МИНИ CTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«СЕВЕРО - КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Линец Г.И., Велигоша А.В.
Схемотехника телекоммуникационных устройств I
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Направление подготовки
11.03.02 "Инфокоммуникационные технологии и системы связи".
Квалификация выпускника (Бакалавр)
Ставрополь
2016
Печатается по решению
Учебно-методического совета
Северо-Кавказского федерального
университета
УДК 621.396.6
ББК
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Мочалов В.П.
к.т.н., профессор Чипига А.Ф.
Линец Г.И., Велигоша А.В.
Схемотехника телекоммуникационных устройств: учебное пособие (конспект лекций). – Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2016. – 292 с.
Пособие составлено в соответствии с учебной программой по дисциплине «Схемотехника телекоммуникационных устройств» по направлению подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
В пособии рассматривается элементная база и схемотехника аналоговых и цифровых устройств электросвязи, осуществляющих усиление, фильтрацию, генерацию и обработку сигналов, особенности микроминиатюризации таких устройств на базе применения интегральных микросхем. Приведены основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств, принципы усиления сигналов и построение усилителей.
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 "Инфокоммуникационные технологии и системы связи".
© ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский
федеральный университет», 2014 г.
Содержание
Предисловие………………………………………………………………………….7
Раздел 1. Основные свойства аналоговых усилительных устройств…………….7
Тема 1. Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств...............................................................................................8
1.1. Основные определения…………………….……………………………….8
1.2. Классификация усилительных устройств………………………….……...9
1.3. Основные технические показатели и характеристики усилителя….…..12
Тема 2. Принципы усиления сигналов и построения усилителей…………..29
2.1. Типовые функциональные каскады полупроводникового усилителя....29
2.2. Апериодические усилительные каскады в режиме малого сигнала……31
Тема 3. Обратная связь в усилителях……………………………………..…..41
3.1. Общие сведения…….…………………………………………………...…41
3.2. Усилители с последовательной ООС по току…….……………………...45
3.3. Усилители с последовательной ООС по напряжению…….……………49
3.4. Усилители с параллельной ООС по напряжению ……………….….......50
3.5. Усилители с параллельной ООС по току……………….………………..54
3.6. Комбинированная ООС….………………………………………………. 56
3.7. Многокаскадные усилители с ООС…………………………….………...57
3.8. Паразитные ОС в многокаскадных усилителях……………………....…58
Тема 4. Многокаскадные усилители…………………………………………..60
4.1. Типы усилителей…………………………………….…………………….60
4.2. Усилители с RC-связями…………………………….……………….........61
4.3. Усилители постоянного тока……………………………….……………..72
Тема 5. Каскады предварительного усиления………………………………..83
5.1. Резистивный каскад ОЭ…………………………………………………...83
5.2. Резистивный каскад ОЭ с неблокированным сопротивлением в цепи эмиттера……………………………………………………………………………..82
5.3. Эмиттерный повторитель……….………………………………………...91
Тема 6. Каскады оконечного усиления……………………………………….92
6.1. Однотактный каскад оконечного усиления……………………….……..92
6.2. Двухтактные оконечные каскады……………….……………….…….....97
6.3. Двухтактный каскад усиления в режиме А………………………….…102
6.4. Двухтактный каскад усиления в режиме B…………………….……….104
6.5. Схемы двухтактных оконечных каскадов и их свойства……….……..107
Раздел 2. Широкополосные и импульсные усилители
Тема 7. Широкополосные усилители………………………………………..111
7.1. Работа транзисторного усилительного каскада на высоких частотах..111
7.2. Применение операционных усилителей для усиления радиочастотных сигналов……………………………………………………………………………114
7.3. Широкополосные операционные усилители с обратной связью по току…………………………………………………………………………………...117
7.4. Усилители дифференциальных линий…………….……………………125
Тема 8. Импульсные усилители……………………………………………...132
8.1. Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей….132
8.2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен……………..134
8.3. Анализ импульсного усилителя в области больших времен………….137
Раздел 3. Аналоговая схемотехника телекоммуникационных устройств
Тема 9. Функциональные устройства на операционных усилителях……...140
9.1. Историческая справка……………………………………………………140
9.2. Общие сведения об операционных усилителях (ОУ)………………….140
9.3. Основные характеристики ОУ. …………………………………………142
9.4. Идеализация характеристик ОУ…………………………………………143
9.5. Свойства операционного усилителя…………………………………….144
