Элементы аналоговой электроники

1. Элементы аналоговой электроники

Лекции по курсу
«Электроника систем регистрации элементарных частиц»
Жуланов Владимир Викторович
тел. 329-47-32
e-mail: [email protected]

2.

Аналоговая электроника (АЭ) — совокупность электронных устройств,
коэффициент передачи которых носит непрерывный характер.
Линейная электроника — АЭ имеющая зависимость вида Y=AX+B между
параметрами входного и выходного сигналов
U R (t ) RI R (t )
t
1
U C (t ) I C ( )
C
dI L (t )
U L (t ) L
dt
2

3. Основные схемы включения транзисторов

Схема с общим эмиттером
+E
I э I 0 eU бэ / T ( 1) I б
I 0 10 14 (A)
OUT
IN
— ток утечки
kT
25мВ — тепловой потенциал
e
k 1.38 10 23 Дж/градус — постоянная Больцмана
T — температур а в Кельвинах
T
— коэфициент передачи транзистор а по току
GND
3

4.

Rд
dUбэ U бэ T
dUбэ
; Rвх
( 1) T ( 1)Rд
dIэ
I э
Iэ
dIб
Iэ
Rвых Rк
Для малого сигнала (Iвх<<Iсм):
.
U в х
I э
Rд
U к I к Rк U в х
Rк
Rд
Rк
K
Rд
4

5.

Схема с общим эмиттером с отрицательной обратной связью
+E
U э
OUT
Rэ
U в х
Rэ Rд
U к I к Rк ( U в х U э )
IN
K
Rк
Rк
U в х
Rд
Rэ Rд
Rк
Rэ
GND
5

6.

Схема с общим коллектором — эмиттерный повторитель
+E
U вх I э ( Rэ Rд )
IN
K
OUT
U вх U вых
( Rэ Rд )
Rд
Rэ
1
Rэ Rд
Rвх ( 1)(Rэ Rд )
Rвых Rэ Rд /( Rэ Rд )
GND
6

7.

Схема с общей базой
-E
+E
IN
OUT
GND
U вых I э
K
1
Rк
U вх Rд 1
U бэ
Rк
Rк
Rд 1
Rд Rэ Rд 1
Rк
Rк
Rд Rэ 1 Rд Rэ
Rвх RсмRд /( Rсм Rд )
Rвых Rк
7

8.

Дифференциальный усилительный каскад
+E
+E
OUT+
Фиксируем In-, подаем на In+ Vin:
I э I э- U бэ U бэ
U в х U бэ U бэ 2 U бэ 2 I э Rд
OUT-
IN-
U в ых U в х
Rк
2 Rд
U в ых U в х
Rк
2 Rд
U в ых U в ых U в ых U в х
IN+
-E
K
Rк
Rд
Rк
Rд
8

9. Основные типы ООС

Неинвертирующий усилитель
R2
R1
GND
OUT
1
1
g1 , g 2
проводимость
R1
R2
IN
e ( g1 g 2 ) g1 0 g 2 U в ых e U в ых
U в ых A0 (e e ) A0 (U в х U в ых
U в ых U в х
g2
g1 g 2
g2
)
g1 g 2
A0 ( g1 g 2 )
R2
; K 1
g1 g 2 A0 g 2
R1
9

10.

Инвертирующий усилитель
R2
R1
IN
OUT
GND
e ( g1 g 2 ) g1 U в х g 2 U в ых
g 2U в ых g1U в х
e
g1 g 2
U в ых
g 2U в ых g1U в х
A0 (e e ) A0
g1 g 2
U в ых
A0 g1
R2
Uвх; K
g1 g 2 A0 g 2
R1
10

