Им. проф. м. а. бонч-бруевича

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное

образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

------------------------------------------------------------------------------------------------

А. Г. Алексеев, П. В. Климова

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Анализ частотных характеристик

Типовых структур

Аналоговых устройств

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

СПб ГУТ )))

Санкт-Петербург

УДК 621.375(075.8)

ББК 32.842–5я73

А47

Рецензенты:

кандидат технических наук, профессор кафедры РТС СПбГУТ

В. Н. Жемчугов,

кандидат технических наук, профессор кафедры ТЭ СПбГУКиТ

Ю. П. Осипков

Утверждено

редакционно-издательским советом СПбГУТ

в качестве учебного пособия

Алексеев, А. Г.

А47

Схемотехника аналоговых электронных устройств : учеб. пособие / А. Г. Алексеев, П. В. Климова. – СПб. : Издательский центр СПбГУТ, 2012. – 52 с.

Написано в соответствии с учебной программой дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных узлов».

Излагаются вопросы общих методов определения различных характеристик и параметров аналоговых устройств, выполненных на дискретных элементах или на интегральных микросхемах. Объясняется принцип усиления электрических сигналов, построение схем усилителей на различных видах активных четырехполюсников, способы получения их коэффициентов усиления, вид частотных характеристик и дается их анализ с помощью нулей и полюсов функции передачи и диаграмм Боде.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению бакалавров 210400 «Телекоммуникации».

УДК 621.375(075.8)

ББК 32.842–5я73

Ó Алексеев А. Г., Климова П. В., 2012

Ó Федеральное государственное образовательное

бюджетное учреждение высшего профессионального

образования «Санкт-Петербургский

государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М. А. Бонч-Бруевича», 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Усиление электрических сигналов…………………………………....
1.1. Основные определения………………………………………………………………..
1.2. Структура усилительного устройства…………………………………………
1.3. Принцип усиления……………………………………………………………………….
1.4. Классификация электронных усилителей…………………………………..
1.5. Основные технические показатели усиления……………………………..
1.5.1. Линеаризация………………………………………………………………………..
1.5.2. Коэффициенты усиления усилителей…………………………………..
1.6. Схема усилителя…………………………………………………………………………..
1.7. Активные четырехполюсники и их параметры…………………………..
1.8. Эквивалентные схемы и коэффициент усиления………………………..
1.9. Многокаскадный усилитель………………………………………………………..
Глава 2. Линейные искажения…………………………………………………………..
2.1. Амплитудно-частотные искажения……………………………………………..
2.2. Фазочастотные искажения…………………………………………………………..
2.3. Переходная характеристика………………………………………………………..
Глава 3. Амплитудно-частотные искажения…………………………………….
3.1. Двойной логарифмический и полулогарифмический масштабы
3.2. Децибелы……………………………………………………………………………………..
3.3. Вспомогательные графические построения………………………………..
3.4. Полюс и нуль в начале координат……………………………………………….
3.5. Полюс или нуль на действительной оси……………………………………...
3.6. Комплексно-сопряженные пары………………………………………………….
Глава 4. Введение в анализ усилителей методом асимптот……………..
4.1. Структура первая…………………………………………………………………………
4.2. Структура вторая…………………………………………………………………………
4.3. Структура третья…………………………………………………………………………
4.4. Структура четвертая……………………………………………………………………
4.5. Структура пятая…………………………………………………………………………...
4.6. Асимптотический портрет усилителя с ОЭ………………………………….
Список литературы…………………………………………………………………………..

Глава I

Принцип усиления

От источника питания усилитель отбирает мощность P₀, необходимую для усиления входного сигнала.

Рис. 2. Эквивалентная схема, поясняющая принцип усиления

Процесс усиления электрических сигналов по мощности является процессом преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока, который меняется по закону изменения входного сигнала.

Работу усилительного устройства поясняет рис. 2. На нем изображена упрощенная эквивалентная схема выходной цепи усилителя. Один входной и один выходной зажимы усилителя имеют общую точку, которая соединена с источником питания и «заземляется». Последовательно с источником питания включены два сопротивления: постоянное сопротивление нагрузки R_Н и изменяемое внутреннее сопротивление усилителя R₀, которое он оказывает постоянному выходному току УЭ. Напряжение E₀ делится между этими двумя сопротивлениями.

