Table Of ContentМинистерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники»
Кафедра радиоэлектронных средств
Р
И
П.П. Лычук, И.Н. Цырельчук, А.И. Толстая
У
Г
Б
а
Схемотехника аналоговых
к
и цифровыхе устройств
т
Методические указания и контрольные задания
о
для студентов специальности I - 38 02 03
и
«Техническое обеспечение безопасности»
заочной формы обучения
л
б
и
Б
Минск 2005
УДК 621.375+681.3(075.8)
ББК 32.844 я 73
Л 88
Р
И
У
Г
Б
а
Лычук П.П.
Л 88 Схемотехника аналоговых и цикфровых устройств: Метод. указания и
контрольные задания для студ. cпец. I – 38 02 03 «Техническое обеспече-
е
ние безопасности» заочной формы обуч. /П.П. Лычук, И.Н. Цырельчук,
А.И. Толстая. – Мн.: БГУИРт, 2005. – 24 с.: ил.
ISBN 985-444-849-5
о
Приводится программа дисциплины «Схемотехника аналоговых и цифровых уст-
ройств», даются метиодические указания к изучению учебного материала, перечень ос-
новных контрольных вопросов к каждому разделу учебной дисциплины и тематика
практических ил лабораторных работ.
б
УДК 621.375+681.3(075.8)
и
ББК 32.844 я 73
Б
ISBN 985-444-849-5 © Лычук П.П., Цырельчук И.Н.,
Толстая А.И., 2005
© БГУИР, 2005
Введение
Учебная дисциплина «Схемотехника аналоговых и цифровых устройств»,
закладывающая фундаментальные инженерные знания о принципах работы, по-
строения, проектирования и применения аналоговых и цифровых электронных
схем и устройств, является одной из центральных дисциплин учебного процесса.
Её цель заключается в привитии студенту знаний и навыков, позволяющих тех-
нически грамотно осуществлять синтез принципиальных схем аналоговых и
цифровых устройств радиоэлектронных средств, обоснованный выбор структу-
Р
ры и компонентов этих схем.
В учебной дисциплине рассматриваются принципы построения и работы
И
основных базовых схемных конфигураций, используемых при организации ана-
логовых трактов усиления и преобразования аналоговых сигналов; современные
У
методы и тенденции проектирования аналоговых и цифровых схем, предусмат-
ривающих использование при их проектировании средств вычислительной тех-
Г
ники, которые в свою очередь полностью реализованы на основе цифровой тех-
нологии. Поэтому вторая часть учебной дисциплиныБ «Схемотехника аналого-
вых и цифровых устройств» посвящена основам цифровой схемотехники и тео-
рии проектирования цифровых устройств различ ного назначения.
а
1. Цель и задачи изучения дисциплины
к
1.1. Цель преподавания дисциплины
е
Целью преподавания дисциптлины «Схемотехника аналоговых и цифровых
устройств» является формирование у студентов знаний, навыков и умений, по-
зволяющих им осуществлять схемотехническое проектирование и конструиро-
о
вание аналоговых электронных и цифровых устройств на основе современных
методов анализа и синтеиза.
Изучение курса обеспечивает понимание физических явлений, проис-
л
ходящих в аналоговых и цифровых устройствах, формирует у студентов знания
принципов их работы, их современной элементной базы, перспектив развития,
б
методов инженерного расчета как отдельных узлов, так и устройств в целом, а
также умениие использовать полученные знания при разработке и эксплуатации
современных радиоэлектронных и вычислительных средств.
Б
1.2. Задачи изучения дисциплины
Основная задача дисциплины – обеспечить усвоение студентами теоре-
тических знаний в области проектирования аналоговых электронных устройств
(АЭУ) и цифровых устройств (ЦУ) и развить практические навыки их разработ-
ки и эксплуатации.