11. Влияние ООС на входное и выходное сопротивления усилителя

Подадим на выход усилителя
источник тока I
R2
Выходное сопротивление
рассчитывается по формуле:
R1
GND
OUT
GND
e U вых
I
Rвых
U вых
I
R1
A0 e
; U вых
R1 R2
1
1 A0 R1 /( R1 R2 )
U вых e U вых U вых
;
U вых
R2
Rвых
Rвых
R1 R2
Rвых ос Rвых
1
R R2
Rвых 1
1 A0 R1 /( R1 R2 ) Rвых /( R1 R2 )
A0 R1
11

12. Влияние ООС на амплитудно-частотную характеристику усилителя

R
OUT
C
GND
A ( ) A0
A ( )
1 / j C
1
1
A0
, где 0
R 1 / j C
1 j / 0
RC
A0
1 ( / 0 )2
)
0
; ( ) arctg(
1
A ( ) A0 , если 0; A ( 0 )
A0 ; A ( ) A0 0 , если
2
12

13.

A ( )
( )
13

14.

Для инвертирующего усилителя:
( ) R
A0 R2
A
2
K ( )
R2 A ( ) 1 R1
( R2 ( A0 1) R1 ) j / 0 ( R1 R2 )
K (0)
A0 R2
( R2 ( A0 1) R1 )
1
K ( 0 ос )
K (0) R2 ( A0 1) R1 0 ос / 0 ( R1 R2 )
2
R ( A0 1) R1
AR
0 ос 0 2
0 0 1
R1 R2
R1 R2
14

15. Проблема устойчивости усилителя с ООС

Если ОУ имеет несколько полюсов, то АЧХ и ФЧХ выглядят примерно
так:
Если существует такая частота при которой сдвиг фазы равен π и
коэффициент передачи >1, то схема является неустойчивой
15

16. Классификация усилителей по входному/выходному сопротивлениям

1. Усилитель напряжения
R2
Rвх ; Rвых 0
U вых K 0U вх
R1
GND
K0 1
R2
R1
2. Преобразователь ток-напряжение
R2
Rвх 0; Rвых 0
U вых K 0 I вх
K 0 R2
[ K 0 ] Ом
GND
16

17.

3. Преобразователь напряжение-ток
R0
I в ых K 0U в х
R2
GND
R3
R2
K
R2
R1
1
1
R1 R2
K 1
Ом
Условие : R3 ( R1 R2 ) R22
GND
Vв х Vн
2
g g3
g g3
2
e 2
(Vв х Vн )
g2
2g2
e ( g 2 g 2 ) Vв х g 2 Vн g 2 e
e ( g 2 g 3 ) Vв ых g 2 Vв ых
g
g ( g g3 )
(Vв х Vн )
Vн ( g1 g 2 g н ) e g 2 g1Vв ых 2 1 2
2g2
2
g
g ( g g3 )
Vн g н 2 1 2
g1 g 2 (Vв х Vн ) ( g1 g 2 )Vв х
2g2
2
I н ( g1 g 2 )Vв х , если g1 g 3 g 2 ( g1 g 2 )
17

18.

4. Усилитель тока
R0
R2
I в ых K 0 I в х
R3
GND
GND
R2
R2
R1
1
1
K R0 ( )
R1 R2
Условие : R3 ( R1 R2 ) R22
GND
18

19. Транзисторные «двойки»

Пример 1
+E
iэ2 1 ( 2 1)iб1
iэ2 iос
GND
T1
T2
KU
( 1) 1
uв ых
uв х 1 2
Rн
R
(
1
)
Rос
д 1
Rв х
uв ых Rн Rос
Rн Rос
Rн Rос
uв ых 1 ( 2 1)
uв х
( 1 1) Rд ( Rн Rос )
OUT iв х iос iб1
IN
1 ( 2 1) uв х
u u
; iос в х в ых
1 1 Rд
Rос
1
uв х uв ых uв х
1 1 ( 2 1)
Rн
uв х
Rос
Rд
R
R
(
1
)
R
(
R
R
)
д
1
д
н
ос
ос
uв х Rд ( Rн Rос ) ( 1 1)
u
u u
; K I в ых в ых в х KU Rв х Rос
iв х
Rн
1 ( 2 1)
iв х
uв х iв х
-E
19