При отсутствии сигнала на входе усилителя в выходной цепи протекает ток покоя I₀ = E₀ / (R₀ + R_Н), на внутреннем сопротивлении усилителя R₀ падает напряжение U₀. Под воздействием управляющего напряжения или тока, подводимого ко входу усилителя изменяется сопротивление постоянному току R₀. Изменение этого сопротивления может осуществляться в очень широких пределах при очень малой затрате энергии на входе. При этом переменное напряжение на сопротивлении нагрузки R_Н может быть получено во много раз больше, чем входное переменное напряжение. Общее представление о работе любого УЭ дают выходные статические характеристики. Для суждения о работе УЭ в конкретной схеме нужно начертить линию нагрузки. На рис. 3 приведены только координатные оси выходных статических характеристик, а сами характеристики не показаны, поскольку линия нагрузки не зависит от них.

Рис. 3. Процесс преобразования энергии ИП в усиленный выходной сигнал

Линия нагрузки представляет собой геометрическое место точек, в котором должны находиться выходное напряжение и выходной ток при данном сопротивлении нагрузки R_H и напряжении питания E₀. Все точки нагрузочной прямой являются возможными значениями тока i_ВЫХ и напряжения u_ВЫХ внешнего сопротивления R_Н. Точка А есть точка покоя (исходная рабочая точка или статическая рабочая точка), представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т. е. в отсутствие сигнала. В процессе воздействия гармонического сигнала на входные электроды усилителя изменяется сопротивление R₀ и, как следствие, значения токов и напряжений на выходе УЭ. Тогда рабочая точка изменяет свое положение (в пределах А1 и А2). На рис. 3 показаны линии внутренних сопротивлений усилителя R₀₁ = 1 кОм и R₀₂ = 4 кОм, значения которых определяют координаты этих точек.

В случае гармонического входного сигнала переменная составляющая выходного тока I_m должна колебаться относительно постоянной составляющей (тока покоя) I₀, что и показано на рис. 3. А выходное сопротивление УЭ должно изменяться по закону R₀ (t) = R₀ (1 + sinωt). Тогда полный выходной ток i_вых = Е₀/(R_Н + R₀(t)) = I₀/(1+n sinωt), где n = R₀/(R_Н + R₀).

Необходимо отметить, что при идеальных статических характеристиках такие изменения приведут к уплощению нижней полуволны выходного переменного тока (правой полуволны выходного переменного напряжения U_m), так как R₀₂ будет равно 3 кОм. В реальном усилителе закон изменения R₀ от входного сигнала более сложный.

Главным отличительным признаком усилителя является его способность увеличивать мощность сигнала, получая Р_ВЫХ > Р_ВХ. Это означает, что усилитель является активным четырехполюсником. На схеме рис. 1 данный факт отмечен треугольником – знаком усиления.

Линеаризация

Все вычисления, проводимые при проектировании электрических схем, направлены на определение конфигурации схем и расчет значений их компонентов. Как известно, полупроводниковые элементы обладают сильно нелинейными вольт-амперными характеристиками.

На рис. 4 показаны небольшие амплитудные изменения ΔU, ΔI в зоне точки покоя. Поскольку амплитуды таких сигналов сильно отличаются от значений постоянных составляющих тока и напряжения, они называются малыми сигналами. В этом случае можно произвести замену нелинейной функции на линейную.

Для замены нелинейной функции U = f(I) на линейную необходимо определить наклон исходной функции в точке покоя [4]. Для небольших изменений ΔI тока I в зоне точки покоя справедливо

Тогда для малого сигнала можно записать соотношение

Сопротивление r называется динамическим сопротивлением для малых сигналов. Полученное выражение означает, что начало отсчета для малых сигналов u = 0, i = 0 передвинуто в точку покоя I₀, U₀.

Далее речь будет идти только о режиме малого сигнала.

Рис. 4. Линеаризация в точке покоя

Схема усилителя

Для анализа свойств (показателей и характеристик) усилителя источник сигнала, усилитель и нагрузку представляют в виде эквивалентных электрических схем по сигналу (по переменному току).