В результате изучения дисциплины «Схемотехника аналоговых и циф-
ровых устройств» студенты должны:
– знать теоретические основы и уровень современной техники проекти-
рования АЭУ и ЦУ, тенденции и перспективы их развития;
– уметь пользоваться специальной литературой, производить анализ и
расчеты, необходимые для проектирования, исследования и испытания АЭУ и
ЦУ различного назначения, находить взаимопонимание при работе в кол-
лективах со специалистами смежных специальностей: схемотехниками, кон-
структорами, технологами, разработчиками радиоэлектронных схем, специа-
листами в области
вычислительной техники, автоматизированного проектирования и др.;
– иметь представление об областях применения АЭУ и ЦУ, их структурах
различного назначения, условиях эксплуатации и экономических фактРорах их
применения, конструкциях АЭУ и ЦУ, современной элементной базе и методах
проектирования. И
1.3. Рекомендации по изучению дисциплины
У
Изучение дисциплины «Схемотехника аналоговых и цифровых устройств»
Г
базируется на физико-математической подготовке студентов, которую они по-
лучают при изучении дисциплин «Высшая математиБка» и «Физика», на знании
методов анализа электрических и радиотехнических цепей, с которыми студен-
ты знакомятся при изучении дисциплины «Ради отехнические цепи и сигналы»,
а
на знании характеристик и параметров интегральных микросхем, транзисторов и
пассивных элементов.
к
Программа предусматривает изучение дисциплины в течение двух се-
е
местров, выполнение и защиту 2 контрольных работ. Изучение дисциплины за-
вершается зачетом (5 семестр) и эткзаменом (6 семестр).
1.4. Распределение учебной дисциплины по разделам
о
Раздел 1. Общие сведение об аналоговых электронных устройствах.
и
Раздел 2. Анализ работы каскада с помощью вольт-амперных характе-
ристик его элементов.
л
Раздел 3. Работа усилительных каскадов в режиме малого сигнала.
Раздел 4.б Обратная связь в усилительных трактах.
Раздел 5. Многокаскадные усилители.
и
Раздел 6. Базовые схемные конфигурации аналоговых микросхем и усили-
телей постоянного тока.
Б
Раздел 7. Функциональные устройства на операционных усилителях.
Раздел 8. Устройства регулировки усиления сигналов.
Раздел 9. Основы теории проектирования цифровых устройств.
Раздел 10. Логические элементы ИМС.
Раздел 11. Триггерные устройства цифровых систем.
Раздел 12. Регистры.
Раздел 13. Счетчики.
Раздел 14. Применение комбинационных микросхем (дешифраторы и
шифраторы, мультиплексоры, сумматоры).
2. Программа и методические указания
по отдельным разделам
2.1. Общие сведения об аналоговых и электронных устройствах
Основные определения. Классификация аналоговых электронных уст-
ройств. Основные технические показатели и характеристики аналоговых элек-
тронных устройств. Стандартизация и унификация. Входное и выходное сопро-
тивления. Коэффициенты усиления. Амплитудно- и фазочастотная характери-
стики. Переходная характеристика. Нелинейные искажения. Коэффициент по-
Р
лезного действия. Собственные помехи. Амплитудная характеристика и дина-
мический диапазон.
И
Принцип электронного усиления. Понятие усилительного каскада. Ре-
жимы работы усилительных элементов: режим А, режим В, режим АВ, режим
У
С, режим Д.
Литература: [1, с. 5 – 23; 3, с. 8 – 48; 108 – 115; 7, с. 24Г5 – 255; 269 – 271].
Методические указания
Б
Аналоговые электронные устройства (АЭУ) – это устройства усиления и
обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе элек-
а
тронных приборов.
Аналоговые электронные устройстква можно условно разделить на две
большие группы: усилители и устройства, выполненные на их основе.
е
Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, кото-
т
рое за счет энергии источника питания формирует новое колебание, являющееся
по форме более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но
превосходит его по напряжению, току или мощности.
о
Электронные усилители в современной технике находят самое широкое
и
применение и как самостоятельные устройства, и как составные части более
сложных устройств.
л
Устройства на основе усилителей – это в основном преобразователи элек-
трических сигнаблов и сопротивлений.
и Контрольные вопросы
1Б. Что такое АЭУ?
