................... 181
усилителя ...................................................................................... 181
10.5. Интегрирующий усилитель ............................................. 182
10.6. Дифференцирующий усилитель ....................................... 184
10.7. Логарифмический и антилогарифмический ................... 186
усилители ...................................................................................... 186
Лекция 11
Тема: схемотехника аналоговых устройств на основе
операционных усилителей (продолжение лекции 10)
11.1. Перемножители и делители на ОУ ................................ 191
11.1.1.Аналоговый умножитель ................................................. 191
11.1.2.Применение аналоговых умножителей ......................... 192
11.1.3. Умножитель с переменной крутизной (общий
принцип)..........................................................................................193
11.2. Повторитель напряжения .................................................... 195
11.3. Активные фильтры на основеоперационных
усилителей……………………………………………………….196
11.3.1. Активные RC – фильтры нижних частот
первого порядка. Обобщенное описание фильтра НЧ .............. 197
В.А.Галочкин
434
«Схемотехника аналоговых и цифровых устройств»
Стр.434
11.3.2. Реализация ARC – фильтра нижних частот
первого порядка………………………………………………………..200
11.3.3. Преобразование фильтра НЧ в фильтр ВЧ .................. 200
11.3.4. Реализация ФВЧ на ARC .................................................. 201
11.3.5. Реализация ARC – фильтров НЧ и ВЧ второго
порядка .......................................................................................... 201
11.3.6. Фильтр НЧ со сложной ООС ......................................... 202
11.3.7.ФНЧ на основе положительной обратной связи ........... 203
11.3.8.Фильтр ВЧ на основе положительной
обратной связи ............................................................................. 204
11.3.9. Реализация полосовых фильтров второго
порядка .......................................................................................... 205
Выводы по теме ............................................................................ 207
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 211
Лекция 12
Тема: положительная обратная связь
Генераторы на основе операционных усилителей
Компараторы на основе операционных усилителей ........... 213
12.1. Применение положительной обратной связи
в RC - генераторах на ОУ ............................................................ 214
12.2. Генератор сигналов прямоугольной формы ................... 218
12.3. Генератор сигналов треугольной формы ..................... 220
12.4. Компараторы напряжения на основе операционных
усилителей ..................................................................................... 221
12.4.1. Принцип функционирования компаратора ................... 222
12.4.2.Включение ПОС в компараторе ....................................... 224
12.4.3.Пороговые уровни компараторов .................................... 225
12.4.4.Детектор с «окном» ......................................................... 226
12.4.5.Особенности схемотехники компараторов ................... 227
Выводы по теме ............................................................................ 229
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 230
часть 2. Схемотехника цифровых устройств
Лекция 13
Тема: современные базовые элементы цифровой
техники (введение в цифровую технику).
Цифровые сигналы и цифровые схемы ................................. 231
13.1. Цифровые сигналы и цифровые схемы ............................. 232
13.2. Современные базовые элементы цифровой
В.А.Галочкин
«Схемотехнка аналоговых и цифровых устройств»
435
Стр.435
техники .......................................................................................... 235
13.2.1. Логический элемент «И» ................................................. 236
13.2.2. Логический элемент «ИЛИ» ............................................ 240
13.2.3. Логический элемент «НЕ» (инвертор) ........................... 243
13.2.4. Логическое двойное инвертирование ............................. 245
13.3. Логические элементы «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ»,
«исключающее ИЛИ» .................................................................. 245
13.3.1. Логический элемент «И-НЕ»
(инвертированное «И») ……………………………………………...246
13.3.2. Логический элемент «ИЛИ-НЕ»
(отрицание «ИЛИ»)…………………………………………………..248
Лекция 14
Тема: современные базовые элементы
Цифровой техники (введение в цифровую технику)
Цифровые сигналы и цифровые схемы
(продолжение лекции 13)
14.1. Свойства и сравнительные характеристики
современных базовых элементов ................................................ 253
14.2. Способы представления информации ............................... 254
14.3. Основные требования к базовым логическим
элементам ...................................................................................... 255
14.3.1. Совместимость уровней входных и выходных
сигналов………………………………………………………………….256
14.3.2. Нагрузочная способность логического элемента ......... 257
14.3.3. Формирующие свойство логического элемента
(квантование сигнала) ................................................................. 258
14.4. Помехоустойчивость логических элементов.