9.6. Основные схемы включения ОУ. ………………………………….……150
9.7. Коррекция частотной характеристики ОУ…………………….………..153
Тема 10. Устройства перемножения и деления сигналов…………………..156
10.1. Перемножители и делители на операционных усилителях……….....156
10.2. Базовая структура полупроводниковых перемножителей и их параметры…………………………………………………………………………………...169
Тема 11. Активные RC-фильтры……………………………………………..176
11.1. Общие сведения об активных фильтрах…………………………...….176
11.2. Пассивные RC – фильтры………………………...…………………….177
11.3. Реализация активных фильтров………………………..………………179
11.4. Активные фильтры высокого порядка…………...……………………180
11.5. Полосовые и заграждающие АФ……………...………………………..181
Тема 12. RC-генераторы гармонических колебаний………………………..183
12.1. Принцип работы генераторов………………………………………......183
12.2. RC-генераторы гармонических колебаний…………………………....186
12.3. Генераторы прямоугольных импульсов…………………………...…..190
12.4. Генераторы прямоугольных импульсов на специализированных ИС192
Тема 13. Аналоговые компараторы………………………………………….196
13.1. Общие сведения о компараторах…………………...………………….196
13.2. Аналоговый интегральный компаратор……………………...………..199
13.3. Применение компараторов…………..…………………………………208
Тема 14. Аналоговые таймеры……………………………………………….212
14.1. Принципы построения таймеров…………………………...………….212
14.2. Особенности применения таймеров……………………...……………217
Тема 15. Аналоговые электронные устройства на интегральных микросхемах…………………………………………………………………………………223
15.1. Общие сведения об интегральных микросхемах…………………..…223
15.2. Особенности интегральной схемотехники……………...…………….226
15.3. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах……...…..229
15.4. Усилитель мощности на интегральных микросхемах………..………232
Тема 16. Аналоговые коммутаторы………………………………………….234
16.1. Общие сведения……………………...………………………………….234
16.2. Электронные коммутаторы………………………………………….....236
16.3. Промышленные аналоговые коммутаторы………………………...….237
16.4. Характеристики аналоговых коммутаторов………………..…………250
Тема 17. Компьютерный анализ и проектирование аналоговых устройств263
17.1. Математические модели аналоговой радиоэлектронной системы (РЭС)……………………………………………………………………………….263
17.2. Математические модели логических схем цифровой РЭС………......265
17.3. Автоматизация схемотехнического проектирования РЭС……….......267
17.4. Информационные технологии схемотехнического моделирования аналого-цифровых устройств………….……………………………………………..273
17.5. Синтез логических схем…………………………...……………………279
17.6. Общая характеристика задач автоматизации конструкторского проектирования РЭС……………………………...…………………………………..…285
Список рекомендуемой литературы……………….………………...………291
Предисловие
Целью дисциплины «Схемотехника телекоммуникационных устройств 1» является изучение теоретических основ и получение базовых знаний в области схемотехники аналоговых устройств. Дисциплина относится к блоку дисциплин профессионального цикла (базовая часть) подготовки бакалавров по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». При изучении материала дисциплины преследуются следующие задачи:
- освоение принципов построения и функционирования устройств аналоговой схемотехники;
- приобретение навыков в проектировании аналоговых схемотехнических устройств;
- умение правильно использовать полученные знания для правильного выбора схемотехнических решений при разработке телекоммуникационных устройств и систем; - обеспечение базовой подготовки специалистов, необходимой для успешного освоения специальных дисциплин в последующей научно-технической и организационно-методической деятельности, связанной с проведением научных исследований и оценкой эффективности разработанных предложений и их внедрением в телекоммуникационные системы.
Пассивные RС – фильтры
Различают: фильтры нижних частот (ФНЧ), полоса пропускания которых располагается в области нижних частот; фильтры высоких частот (ФВЧ), пропускающие сигналы высоких частот; полосовые и заграждающие (режекторные фильтры).
Рассмотрим схему ФНЧ, рис. 1a.
Рис.11.1. ФНЧ и его передаточная характеристика (АЧХ)
Комплексный коэффициент передачи этого RC-фильтра определяется:
K ( jω )= U вых / U вх =1/(1+ jωRC ).
Передаточная характеристика ФНЧ имеет выражение:
(11.1)
где fc - частота среза, равная 1/2 p RC.
В соответствии с выражением (1) построим передаточную характеристику ФНЧ, рис. 1,б.
При частотах f << fc f / fc <<1; K ( f )=1 K дБ=0,
При частотах f >> fc f / fc >>1; K(f )= fc / f .
Полоса пропускания фильтра определяется частотой среза. При дальнейшем увеличение частоты имеет место затухание сигнала, т.е. спад частотной характеристики 20 дБ/дек. Если ФНЧ имеет несколько звеньев, то спад АЧХ равен n 20 дБ/дек.
Рассмотрим принципиальную схему ФВЧ, рис. 11.2.