2. Что называется усилителем?
3. Какие бывают усилители в зависимости от их диапазона частот?
4. Какие требования предъявляются к входному и выходному сопротивле-
ниям усилителей и других устройств?
5. Что такое линейные и нелинейные искажения усилителя?
6. Какие бывают виды собственных помех усилителя?
7. Что такое динамический диапазон усилителя?
8. В чем отличительная сущность каждого из основных режимов работы
усилительного элемента?
2.2. Анализ работы каскада с помощью вольт-амперных
характеристик его элементов
Выходные характеристики транзистора, рабочая точка и область безопас-
ной работы. Нагрузочная характеристика и траектория движения рабочей точки.
Критерии выбора положения исходной рабочей точки. Условия получения наи-
большей мощности сигнала в выходной цепи усилительного прибора.
Литература: [1, с. 23 – 35; 7, с. 258 – 261].
Методические указания Р
Представление о протекающих в усилительном каскаде процессах дает
И
анализ его работы, проведенный с помощью вольт-амперных характеристик
(ВАХ) усилительного прибора. Основной характеристикой, используемой при
У
этом анализе, является его выходная ВАХ, представляющая зависимость выход-
ного тока I от выходного напряжения U . Г
вых вых
Точка плоскости выходных или других ВАХ усилительного прибора, свя-
Б
зывающая текущие значения токов и напряжений в каскаде, называется рабочей
точкой (РТ). Рабочая точка, соответствующая отсутствию сигнальных воздейст-
вий, называется исходной рабочей точкой (ИРТ). Напряжения, токи, а также це-
а
пи, обеспечивающие положение ИРТ в усилительной области, называются соот-
ветственно напряжениями, токами и цепямки смещения.
е
Контрольные вопросы
т
1. Какова сущность понятий «рабочая точка» и «исходная рабочая точка»?
2. Перечислите основные признаки усилительной области ВАХ транзистора?
3. Какова сущность поонятия «область безопасной работы » и значение ка-
ких параметров транзистора ограничивает ее протяженность?
и
4. В чем состоит различие понятий «траектория движения рабочей точки»
и «нагрузочная харлактеристика»?
5. Назовите два основных критерия, которыми руководствуются при вы-
б
боре исходного положения рабочей точки в случаях усиления сигналов большой
интенсивности?
и
2.3. Работа усилительных каскадов в режиме
Б
малого сигнала
Критерии и особенности малосигнального режима работы транзистора.
Малосигнальные параметры биполярных и полевых транзисторов. Способы
включения транзистора в схему усилительного каскада. Свойства транзисторов
и каскадов при незаземленности общего провода. Каскады усиления пе-
ременного сигнала. Низкочастотные и переходные искажения в усилителях пе-
ременного сигнала. Анализ влияния температурных и других дестабилизи-
рующих факторов на работу каскада.
Литература: [1, с. 47 – 69; 3, с. 145 – 159].
Методические указания
Считается, что транзистор работает в малосигнальном или линейном ре-
жиме, если в процессе работы не проявляется влияние нелинейности его ВАХ.
Основным критерием линейного режима работы транзистора является малое
значение в нем сигнальных составляющих выходных токов ∆I и напряжений
вых
∆U по сравнению с их значениями I и U в ИРТ.
вых вых0 вых0
При малосигнальном режиме работы транзистора взаимосвязи и взаи-
мозависимости между его токами и напряжениями определяются постоянными
Р
коэффициентами, не зависящими от уровня сигналов. Эти коэффициенты назы-
ваются малосигнальными параметрами. Основным параметром, котИорый в пер-
вую очередь определяет усилительные свойства транзистора, является проводи-
мость Y , часто называемая крутизной транзистора и обознаУчаемая S. Прово-
21
димости Y являются главной характеристикой входных свойств транзистора, а
11
Г
Y – выходных, поэтому указанные проводимости соответственно называются
22
входной и выходной проводимостью транзистора. Б
Основными звеньями, на базе которых осуществляется синтез и проекти-
рование усилительных схем, являются одиночны е усилительные каскады.