Источник сигнала представляют в виде независимого активного двухполюсника, т. е. либо в виде независимого источника ЭДС ė_1И с внутренним (выходным) сопротивлением Ż_1И, как изображено на рис. 5, либо в виде независимого источника тока İ_1И = ė_1И/Ż_1И с параллельно подключенным к нему тем же сопротивлением Ż_1И или, иначе говоря, с выходной проводимостью Ỳ_1И = 1/ Ż_1И, под действием которого (того или другого) на входе усилителя возникают входной ток İ_ВХ и входное напряжение Ů_ВХ сигнала, и, следовательно, к входу подводится мощность сигнала Р_ВХ. Нагрузку представляют обычно в виде сопротивления Ż_2H.

Рис. 5. Режим переменного тока

В общем случае все приводимые в эквивалентных схемах величины (за исключением мощностей) имеют комплексный характер и зависят от частоты сигнала. Это обусловлено нестационарными (переходными) процессами в цепях усилителя, вызываемых влиянием реактивных элементов схемы (индуктивных и емкостных), а также влиянием инерционных свойств УЭ (на высоких частотах). При этом все сопротивления Ż_1И, Ż_ВХ, Ż_ВЫХ и Ż_2Н содержат кроме резистивных составляющих сопротивлений R и реактивные составляющие соответственно ± jX_1И, таким образом, для источника сигнала е_1И внутреннее сопротивление Ż_1И = R_1И ± jX_1И.

Следует отметить, что для практики особый интерес представляют случаи, когда влиянием реактивных составляющих сопротивлений можно пренебречь ввиду их малости, например в области средних частот. В этих случаях все сопротивления становятся резистивными и не зависящими от частоты, Z_2Н = R_2Н, а следовательно, и все ЭДС, напряжения и токи становятся действительными и не зависящими от частоты. Рассмотренные ниже примеры с различными активными четырехполюсниками в целях упрощения анализа приводятся как раз для области средних частот.

Простейший усилитель содержит один УЭ с пассивными элементами связи (ЭС), например резисторами, конденсаторами, трансформаторами, соединяющими УЭ с источником сигнала, с нагрузкой и с источником питания, создающими ему наивыгоднейшие условия работы. На структурной схеме УЭ и ЭС объединяют и представляют одним активным четырехполюсником (рис. 5).

Многокаскадный усилитель

В большинстве случаев для получения необходимого усиления одного УЭ может оказаться недостаточно и тогда в усилителе используют несколько УЭ, соединенных так, что сигнал, усиленный одним УЭ, с помощью пассивных элементов связи подводится к входу следующего УЭ для последующего усиления и т. д. При этом один УЭ и отнесенные к нему ЭС образуют усилительный каскад, а все каскады вместе образуют многокаскадный усилитель.

На рис. 12 в качестве примера приведена структурная схема трехкаскадного усилителя, где каскады – активные четырехполюсники K₁, K₂, K₃, входящие в состав усилителя, соединены между собой каскадно. К входу этого трехкаскадного усилителя подключен источник сигнала (e_1И, R_1И), а к выходу – нагрузка (R_2H).

Рис. 12. Трехкаскадный усилитель

Входной каскад K₁, с одной стороны, является нагрузкой (R_ВХ1) для источника сигнала усилителя e_1И, R_1И, а с другой стороны – зависимым источником сигнала e_ВЫХ1, R_ВЫХ1 для следующего, предвыходного каскада K₂, который, в свою очередь, является нагрузкой (R_ВХ2) для входного каскада K₁, и зависимым источником сигнала e_ВЫХ2, R_ВЫХ2 для выходного каскада K₃, а выходной каскад K₃, являясь нагрузкой (R_ВХ3) для предвыходного каскада, будет зависимым источником сигнала e_ВЫХ3, R_ВЫХ3 для нагрузки усилителя R_2H.

Самым мощным каскадом многокаскадного усилителя является выходной (оконечный) каскад K₃, который обеспечивает в нагрузке требуемые напряжение U_ВЫХ, ток I_ВЫХ и мощность Р_ВЫХ. Он потребляет от собственного источника питания наибольшую мощность Р₀₃.