Рис. 11.2. ФВЧ и его передаточная характеристика (АЧХ)
Передаточная характеристика ФВЧ определяется выражением
В области низких частот, где при f << f с f с / f <<1 K (ω)=ω RC ; K(f )= f / fc;
при f >> fc fc / f >>1 K ( ω )=1; K дБ =0 дБ.
Для построения полосовых и заграждающих АФ широкое применение находит 2Т фильтр, рис. 3.
Рис. 11.3. 2Т-фильтр и его передаточная характеристика
Полосовые и заграждающие АФ
Полосовые фильтры могут быть построены с использованием двухзвенного RC-фильтра ФНЧ и ФВЧ, рис. 11.7.
Рис. 11.7. Полосовой АФ второго порядка и его АЧХ
Рассмотрим аппроксимированную АЧХ
; 
,
обозначив через t 1 = R 1 C 1 и t 2 = R 2 C 2
,
Из этого выражения можно найти частоты нулей. При ω << 1/ t 1
; 
; при ω 2 << 1/ t 2 ω 2 =1/ R 1 C 2.
Частоты среза определяются
; 
Для реализации полосовых АФ широкое применение находят двойные Т-фильтры, т.е. 2Т-фильтры, рис.11.8.
Рис. 11.8. Полосовой АФ с 2Т - фильтром в цепи ООС и его АЧХ
В этой схеме 2Т-фильтр включен в цепь ООС. Следовательно, при 100% ООС на всех частотах кроме f0 , U вых полностью поступает на инвертирующий ход, вследствие чего это устройство работает как повторитель напряжения (К=1; КдБ=0), так цепь ООС преобразовывает заграждающий фильтр в полосовой.
На квазирезонансной частоте f 0 =1/(1/2 p RC ) отсутствует ООС по цепи 2Т-фильтра, ООС возникает через делитель R1R2. Отношением этих резисторов определяется К0. В результате имеем резонансную характеристику, приведенную на рис.8.
Для построения заграждающего (режекторного) АФ 2Т-фильтр включают в цепь межкаскадной связи, рис.9.
Рис. 11.9. Режекторный активный фильтр и его АЧХ
В обеих схемах эквивалентная добротность АФ будет определяться выбором величины Ко=1+ R 2/ R 1. Квазирезонансная частота определяется элементами 2Т-фильтра (рис.11.9).
Тема 14. Аналоговые таймеры
14.1. Принципы построения таймеров
Семейство однотактных таймеров можно разделить на две группы: таймеры общего применения и специализированные таймеры (рис. 14.1). В однотактном таймере (рис. 14.2, а) длительность формируемого интервала времени определяется током заряда внешнего времязадающего конденсатора 
, а ток заряда 
- сопротивлением внешнего времязадающего резистора 
. Формируемый таймером временной интервал 
пропорционален постоянной времени 
- цепи и определяется длительностью изменения напряжения на Ct в пределах некоторого диапазона, установленного внутренним резисторным делителем таймера.
Рисунок 14.1. Классификация полупроводниковых таймеров
Однотактный таймер (рис. 14.2, а) работает следующим образом. В исходном состоянии, когда переключатель S1 замкнут, напряжение на конденсаторе уменьшается до нуля и на выходе таймера устанавливается низкое напряжение, равное 0,1 В. При подаче импульса на вход триггера в нем формируется сигнал, размыкающий переключатель S1, и на выходе таймера устанавливается высокое напряжение. Если входное сопротивление компаратора А1 значительно больше сопротивления , конденсатор , будет заряжаться только через , а напряжение на , будет экспоненциально нарастать с постоянной времени , стремясь к своему максимальному значению 
. Как только напряжение на конденсаторе достигнет
Рисунок 14.2. Структурные схемы однотактного (а) и многотактного (б) таймеров
некоторой величины 
, компаратор начнет вырабатывать сигнал, устанавливающий триггер (а следовательно, и весь таймер) в исходное состояние ( 
). Временной интервал 
должен быть значительно больше, чем длительность запускающего импульса. Опорное напряжение формируется в таймере внутренним резисторным делителем.
Описанный цикл работы таймера имеет место при включении его по схеме одновибратора, когда формируется один выходной импульс после подачи внешнего сигнала запуска на вход триггера. Для того чтобы таймер мог работать в режиме асинхронного мультивибратора, управляющий выходной сигнал от времязадающей - цепи подается на RS-триггер через компаратор А2 с опорным напряжением 
.
Чтобы иметь возможность прервать выполнение таймером заданной функции независимо от завершенности временного цикла, введем переключатель S 2. При подаче сигнала сброса S 2 замыкается, конденсатор полностью разряжается и напряжение на нем остается близким к нулю до тех пор, пока сигнал сброса не будет снят. Обычно при подаче сигнала сброса на выходе таймера устанавливается низкое напряжение.