а
Исходным пунктом при проектировании одиночного каскада является вы-
бор способа включения его в схему усилительного прибора (УП). Возможны
к
шесть способов подключения трехполюсного элемента к схеме, но практически
е
в усилительных схемах используются три, так как только при этих трех спосо-
бах входные сигналы обладают эффективным управляющим воздействием на
т
выходной ток. Это схемы с общим эмиттером, общим коллектором и общей ба-
зой для биполярных транзисторов и общим истоком, общим стоком и общим за-
о
твором для полевых транзисторов.
и
Контрольные вопросы
л
1. Какова сущность малосигнальных параметров?
2. Перечибслите возможные способы подключения транзистора к схеме
усилительного каскада?
и
3. Какое включение транзистора называется основным, какое выступает в
роли повторителя тока, какое является повторителем напряжения?
Б
4. Нарисуйте типовые схемы каскадов ОЭ, ОК и ОБ?
5. В чем отличие усилителей переменных сигналов от усилителей постоян-
ного тока?
6. С какой целью применяют в усилителях переменного сигнала раздели-
тельные и блокировочные конденсаторы?
2.4.Обратная связь в усилительных трактах
Структурная схема усилителя с однопетлевой обратной связью. Правила
определения значений исходных параметров и петлевой передачи в схемах с об-
ратной связью. Влияние обратной связи на параметры и характеристики усили-
тельного тракта. Стабилизирующее влияние отрицательной обратной связи на
коэффициент усиления. Стабилизирующее влияние отрицательной обратной
связи на режимы работы на постоянном токе. Влияние обратной связи на ход
амплитудно – частотной характеристики.
Литература: [1, с. 70 – 95; 3, с. 49 – 108; 7, с. 261 – 269].
Методические указания
Процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении, об-
Р
ратном основному, т.е. с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а
цепь, по которой осуществляется эта передача, – цепью обратной связи.
И
Обратную связь, увеличивающую коэффициент передачи по напряжению,
принято называть положительной обратной связью (ПОС), а ту, которая пони-
У
жает его, – отрицательной обратной связью (ООС).
В усилительной технике в основном применяют ООГС. При её применении
за счет некоторого ухудшения усилительных свойств повышаются стабильность
Б
и определенность этих свойств, снижается уровень нелинейных, частотных и
переходных искажений.
Контрольные вопросы
а
1. Какой процесс в усилительном тркакте называется обратной связью?
2. Почему в усилительных трактах в основном находит применение ООС,
е
несмотря на то, что она уменьшает коэффициент усиления?
3. Объясните стабилизируютщее влияние ООС на коэффициент усиления.
4. Объясните обратные связи параллельного и последовательного вида.
5. Какие параметры называются исходными?
о
2.5. Многокаскадные усилители
и
Особенности построения многокаскадных усилительных трактов. Способы
л
межкаскадных связей. Усилители с непосредственными межкаскадными связя-
ми. Усилителиб с гальваническими межкаскадными связями. Каскады и цепи с
емкостной связью. Трансформаторная межкаскадная связь. Типовые многотран-
и
зисторные схемные конфигурации усилительных каскадов. Каскодное соедине-
ние ОЭБ – ОБ. Схемные построения на эмиттерно-связанных транзисторах.
Литература: [1, с. 96 – 108; 3, с.170 – 233].
Методические указания
В общей структуре многокаскадного усилительного тракта можно вы-
делить три основных звена. Это входной каскад, один или несколько каскадов
предварительного усиления, выходной или выходные каскады.
Простейшей межкаскадной связью, с помощью которой сигналы с выхода
предшествующего каскада передаются на вход последующего, является непо-
средственная связь. В усилителях переменного сигнала широкое применение
находит емкостная связь, при которой в качестве элемента связи выступает кон-
денсатор, называемый разделительным. Конденсатор разделяет каскады по по-
стоянному напряжению, объединяя их по переменной (сигнальной) составляю-
щей.