Быстродействие логических элементов. Классификация
логических устройств
14.4.1. Помехоустойчивость логических элементов ................ 260
14.4.2. Быстродействие логического элемента ........................ 262
14.5. Классификация логических устройств .............................. 263
14.5.1. Классификация по способу ввода-вывода
информации ................................................................................... 263
14.5.2. Классификация по принципу действия ........................... 264
14.5.3. Классификация по схемотехническим решениям .......... 265
Выводы по теме ............................................................................ 266
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 269
В.А.Галочкин
436
«Схемотехника аналоговых и цифровых устройств»
Стр.436
Лекция 15
Тема: схемотехника цифровых интегральных схем
Схемотехника логических элементов ..................................... 272
15.1. Ключ на биполярном транзисторе ..................................... 273
15.2. Транзисторная логика с непосредственными
связями (НСТЛ) ............................................................................ 274
15.3. Схема РТЛ (транзисторная логика с резистивной
связью) …………………………………………………………...276
15.4. Схема ДТЛ (диодно-транзисторная логика) ..................... 277
15.5. ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) ...................... 278
15.6. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) .................................. 280
15.7. Логические элементы с инжекционным
питанием (И2Л) ............................................................................. 282
15.8. Логические элементы на полевых транзисторах ............. 285
15.8.1. Ключ на МДП-транзисторах с динамической
нагрузкой ....................................................................................... 286
15.8.2. Логические элементы на комплементарных МДП -
транзисторах (КМДП) ................................................................ 289
15.8.3. Динамическая логика на МДП-транзисторах .............. 291
15.9. Сравнение параметров основных типов интегральных
логических схем ............................................................................ 293
Выводы по теме ............................................................................ 294
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 296
Лекция 16
Тема: коды. Преобразователи кодов. Шифраторы.
Мультиплексоры
16.1. Двоично – десятичный код 8421 ........................................ 298
16.2. Код с избытком 3 ................................................................. 300
16.3. Код Грея ............................................................................... 301
16.4. Преобразователи кодов ....................................................... 301
16.5. Шифраторы. Дешифраторы. ............................................... 302
Мультиплексоры. Демультиплексоры ........................................ 302
16.5.1. Шифраторы и дешифраторы ........................................ 304
16.5.2. Мультиплексоры и демультиплексоры .......................... 308
Выводы по теме ............................................................................ 313
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 315
Лекция 17
Тема: триггеры. Схемы фиксаторов. Запуск триггеров ..... 317
В.А.Галочкин
«Схемотехнка аналоговых и цифровых устройств»
437
Стр.437
17.1. RS-триггер (асинхронный) ................................................. 319
17.2. Синхронный (тактируемый) RS-триггер ........................... 322
17.3. D-триггер (триггер с задержкой) ....................................... 325
17.4. D-триггеры с дополнительными входами ....................... 326
17.5. JK-триггеры. Схемыфиксаторов. Запуск
триггеров. JK-триггер (ждущий мультивибратор ..................... 328
17.6. JK-триггер с дополнительными входами .......................... 330
17.7. Схемы фиксаторов ............................................................... 331
17.8. Запуск триггеров .................................................................. 334
17.8.1. Триггеры с управлением (запуском) или по фронту
или по срезу тактового импульса………………………………….334
17.8.2. Триггеры типа ведущий/ведомый (триггеры
с динамическим управлением) ..................................................... 337
Выводы по теме ............................................................................ 338
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 340
Лекция 18
Тема: счетчики; регистры; сумматоры ................................ 342
18.1. Счетчики со сквозным переносом ..................................... 343
18.2. Асинхронный счетчик по модулю 10 ................................ 345
18.3. Синхронные счетчики ......................................................... 346
18.4. Вычитающие счетчики ........................................................ 348
18.5. Асинхронный трехразрядный счетчик