Ему предшествуют каскады предварительного усиления (входной K₁ и предоконечный K₂), предназначенные для предварительного усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы выходного каскада K₃. Предварительные каскады потребляют от собственного источника питания небольшую мощность.

Все каскады – активные четырехполюсники K₁, K₂, K₃ – входят в состав общего активного четырехполюсника K = K₁K₂K₃.

Коэффициенты усиления каскадов определяются выражениями

коэффициент усиления трех каскадов –

сквозной коэффициент первого каскада –

где

В итоге сквозной коэффициент усиления первого каскада

Далее получим те же коэффициенты усиления в децибелах:

Глава 2

ЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Линейные искажения – это отклонения формы сложного гармонического или импульсного сигнала на выходе усилителя от формы сигнала на его входе, вызванные влиянием реактивных элементов усилителя (емкостных, индуктивных), а также влиянием инерционных свойств УЭ усилителя.

Линейные искажения в отличие от нелинейных не сопровождаются появлением в спектре сигнала новых гармонических составляющих. Методы оценки этих искажений в гармонических и импульсных усилителях различаются.

В гармонических усилителях для оценки линейных искажений применяют метод частотных характеристик, при котором рассматриваются зависимости от частоты комплексных коэффициентов передачи усилителя.

В импульсных усилителях для оценки линейных искажений применяют метод переходных характеристик, при котором рассматриваются в зависимости от времени переходные процессы установления токов и напряжений в цепях усилителя, связанные с процессами зарядки-разрядки реактивных элементов схемы.

В гармонических усилителях линейные искажения называются амплитудно-частотными (сокращенно – частотными) и фазочастотными (фазовыми). Зависимости модулей и аргументов коэффициентов усиления от частоты определяет линейные искажения.

Искажения формы сложного гармонического сигнала, вызванные изменениями соотношений амплитуд спектральных составляющих сигнала на выходе усилителя по сравнению со спектром сигнала на его входе вследствие неодинакового значения модулей коэффициентов усиления отдельных гармонических составляющих сигнала, называют частотными искажениями.

Искажения же формы сложного гармонического сигнала, вызванные неодинаковыми сдвигами во времени отдельных его гармонических составляющих из-за вносимых усилителем фазовых сдвигов в процессе усиления, называют фазовыми искажениями.

Переходная характеристика

Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при подаче на вход наибольшего перепада напряжения, не вызывающего перегрузку усилителя. Прежде всего ПХ используют для оценки искажений формы прямоугольных импульсов при их усилении, так как такой импульс длительностью t_И, действующий на входе, может быть представлен в виде суммы двух разнополярных перепадов, взаимосдвинутых во времени на t_И рис. 17, а, б. Тогда по принципу суперпозиции форма импульса на выходе может быть найдена простым вычитанием ПХ самой из себя, сдвинутой по времени на t_И.

Рис. 17, а. Принцип получения одиночного прямоугольного импульса

Рис. 17, б. Вид одиночного импульса на выходе усилителя

На рис. 17, в показан одиночный импульс на выходе усилителя.

Рис. 17, в. Вид одиночного импульса на выходе усилителя

Переходную характеристику подобно АЧХ обычно строят в относительном масштабе (рис. 18), откладывая по вертикали отношение выходного напряжения к его значению после установления фронта:

Рассмотренная характеристика по существу является ПХ коэффициента передачи по напряжению. Можно пользоваться ПХ и других функций. Исследование ПХ производят в области малых времен (фронт импульса) и в области больших времен (вершина импульса).

Время, в течение которого фронт нормированной ПХ нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения 1, называется временем нарастания t_Н. В ряде случаев в конце фронта выходного напряжения получается выброс, иногда с последующими затухающими колебаниями на вершине ПХ. Относительная величина выброса обозначается δ и выражается в процентах. Еще одним показателем является время задержки t_З, определяемое на уровне 0,5. На рис. 18 показаны две ПХ: одна гладкая – 1, другая с выбросом – 2.

Рис. 18. Варианты ПХ в области малых времен

Искажение вершины импульса иллюстрирует рис. 19. Спад верхней части нормированной ПХ в заданный момент времени обозначается через ∆, что показывает отклонение ПХ от единичного значения в процентах. С помощью цепей коррекции можно получить ∆ со знаком «плюс».