Многотактные таймеры разработаны для аппаратуры, требующей использования генераторов сигналов сверхнизкой частоты с продолжительностью импульсов до нескольких суток. Семейство этих*, таймеров делится на две основные группы (см. рис. 14.1). К первой группе относятся программируемые таймеры, в которых формируемый временной интервал задается программно, установкой соответствующих перемычек на выходах счетчика. В зависимости от вида соединения выходов счетчика многотактный таймер умножает постоянную времени - цепи в n раз (n определяет диапазон программирования или коэффициент умножения счетчиков). Программируемые таймеры содержат таймеры общего применения, выполненные по биполярной технологии, и микромощные. Ко второй группе относятся специализированные таймеры со встроенными счетчиками, у которых однозначно задан коэффициент умножения п.
Программируемые таймеры работают следующим образом (рис. 7.2,6). При подаче на вход запуска импульса включается внутренний мультивибратор на однотактном таймере, генерирующий импульсы длительностью 
. Подключенный к выходу таймера N - разрядный двоичный счетчик подсчитывает входные импульсы и формирует на N выходах счетчика временные интервалы, длительность которых может устанавливаться от до 
.На первом выходе формируется импульс длительностью , на втором - длительностью 2 , на N -м - длительностью .Счетчик допускает объединение выходов, причем длительность формируемого в этом случае временного интервала определяется суммой длительности импульсов на объединенных выходах. Например, объединены выходы, формирующие отдельно импульсы длительностью :
Рисунок 14.3. Структурные схемы типового (а) и прецизионного (б) однотактных таймеров
8 и 128 ,тогда длительность формируемого временного интервала 
. Таким образом, объединив соответствующие выходы, получим любую длительность импульса или задержку его фронта в диапазоне 
.Выполнение таким таймером предварительно заданной программы можно прервать, подав на специальный вход импульс сброса. Для синхронной работы внутреннего однотактного таймера и счетчика используется управляющая цифровая микросхема.
В полупроводниковых таймерах наибольшее распространение получили структуры, использованные в однотактных таймерах NE555, LM322 и программируемом XR2240. Структура таймера КР1006ВИ1, аналогичного NE555, показана на рис. 14.3, а. Эти таймеры состоят из четырех функциональных узлов: двух компараторов напряжения на входе, RS-триггера и инвертирующего усилителя мощности на выходе. Внутренний резисторный делитель задает пороговые напряжения, равные 
для компаратора А1 и 
для компаратора А2. Длительность генерируемых выходных импульсов устанавливается внешней времязадающей цепью 
. Аналогичен NE555 по структуре и параметрам таймер XR320, разработанный фирмой EXAR. Этот таймер в отличие от NE555 может управляться не только спадом, но и фронтом импульса. Кроме того, таймер XR320 в дополнение к низкоомному выходу имеет инверсный выходе открытым коллектором. Существенным преимуществом XR320 является то, что времязадающий конденсатор 
заряжается внутренним генератором постоянного тока, величину которого определяет внешний резистор 
. Благодаря этому напряжение на 
увеличивается линейно, что важно для некоторых применений однотактных таймеров. Тем не менее этот таймер используется сравнительно редко, не имеет такого схемотехнического обеспечения, как NE555, и обладает незначительными преимуществами по сравнению с последним.
Наиболее удачной структурой таймера является использованная в LM322 (рис. 14.3, б). Этот таймер, второй по массовости применения среди однотактных, существенно превосходит NE555 по сочетанию параметров точности, быстродействия и потребления Таймер LM322 часто относят к прецизионным, подразумевая под этим не столько его высокие точностные характеристики, сколько специфичность применения в аппаратуре. Таймер содержит источник опорного напряжения 3,15 В, в которому подключается внешний времязадающий резистор. Применен только один компаратор, быстродействие которого можно увеличить, подключив дополнительный вывод N к источнику питания 
. Запускается таймер положительным фронтом импульса. Таймер LM322 существенно отличается от NE555 конструкцией выходного каскада. Хотя использованное в схеме включение транзистора VT 2 и делает более универсальным выход таймера, для большинства применений предпочтительнее мощный выходной каскад как в NE555.
Наиболее распространенным в современной микроэлектронной аппаратуре среди многотактных программируемых таймеров является XR2240, полная функциональная схема которого приведена на рис. 14.4.
Рисунок 14.4. Функциональная схема программируемого таймера
Таймер состоит из трех основных узлов, выделенных штрихпунктирными линиями: однотактного таймера, подобного NE555; 8-разрядного двоичного счетчика и управляющего триггера. Двоичный счетчик и управляющий триггер питаются от внутреннего источника стабилизированного напряжения 6,3 В, образованного цепью VD 1 RIVT 3. Внутренний резисторный делитель устанавливает на входах компараторов А1 и А2 пороговые напряжения переключения, равные 
и 
соответственно. Выходами двоичного счетчика являются открытые коллекторы транзисторов VT 4-VT 12'. Триггер D 10 управляет работой счетчика D 2 — D 9 и триггера DI в однотактном таймере, который, в свою очередь, управляет работой первого каскада D 2 счетчика.