по модулю 8 .................................................................................. 348
18.6. Самоостанавливающиеся счетчики ................................... 349
18.7. Регистры .............................................................................. 350
18.7.1. Последовательные регистры сдвига .............................. 352
18.7.2. Параллельные регистры сдвига ...................................... 354
18.7.3. Классификация регистров ............................................... 356
18.8. Арифметические устройства. Сумматоры ....................... 357
18.8.1. Двоичное сложение .......................................................... 357
18.8.2. Сложение в разряде единиц (полусумматор) ................ 359
18.8.3. Полные сумматоры .......................................................... 361
18.8.4. 3-х разрядный сумматор ................................................ 362
Выводы по теме ............................................................................ 363
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 364
Лекция 19
Тема: запоминающие устройства. Схемотехника
запоминающих устройств ......................................................... 367
В.А.Галочкин
438
«Схемотехника аналоговых и цифровых устройств»
Стр.438
19.1. Принципы работы ОЗУ. ЗУ с произвольной
выборкой (ЗУПВ) ....................................................................... 369
19.2. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) ................ 373
Лекция 20
Тема: запоминающие устройства. Схемотехника
запоминающих устройств (продолжение лекции 19)
20.1. Схемотехника ЗУ ................................................................ 378
20.1.1. Статические ОЗУ на биполярных транзисторах ........ 379
20.1.2. Статические ОЗУ на основе полевых
транзисторах ............................................................................... 380
20.1.3. Динамические ОЗУ ........................................................... 382
20.2. Постоянные ЗУ (ПЗУ; ROM -Read – Only Memory) ........ 384
20.2.1. Масочные ПЗУ .................................................................. 385
20.2.2. Прожигаемые ПЗУ (однократно программируемые
ППЗУ) ............................................................................................ 386
20.2.3. Репрограммируемые ПЗУ (стираемое ППЗУ -
ErasablePROM, EPROM; РПЗУ) ................................................. 387
Выводы по теме ............................................................................ 389
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 392
Лекция 21
Тема: сопряжение цифровых и аналоговых устройств
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) ......................... 395
21.1. Цифроаналоговые преобразователи .................................. 396
21.2. Общая структурная схема ЦАП ......................................... 398
21.3. Основная схема простого ЦАП .......................................... 399
21.4. Цифроаналоговый преобразователь лестничного типа ... 400
21.5. Сопряжение цифровых и аналоговых устройств.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) ………………….402
21.5.1. Базовая структурная схема аналого-цифрового
преобразователя (АЦП) ............................................................... 404
Лекция 22
Тема: сопряжение цифровых и аналоговых устройств
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)
(продолжение лекции 21) ............................................................. 406
21.5.2. Структурная схема АЦП с динамической
компенсацией ................................................................................ 406
В.А.Галочкин
«Схемотехнка аналоговых и цифровых устройств»
439
Стр.439
21.5.3. Интегрирующий АЦП ...................................................... 407
21.5.4. АЦП последовательного приближения .......................... 409
21.6. Характеристики АЦП и ЦАП ............................................. 411
Выводы по теме ............................................................................ 415
Задания и вопросы для самоконтроля по теме .......................... 416
Список литературы .................................................................... 418
часть 1 «Схемотехника аналоговых устройств» ........................ 418
Основная литература: ................................................................... 418
Дополнительная литература: ....................................................... 418
часть 2 ― Схемотехника цифровых устройств‖ .......................... 419
Основная литература................................................................... 419
Дополнительная литература: ....................................................... 419
Глоссарий ..................................................................................... 420
часть 1 «Схемотехника аналоговых устройств» ........................ 420
часть 2 «Схемотехника цифровых устройств» ......................... 427
В.А.Галочкин
440
«Схемотехника аналоговых и цифровых устройств»
Стр.440