Соединение двух участков сигнальной цепи с помощью трансформатора
называется трансформаторной связью.
Контрольные вопросы
1. Какие виды межкаскадных соединений вы знаете?
Р
2. Какими достоинствами и недостатками обладают усилительные тракты
с емкостными межкаскадными связями?
И
3. Какими достоинствами и недостатками обладают усилительные кас-
кады, в которых связь с цепями нагрузки осуществляется с помощью трансфор-
У
матора?
4. Что такое каскодное соединение ОЭ – ОБ?
Г
5. Поясните принцип работы фазорасщепляющего каскада, выполненного
на эмиттерно-связанных транзисторах. Б
2.6. Базовые схемные конфигурации а налоговых микросхем
а
и усилителей постоянного тока
к
Дифференциальный усилительный каскад. Генератор стабильного тока и
его применение в схеме дифференциаельного усилительного каскада. Входное
сопротивление дифференциальных каскадов. Схема сдвига уровня постоянного
т
напряжения.
Литература: [1, с. 114 – 129; 3, с. 294 – 316; 7, с. 288 – 300].
о
Методические указания
и
Дифференциальный усилитель – это усилитель с двумя входами, отно-
сительно которых клоэффициенты передачи равны по величине и противопо-
ложны по знаку. Дифференциальный усилитель, у которого указанные условия
б
выполняются, называется идеальным дифференциальным усилителем.
Один из входов дифференциального усилителя называется неинверти-
и
рующим или прямым, другой – инвертирующим. Усиление сигнала, посту-
Б
пающего на неивертирующий вход, происходит без изменения знака (без из-
менения фазы), а поданного на инвертирующий вход – с изменением (инвер-
сией) знака на противоположный.
Контрольные вопросы
1. Какое схемное построение называют дифференциальным усилительным
каскадом?
2. Какими свойствами должен обладать дифференциальный усилитель,
чтобы он мог считаться идеальным?
3. С какой целью в состав дифференциального усилительного каскада вво-
дят схему генератора стабильного тока?
4. Каково назначение схем сдвига уровня и чем обусловлена необходи-
мость ее применения при организации аналоговых интегральных схем?
5. Каковы основные аспекты схемного построения и применения схемы
сдвига уровня?
2.7. Функциональные устройства на операционных
усилителях
Р
Операционные усилители (ОУ) и их свойства. Принципы и особенности
организации обработки сигналов в схемах на операционных усилиИтелях. Типо-
вые способы включения ОУ в схему обработки сигналов. Дифференциальные
усилители на ОУ. У
Литература: [1, с.197 – 205; 210 – 212; 3, с.325 – 360; 7, с.300 – 311].
Г
Методические указания
Б
В современной электронике под операционными усилителями понимают
особый класс микроэлектронных устройств, о бладающих высоким (порядка
5 6 а
10 …10 ) собственным усилением, в том числе и на постоянном токе, очень
большим входным сопротивлением и очень малым выходным. По своему схем-
к
ному построению ОУ являются усилителями постоянного тока, выполненными
е
по дифференциальной схеме.
Все устройства с ОУ можно условно разделить на три разновидности. К
т
первой относятся схемы с глубокими ООС, ко второй – устройства, в которых
ОУ используются без ОС, к третьей – схемы на ОУ с ПОС.
о
В устройствах с ООС различают три основных способа включения ОУ в
схему. Это инвертируюищее включение, неинвертирующее включение и комби-
нированное включение.
л
Контрольные вопросы
б
1. Какое устройство называют операционным усилителем и какими свой-
и
ствами он должен обладать в идеальном случае?
Б2. Какова сущность параметра U и почему для снижения его значения
ош
стараются выполнить условие R = R ?
с+ с-
3. Почему операционный усилитель в устройствах усиления применяется
только в условиях действия глубокой ООС на постоянном токе?
4. Назовите три основных способа включения ОУ в схему обработки.
5. Почему при организации схем дифференциальных усилителей на ОУ
предъявляют повышенные требования к определенности значений сопротивле-
ний резисторов?