14.2. Особенности применения таймеров
Для полного и правильного использования различных возможностей таймера КР1006ВИ1 необходимо знать назначение его выводов, характеристики и требования к выбору параметров времязадающих элементов. Назначение выводов таймера КР1006ВИ1 (см. рис. 14.3, а) незначительно отличается от рассмотренного ранее для обобщенной структуры на рис. 14.2, а. Напряжение питания 
подаваемое на вывод 8 и измеряемое относительно вывода 1, равно 5 ... 16,5 В. Приращение потребляемого таймера тока на I В изменения 
равно 0,7 мА. Таймер способен отдать в нагрузку или принять из нее ток не более 200 мА, что позволяет управлять непосредственно лампочками и даже электромагнитными реле. Выходное сопротивление около 10 Ом как для низкого ( 
В), так и для высокого ( 
В) уровней выходного напряжения. Запуск таймера осуществляется подачей на вывод 2 напряжения менее 
(эту цепь обычно называют триггерным входом). По отношению к выходу этот вход является инвертирующим. При высоком напряжении на выводе 2 состоянием выхода таймера можно управлять с помощью компаратора А1 по выводу 6, называемому обычно пороговым входом (см. рис. 7.3, а). Относительно изменений выходного напряжения этот вывод является не инвертирующим входом таймера.
Входной ток, втекающий для компаратора А1 (вывод 6) и вытекающий для компаратора А2 (вывод 2), не превышает 0,5 мкА. Для сброса таймера, т. е. установления на его выходе низкого напряжения независимо от напряжения на выводах 2 и 6, используется вывод 4. Если напряжение на этом выводе 
В, напряжение на выходе равно 0,1 ... 0,2 В. При напряжении 
B цепь сброса выключена и не влияет на работу таймера. Кроме низкоомного выхода (вывод 3) таймер имеет и вспомогательный высокоомный выход (вывод 7), представляющий собой открытый коллектор транзистора VT 1 (см. рис. 7.3, а). Этот вывод обычно используется для организации обратной связи с выхода на входы (выводы 2 и 6) таймера. Допустимое изменение напряжения на выводах 2, 4, 6 и 7 лежит в пределах 0 ... 16,5 В. В таймере имеется доступ через вывод 5 к входам внутренних компараторов, на которые поданы пороговые напряжения. Этот вывод от резисторного делителя позволяет дополнительно управлять работой таймера, изменяя пороговые напряжения компараторов при постоянном напряжении питания. Чтобы избежать влияния внешних помех и пульсаций напряжения питания на точность работы таймера, рекомендуется шунтировать вывод 5 конденсатором емкостью около 0,01 мкФ.
В режиме прямой трансляции сигнала со входа на выход таймер может работать в диапазоне частоты до 10 МГц. Однако приводимое в справочных данных значение погрешности формирования временного интервала, равное 0,5%, измеряется обычно при формировании импульсов длительностью более 10 мкс. Время нарастания выходного напряжения таймера не превышает 100 не.
Временные параметры этого однотактного таймера слабо зависят от изменений Un и температуры и полностью определяются схемотехникой внутренних компараторов и качеством бинолярной технологии их изготовления. В таймерах, изготовленных по КМОП технологии, отличающейся худшим согласованием параметров парных транзисторов, зависимость характеристик от 
и температуры значительно выше, чем у таймеров, изготовленных по биполярной технологии-
Особенности применения таймера КР1006ВИ1 связаны с не идеальностью его параметров и схемотехникой узлов. Чтобы параметры времязадающей цепи 
не влияли на точность формирования временных интервалов, необходимо ограничить диапазон изменения сопротивления 
и емкости 
. Максимальное сопротивление 
определяется входным током 
компараторов, протекающим по выводам 2 и 6. Для формирования устойчивых временных интервалов достаточно выбрать максимальное сопротивление из условия 
20 МОм при 
= 10 В и 
0,5 мкА. При включении таймера по схеме мультивибратора, когда выводы 2 и 6 объединены, входные токи (втекающий по выводу 6 и вытекающий по выводу 2) частично взаимокомпенсируются и таймер может сохранить работоспособность при 
. При включении таймера по схеме одновибратора для 
20 МОм отдельные типы таймеров не будут выполнять требуемую функцию. Поэтому не рекомендуется использовать времязадающие резисторы сопротивлением > 10 МОм.