Рис. 19. Варианты ПХ в области больших времен

Переходная характеристика усилителя однозначно связана с его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качеств усилителя, называемый временным. В ряде случаев временной метод исследования дает больше информации, чем частотный.

Глава 3

Двойной логарифмический

Децибелы

Прежде чем начать оперировать с простыми членами, введем еще одно определение. Многие величины, с которыми мы имеем дело, являются отношениями. В частности, коэффициенты передачи по напряжению и по току являются безразмерными отношениями амплитуд. Эти отношения могут быть как больше 1 (при «усилении»), так и меньше 1 (при «ослаблении» или «потерях»). Для измерения безразмерных отношений существуют специальные единицы – децибелы (дБ). Они имеют широкое применение, ими нужно легко оперировать.

Строго говоря, децибелы введены для определения отношения мощностей. Усиление по мощности, выраженное в децибелах, определяется как

K_P (дБ) = 10 lg (Р_Н/Р_ВХ),

где Р_Н – мощность в нагрузке; Р_ВХ – входная мощность.

Предполагается, что Р_Н больше, чем Р_ВХ. Если, напротив, Р_Н меньше, чем Р_ВХ, то величина 10 lg (P_Н/P_ВХ+) будет отрицательной. В этом случае формула K_P (дБ) = 10 lg (Р_Н/Р_ВХ) определяет потери мощности (также выраженные в децибелах, но со знаком «минус»).

Децибелы могут выражать отношения входных и выходных напряжений. Подстановка значений для Р_ВХ и Р_Н позволяет написать:

K_P (дБ) = 10 lg [(U²_Н/R_Н)/(U_ВХ²/R_ВХ)] = 20 lg (U_Н/U_ВХ ) + 10l g (R_Н/R_ВХ).

Если входное и выходное сопротивления равны, то 10l g (R_Н/R_ВХ) = 0, выражение K_P (дБ) упрощается и дает выражение для усиления по напряжению в децибелах K (дБ) = 20 lg (U_Н/U_ВХ). Например, усиление по напряжению в 10 раз соответствует + 20 дБ.

На практике обычно пренебрегают тем, что, R_ВХ и R_Н не равны и в действительности формула K (дБ) используется для выражения усиления по напряжению безотносительно к значениям R_ВХ и R_Н. При этом усиление по напряжению в децибелах не дает информации об усилении по мощности. Поэтому, если дается усиление по напряжению в децибелах, следует предположить, что оно соответствует формуле K (дБ); значение усиления по мощности необходимо определять отдельно.

Комплексно-сопряженные пары

Совершенно иная ситуация может иметь место в цепи, описываемой уравнением второго порядка. Для примера возьмем структуру с передаточной характеристикой

.

Корни этого уравнения определяются выражением

Учитывая, что добротность упрощаем выражение и получаем

В зависимости от того, какое значение принимает добротность, получаются либо действительные корни (Q ≤ 0,5), либо комплексно-сопряженные корни (Q > 0,5). При Q = 0,5 корни кратные (рис. 33).

При Q < 0,5 два полюса расположены на действительной оси (рис. 30, а), с увеличением добротности Q они стремятся друг к другу (рис. 30, б). При Q = 0,5 полюса кратные (рис. 30, в), а при Q > 0,5 полюса комплексно-сопряженные (рис. 30, г).

а) б)

в) г)

Рис. 30. Диаграммы полюсов

На рис. 31–34 представлены амплитудно-частотные характеристики с передаточной функцией при различных значениях Q.

Рис. 31. Амплитудно-частотные характеристики при Q ≤ 0,5

Рис. 32. Амплитудно-частотные характеристики Q ≥ 0,5

Рис. 33. Фазочастотная характеристика при Q ≤ 0,5

Рис. 34. Фазочастотная характеристика при Q ≥ 0,5

Глава 4

Структура первая

На рис. 35, а изображена цепь, содержащая два резистивных элемента и один емкостной, шунтирующий тракт передачи сигнала от узла 1 к узлу 2.

Рис. 35, а. Структура с шунтирующей емкостью Рис. 35, б. Интегрирующее звено

Функция передачи содержит один полюс. Для сравнения справа изображено хорошо знакомое интегрирующее звено. АЧХ и ФЧХ показанных схем приведены на рис. 36 и 37.