20.

uв х uв ых
uв х uв ых
uв х
iос
; iос iб1
0
Rос
Rос
Rд ( 1 1)
uв х uв ых
Rд ( 1 1)
1
; iос uв ых
Rос Rд ( 1 1)
Rос Rд ( 1 1)
uв х
uв ых
iэ2 1 ( 2 1)iб1 1 ( 2 1)
1 ( 2 1)
;
Rд ( 1 1)
Rос Rд ( 1 1)
iв ых
uв ых
1 ( 2 1) 1
iэ2 iос
Rос Rд ( 1 1)
Rв ых
uв ых Rос Rд ( 1 1) Rос Rд ( 1 1)
iв ых
1 ( 2 1) 1
1 2
20

21.

+E1
Пример 2
+E2
IN
T1
T2
OUT
iк2 2iб2 2iэ1 2
GND
iк2 iос
KU
-E
iв х iос iэ1
uв х
u u
; iос в ых в х
Rд
Rос
uв ых
u
u u
u
2 в х в ых в х в ых
Rн
Rд
Rос
Rн
2 Rн Rос
uв ых
uв х
Rд ( Rн Rос )
1
uв ых uв х uв х
1
2 Rн
uв х
Rос
Rд
Rос Rд Rд ( Rн Rос )
uв х Rд ( Rн Rос )
u
Rв х
; K I в ых KU Rв х Rос
iв х
2 Rн
iв х
21

22.

uв ых uв х
uв ых uв х uв х
iос
; iос iэ1
0
Rос
Rос
Rд
uв х uв ых
Rд
;
Rос
uв х
uв ых
iк2 2
2
Rд
Rос
uв ых uв ых Rдuв ых
iн iк2 iос 2
2
Rос Rос
Rос
Rв ых
uв ых Rос
iн
2
22

23.

Пример 3
+E1
uбэ1 uв х u A ; iк2 uбэ1
T2
R
u A uв х (1
OUT
T1
iк2
A
R1
R2
GND
-E
R R
R R
R
uв ых Rд
)(1 д д ) uв х (1 д д ) uв ых д
uв х R1
R1 R2
R1 R2
R1
uв ых uв ых u A
u
u uA
(uв х u A ) 2 в ых в ых
Rн
R1
Rд
Rн
R1
uв х 2 (
GND
Rд
u A uбэ1 uв ых u A
1
1
1
uA
(uв ых
uв х )
1
1
1
R2
Rд
R1
R1
Rд
R2 R1 Rд
+E2
IN
2
KU
1
1
1 uв ых uв ых uв х
) uв ых 2
R1 R2
R1
Rн
R1
R1
uв ых
R
1 1
uв х
R2
23

24.

iк2 1 2iв х
Rв х
uв ых uв ых uв х
1
1
R
uв х (
1 )
Rн
R1
R2 Rн R2 Rн
uв х 1 2 Rн
iв х
KU
iк1 2iк2 ; u A uбэ1 iк1 Rд iк2
A : iос
Rд
2
R
uA
1
1
iэ1 iк2 ( д ) iк2
R2
2 R2 2
2
iв ых iк2 iос iк2
iос
1
1
1
(uв ых u A ) uв ых
iк2 uв ых 2
R1
R1
R1
Rв ых
uв ых R1
iв ых
2
24

25.

Пример 4
+E1
Схема схожа с примером 1, но так как
второй транзистор включен по схеме с
общей базой (является генератором
тока), выбором большого Rос можно
получить очень большой коэффициент
передачи по напряжению
T1
GND
IN
T2
+E2
OUT
-E
25

26. Резюме

Схемы включения биполярных транзисторов
Отрицательная обратная связь
Транзисторные двойки
26