Минимальное сопротивление определяется максимально допустимым током, протекающим через внутренний транзистор VT1 таймера при его насыщении. Хотя допустимый выходной ток по выводу 7 устанавливают обычно на уровне 100 мА, не рекомендуется использовать малые сопротивления в сочетании с большими емкостями . Объясняется это тем, что при разряде конденсаторов 
большой емкости транзистор VT1 не мгновенно переходит в режим насыщения, а через время 
. В течение этого времени транзистор работает в активном режиме при напряжении коллектор-эмиттер 
и, если 
мА, транзистор VT1 может выйти из строя из-за чрезмерной рассеиваемой на нем мощности. Поэтому при формировании малых временных интервалов рекомендуется ограничиться значением 
=1 кОм и выбрать исходя из этого емкость . Если же таймер применяется в схеме, где 
100 пФ, то сопротивление может быть уменьшено до 150 Ом, что для аппаратуры специального назначения должно подтверждаться соответствующими техническими условиями.
Минимальная емкость времязадающего конденсатора , должна быть значительно больше изменений собственной входной емкости таймера на выводе 2, 6 и 7 в зависимости от напряжения на них. Поскольку изменение входной емкости при перезарядке не превышает нескольких пикофарад, не рекомендуется при формировании точных временных интервалов использовать 
пФ. Можно применять конденсаторы сколь угодно большой емкости, если их ток утечки пренебрежимо мал. Фактически же чем больше емкость конденсатора, тем больше его ток утечки. Для нормальной работы таймера необходимо, чтобы ток утечки не превышал зарядный ток через . Для формирования точных ( 
) временных интервалов ток утечки через дол жен быть более чем на два порядка меньше зарядного тока.
Выходной инвертирующий усилитель таймера (см. рис. 7.3, а) работает в режиме АБ, вследствие чего на переходной характеристике возникает «полка» длительностью 10...20 не при напряжении 1,5 В. Если таймер нагружен на быстродействующие ТТЛ схемы (например, серий 130 или 533), то наличие такой «полки» недопустимо, так как она находится в их пороговой области и может вызвать ложное срабатывание логического элемента. Чтобы выровнять линию переходного процесса, необходимо выход таймера за шунтировать конденсатором емкостью около 100 пФ.
Программируемые таймеры со встроенными счетчиками обеспечивают такую же точность формирования временных интервалов, как и однотактные. Однако диапазон, в котором достигается эта точность, значительно расширен (от единиц микросекунд до нескольких суток).
Назначение выводов программируемого таймера следует из его функциональной схемы (см. рис. 14.4). Основное напряжение питания, подаваемое на вывод 16 и измеряемое относительно вывода 9 равно 4... 15 В. Приращение потребляемого таймером тока на I В увеличения напряжения 
равно 1 мА. При напряжении питания 4,5 внутренний источник стабилизированного напряжения 
перестает работать, поэтому выводы 15 и 16 следует объединить, чтобы обеспечить нормальную работу счетчика. Максимальный ток, который выходы счетчика (выводы 1 - 8) могут принимать от нагрузки, не должен превышать 5 мА. Допустимое изменение напряжения на выводах 1 - 8 лежит в пределах 0...15. В Запуск таймера осуществляется положительным фронтом импульса, подаваемого на вывод 11 управляющего триггера (рис. 14.5, а). В момент запуска напряжения на выводах 1- 8 начинают изменяться в соответствии с временной диаграммой (рис. 14.5, б). Соединением выводов 1-8 обеспечивается выполнение на выходе логической функции Проводное ИЛИ. Таймер не воспринимает следующий импульс запуска, поступивший в течение формирования установленного заранее временного интервала. Сброс таймера осуществляется положительным фронтом импульса, подаваемого на вывод 10. В момент подачи импульса сброса транзисторы VT4 - VT12 (см. рис. 14.4) закрываются. Для управления таймером по выводам 10, 11 необходимы импульсы с логическими уровнями, соответствующими ТТЛ схемам, и с длительностью более 1,5 мкс.
Рисунок 14.5. Основная схема включения (а) и временные диаграммы работы (б) программируемого таймера
Выход внутреннего однотактного таймера (вывод 14) необходимо подключать через резистор сопротивлением более 20 кОм к шине стабилизированного внутреннего источника напряжения питания. Вывод 14 можно использовать и в качестве автономного входа счетчика, работающего от внешних импульсов. Для этого необходимо закрыть транзистор VT2, заземлив, например, вывод 13 через резистор сопротивлением 1 кОм. В этом случае счетчик срабатывает по срезу положительных импульсов, подаваемых на вывод 14. Этот вывод может использоваться и в качестве дополнительной цепи управления работой счетчика. Счет прекращается независимо от состояний транзистора VT2, если вывод 14 заземлить. Для управления по выводу 14 необходимы ТТЛ уровни напряжений.