Рис. 36, а. АЧХ сруктуры рис. 35, а Рис. 36, б. АЧХ интегрирующего звена

Рис. 37, а. ФЧХ сруктуры рис. 35, а Рис. 37, б. ФЧХ интегрирующего звена

Структура вторая

На рис. 38 показана цепь из двух резистивных элементов и включенной последовательно с ними емкостью. Функция передачи такой цепи содержит нуль и полюс, причем нуль находится в начале координат на комплексной плоскости. Усилитель обращается в нуль только при р = 0.

Рис. 38. Структура с разделительным конденсатором

Изображение АЧХ (рис. 39) содержит две асимптоты: одна с наклоном +6 дБ/окт., другая – горизонтальная с нулевым наклоном. Точка сопряжения асимптот соответствует частоте полюса. При изображении частотных характеристик в логарифмическом масштабе невозможно отразить нулевую частоту. Отправной точкой служит, таким образом, частота полюса и уровень передачи справа от нее.

Рис. 39. АЧХ структуры рис. 38

ФЧХ формируется следующим образом: нуль в нуле дает фазовый сдвиг +90°, полюс дает –90° Таким образом, ФЧХ рассматриваемого звена изменяется от +90° до 0° с фазовым сдвигом на частоте полюса +45°. При R₁ = 0 получаем знакомое дифференцирующее звено первого порядка.

Рис. 40. ФЧХ структуры рис. 38

Структура третья

На рис. 41 изображена схема с соединительным элементом в виде параллельного включения R и C. Функция передачи такой цепи имеет нуль и полюс на действительной оси, причем частота полюса выше частоты нуля.

Рис. 41. Цепь с соединительными R, C элементами

Для наглядности на рис. 42, а построены асимптотические АЧХ для нуля и для полюса отдельно. Начиная с частоты нуля f_z коэффициент передачи увеличивается с наклоном +6 дБ/окт. После частоты полюса f_p действуют две асимптоты: одна с наклоном +6 дБ/окт., а другая – с наклоном –6 дБ/окт. и компенсирует влияние первой. В результате (рис. 42, б) общая АЧХ имеет три асимптоты: до f_Z – горизонтальная асимптота, затем в интервале частот f_z...f_p асимптота имеет наклон +6 дБ/окт., далее – снова горизонтальная асимптота.

Рис. 42, а. Формирование АЧХ структуры рис. 41

Рис. 42, б. АЧХ структуры рис. 41

ФЧХ формируется в левой части графика (рис. 43) асимптотической ФЧХ для нуля с наклоном +45°/дел., а в правой – для полюса с наклоном –45°/дел. В зависимости от значений частот нуля и полюса горизонтальная асимптота в средней части характеристики может занимать больший или меньший диапазон частот или вообще отсутствовать.

Рис. 43. ФЧХ структуры рис. 41

Эта структура может отображать влияние блокирующего конденсатора.

Структура четвертая

На рис. 44 изображена схема с идеальным активным четырехполюсником ИНУН, вход и выход которого соединяет проходная емкость. Естественно, усилительный элемент должен поворачивать фазу сигнала на 180°, в противном случае возникает положительная обратная связь, при которой эта схема не может функционировать в качестве усилителя.

Рис. 44. Цепь с зависимым источником напряжения и проходной емкостью

Функция передачи такой цепи характеризуется коэффициентом усиления ИНУН и полюсом на действительной оси. Вид АЧХ (рис. 45) будет напоминать АЧХ интегрирующей цепи (рис. 36, б).

Рис. 45. АЧХ структуры рис. 44

Важное отличие заключается в том, что согласно передаточной функции эффект действия проходной емкости на входе усилителя будет увеличиваться усилителем в (1 + μ) раз. Частота полюса уменьшится во столько же раз по сравнению с пассивным интегральным звеном. Эффект увеличения проходной емкости, был обнаружен в 1911 г. [7], и сегодня он известен в литературе как эффект Миллера [8, 9].

ФЧХ формируется полюсом на действительной оси, однако общий фазовый сдвиг включает в себя еще поворот фазы на 180° от усилительного элемента (рис. 46 – нижняя характеристика).