Внутренний однотактный таймер генерирует импульсы длительностью около 0,35 мкс с частотой, равной 
. Времязадающая цепь включается между выводами 9 и 16, а ее средняя точка соединяется с выводом 13. Максимальная частота генерируемых импульсов равна 130 кГц (при 
=1 кОм, 
= 0,007 мкФ). Не рекомендуется устанавливать частоту меньше 
Гц. ( 
= 10 МОм, 
мкФ). В то же время счетчик может работать от внешних сигналов с частотой до 1,5 МГц.
Как и в однотактном таймере, в программируемом имеется вывод от внутреннего резисторного делителя. Это позволяет управлять работой счетчика с помощью аналогового сигнала, подаваемого на вывод 12.
Таймер спроектирован таким образом, что в момент включения его напряжения питания 
производится автоматический самосброс счетчика, если на выводах 10 и 11 напряжения около 0 В. Цепи сброса и запуска не равносильны при управлении триггером D10. Если одновременно поданы положительные импульсы на выводы 10 и 11, то управляющий триггер D10 отреагирует только на импульс запуска.
При разомкнутой цепи ОС с выходов счетчика на вывод 10 таймер работает в режиме мультивибратора, генерирующего непрерывные последовательности выходных импульсов после подачи на вывод 11 положительного импульса. Если цепь ОС замкнута, то после подачи положительного импульса на вывод 11 таймер генерирует последовательности выходных импульсов до прихода первого положительного импульса на вывод 10.
МИНИ CTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«СЕВЕРО - КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Линец Г.И., Велигоша А.В.
Схемотехника телекоммуникационных устройств I
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Направление подготовки
11.03.02 "Инфокоммуникационные технологии и системы связи".
Квалификация выпускника (Бакалавр)
Ставрополь
2016
Печатается по решению
Учебно-методического совета
Северо-Кавказского федерального
университета
УДК 621.396.6
ББК
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Мочалов В.П.
к.т.н., профессор Чипига А.Ф.
Линец Г.И., Велигоша А.В.
Схемотехника телекоммуникационных устройств: учебное пособие (конспект лекций). – Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2016. – 292 с.
Пособие составлено в соответствии с учебной программой по дисциплине «Схемотехника телекоммуникационных устройств» по направлению подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
В пособии рассматривается элементная база и схемотехника аналоговых и цифровых устройств электросвязи, осуществляющих усиление, фильтрацию, генерацию и обработку сигналов, особенности микроминиатюризации таких устройств на базе применения интегральных микросхем. Приведены основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств, принципы усиления сигналов и построение усилителей.
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 "Инфокоммуникационные технологии и системы связи".
© ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский
федеральный университет», 2014 г.
Содержание
Предисловие………………………………………………………………………….7
Раздел 1. Основные свойства аналоговых усилительных устройств…………….7
Тема 1. Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств...............................................................................................8
1.1. Основные определения…………………….……………………………….8
1.2. Классификация усилительных устройств………………………….……...9
1.3. Основные технические показатели и характеристики усилителя….…..12
Тема 2. Принципы усиления сигналов и построения усилителей…………..29
2.1. Типовые функциональные каскады полупроводникового усилителя....29
2.2. Апериодические усилительные каскады в режиме малого сигнала……31
Тема 3. Обратная связь в усилителях……………………………………..…..41
3.1. Общие сведения…….…………………………………………………...…41
3.2. Усилители с последовательной ООС по току…….……………………...45
3.3. Усилители с последовательной ООС по напряжению…….……………49
3.4. Усилители с параллельной ООС по напряжению ……………….….......50
3.5. Усилители с параллельной ООС по току……………….………………..54
3.6. Комбинированная ООС….………………………………………………. 56
3.7. Многокаскадные усилители с ООС…………………………….………...57
3.8. Паразитные ОС в многокаскадных усилителях……………………....…58
Тема 4. Многокаскадные усилители…………………………………………..60
4.1. Типы усилителей…………………………………….…………………….60
4.2. Усилители с RC-связями…………………………….……………….........61
4.3. Усилители постоянного тока……………………………….……………..72
Тема 5. Каскады предварительного усиления………………………………..83
5.1. Резистивный каскад ОЭ…………………………………………………...83
5.2. Резистивный каскад ОЭ с неблокированным сопротивлением в цепи эмиттера……………………………………………………………………………..82
5.3. Эмиттерный повторитель……….………………………………………...91
Тема 6. Каскады оконечного усиления……………………………………….92
6.1. Однотактный каскад оконечного усиления……………………….……..92
6.2. Двухтактные оконечные каскады……………….……………….…….....97
6.3. Двухтактный каскад усиления в режиме А………………………….…102
6.4. Двухтактный каскад усиления в режиме B…………………….……….104
6.5. Схемы двухтактных оконечных каскадов и их свойства……….……..107
Раздел 2. Широкополосные и импульсные усилители
Тема 7. Широкополосные усилители………………………………………..111
7.1. Работа транзисторного усилительного каскада на высоких частотах..111
7.2. Применение операционных усилителей для усиления радиочастотных сигналов……………………………………………………………………………114
7.3. Широкополосные операционные усилители с обратной связью по току…………………………………………………………………………………...117
7.4. Усилители дифференциальных линий…………….……………………125
Тема 8. Импульсные усилители……………………………………………...132
8.1. Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей….132
8.2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен……………..134
8.3. Анализ импульсного усилителя в области больших времен………….137
Раздел 3. Аналоговая схемотехника телекоммуникационных устройств
Тема 9. Функциональные устройства на операционных усилителях……...140
9.1. Историческая справка……………………………………………………140
9.2. Общие сведения об операционных усилителях (ОУ)………………….140
9.3. Основные характеристики ОУ. …………………………………………142
9.4. Идеализация характеристик ОУ…………………………………………143
9.5. Свойства операционного усилителя…………………………………….144
9.6. Основные схемы включения ОУ. ………………………………….……150
9.7. Коррекция частотной характеристики ОУ…………………….………..153
Тема 10. Устройства перемножения и деления сигналов…………………..156
10.1. Перемножители и делители на операционных усилителях……….....156
10.2. Базовая структура полупроводниковых перемножителей и их параметры…………………………………………………………………………………...169
Тема 11. Активные RC-фильтры……………………………………………..176
11.1. Общие сведения об активных фильтрах…………………………...….176
11.2. Пассивные RC – фильтры………………………...…………………….177
11.3. Реализация активных фильтров………………………..………………179
11.4. Активные фильтры высокого порядка…………...……………………180
11.5. Полосовые и заграждающие АФ……………...………………………..181
Тема 12. RC-генераторы гармонических колебаний………………………..183
12.1. Принцип работы генераторов………………………………………......183
12.2. RC-генераторы гармонических колебаний…………………………....186
12.3. Генераторы прямоугольных импульсов…………………………...…..190
12.4. Генераторы прямоугольных импульсов на специализированных ИС192
Тема 13. Аналоговые компараторы………………………………………….196
13.1. Общие сведения о компараторах…………………...………………….196
13.2. Аналоговый интегральный компаратор……………………...………..199
13.3. Применение компараторов…………..…………………………………208
Тема 14. Аналоговые таймеры……………………………………………….212
14.1. Принципы построения таймеров…………………………...………….212
14.2. Особенности применения таймеров……………………...……………217
Тема 15. Аналоговые электронные устройства на интегральных микросхемах…………………………………………………………………………………223
15.1. Общие сведения об интегральных микросхемах…………………..…223
15.2. Особенности интегральной схемотехники……………...…………….226
15.3. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах……...…..229
15.4. Усилитель мощности на интегральных микросхемах………..………232
Тема 16. Аналоговые коммутаторы………………………………………….234
16.1. Общие сведения……………………...………………………………….234
16.2. Электронные коммутаторы………………………………………….....236
16.3. Промышленные аналоговые коммутаторы………………………...….237
16.4. Характеристики аналоговых коммутаторов………………..…………250
Тема 17. Компьютерный анализ и проектирование аналоговых устройств263
17.1. Математические модели аналоговой радиоэлектронной системы (РЭС)……………………………………………………………………………….263
17.2. Математические модели логических схем цифровой РЭС………......265
17.3. Автоматизация схемотехнического проектирования РЭС……….......267
17.4. Информационные технологии схемотехнического моделирования аналого-цифровых устройств………….……………………………………………..273
17.5. Синтез логических схем…………………………...……………………279
17.6. Общая характеристика задач автоматизации конструкторского проектирования РЭС……………………………...…………………………………..…285
Список рекомендуемой литературы……………….………………...………291
Предисловие
Целью дисциплины «Схемотехника телекоммуникационных устройств 1» является изучение теоретических основ и получение базовых знаний в области схемотехники аналоговых устройств. Дисциплина относится к блоку дисциплин профессионального цикла (базовая часть) подготовки бакалавров по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». При изучении материала дисциплины преследуются следующие задачи:
- освоение принципов построения и функционирования устройств аналоговой схемотехники;
- приобретение навыков в проектировании аналоговых схемотехнических устройств;
- умение правильно использовать полученные знания для правильного выбора схемотехнических решений при разработке телекоммуникационных устройств и систем; - обеспечение базовой подготовки специалистов, необходимой для успешного освоения специальных дисциплин в последующей научно-технической и организационно-методической деятельности, связанной с проведением научных исследований и оценкой эффективности разработанных предложений и их внедрением в телекоммуникационные системы.
Дата: 2019-02-19, просмотров: 363.