Рис. 46. ФЧХ структуры рис. 44

В учебной литературе обычно говорится о фазовом сдвиге только от действия проходной емкости. Тогда изображают нормированную ФЧХ.

Структура пятая

На рис. 47 показана схема с проходной емкостью, но уже в усилителе, выход которого характеризуется источником тока, т. е. на ИТУН. В этом случае на вход должна пересчитываться не только емкость, но и сопротивление нагрузки. Важной особенностью того, что применен источник тока, является прохождение части сигнала в нагрузку через проходную емкость непосредственно. Возникают два пути прохождения сигнала: основной путь через ИТУН с усилением и поворотом фазы и путь через проходную емкость. Функция передачи содержит полюс и нуль на действительной оси, причем нуль оказывается в правой полуплоскости, о чем свидетельствует знак «–» в скобках числителя. Такие цепи классифицируются как неминимально-фазовые.

Рис. 47. Цепь с зависимым источником тока и проходной емкостью

Вид АЧХ показан на рис. 48. Неминимально-фазовый характер цепи на модуль передачи не влияет. На графике АЧХ три асимптоты, как результат сложения асимптот для полюса и нуля.

ФЧХ формируется полюсом и нулем. ФЧХ нуля в правой полуплоскости соответствует ФЧХ полюса в левой полуплоскости. Таким образом, ФЧХ (рис. 49) определяется двумя полюсами (верхние характеристики). Суммарный фазовый сдвиг достигает –180°, как показано на рис. 48. ФЧХ также можно нормировать.

Рис. 48. АЧХ структуры рис. 47

Рис. 49. ФЧХ структуры рис. 47

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волович, Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / Г. И. Волович. – М. : Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005.

2. Абрамов, В. М. Электронные элементы устройств автоматического управления : Схемы, расчет, справочные данные / В. М. Абрамов. – М. : ИКП «Академкнига», 2006.

3. Травин, Г. А. Основы схемотехники устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения : учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., испр. / Г. А. Травин. – М. : Горячая линия – Телеком, 2009.

4. Корис, Р. Справочник инженера-схемотехника / Р. Корис, Х. Шмидт-Вальтер. – М. : Техносфера, 2006.

5. Войшвилло, Г. В. Усилительные устройства : учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. / Г. В. Войшвилло. – М. : Радио и связь, 1983.

6. Крекрафт, Д. Аналоговая электроника : Схемы, системы, обработка сигнала / Д. Крекрафт, С. Джерджли. – М. : Техносфера, 2005.

7. Miller, G. Dependence of the Impedance of a Three Electrode Vacuum Tube upon the Load in the Plate Circuit / G. Miller // Scientific Papers of the Bureau of Standards. – 1919. – Nov. – № 351. – P. 367–385.

8. Дьюб Динеш, С. Электроника : схемы и анализ / С. Дьюб Динеш. – М. : Техносфера, 2008.

9. Джонс, М. Х. Электроника – практический курс / М. Х. Джонс. – М. : Техносфера, 2006.

Алексеев Алексей Георгиевич

Климова Полина Валентиновна

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Анализ частотных характеристик

типовых структур

аналоговых устройств

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Редактор И. И. Щенсняк

Верстка Е. В. Пироговой

План 2012 г., п. 40

_________________________________________________________________

Подписано к печати 06.09.2012

Объем 3,25 усл.-печ. л. Тираж 100 экз. Заказ 211

_________________________________________________________________

Издательский центр СПбГУТ. 191186 СПб., наб. р. Мойки, 61

Отпечатано в СПбГУТ

В печать

План 2012 г., п. 40

Объем __3,25___ печ. л.

Тираж ___100__ экз.

Заказ ____211___

Первый проректор –

проректор по учебной работе, проф.

__________________________Г. М. Машков

«____» ___________ 2012г.

Начальник РИО

__________________________Е. Ю. Пономарева

«____» ___________ 2012г.

Редактор

__________________________И. И. Щенсняк

«____» ___________ 2012г.

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Типовых структур

Аналоговых устройств

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Санкт-Петербург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное

образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

------------------------------------------------------------------------------------------------