Аналоговые электронные устройства: Всесторонний обзор для академических исследований

Интегральные микросхемы, ставшие краеугольным камнем современной электроники, начали свой коммерческий путь в 1961 году, а уже к 1962 году Texas Instruments запустила серийное производство серии SN-51. Этот технологический прорыв не только радикально уменьшил размеры и вес электронных устройств, но и заложил основу для появления новых функциональных возможностей, трансформировав всю индустрию. Сегодня рынок аналоговых интегральных микросхем, который, по прогнозам, вырастет с 426,82 миллиарда долларов США в 2024 году до впечатляющих 887,91 миллиарда долларов США к 2034 году, демонстрирует устойчивый ежегодный рост более 7,6%. Этот впечатляющий рост обусловлен неуклонно увеличивающимся спросом на бытовую электронику – от смартфонов и планшетов до постоянно расширяющегося спектра носимых устройств. Аналоговые электронные устройства, несмотря на доминирование цифровых технологий, остаются фундаментом, на котором строятся самые сложные и передовые системы.

Введение: Мир непрерывных сигналов и основы электроники

В современном мире, где технологии пронизывают каждый аспект нашей жизни, электроника играет центральную роль. Она делится на две большие категории: аналоговую и цифровую, каждая из которых оперирует своими типами сигналов и устройств. Настоящая работа посвящена аналоговым электронным устройствам (АЭУ) – неотъемлемой части технического прогресса, которая часто остается «за кадром» для широкой публики, но является фундаментом для многих повседневных технологий.

Аналоговые электронные устройства предназначены для обработки сигналов, представляющих собой непрерывные электрические колебания напряжения или тока. Эти колебания являются своего рода «отражением» или «аналогом» реальных физических процессов, таких как изменение атмосферного давления при формировании звука, колебания температуры или интенсивность света. Аналоговые сигналы изменяются по тому же закону, что и описываемые ими физические процессы, обеспечивая плавное и точное представление информации.

Электроника как наука и область техники изучает и использует физические явления, а также разрабатывает и применяет устройства, основанные на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле под воздействием электрических или магнитных полей. Радиотехника, в свою очередь, является специализированной областью, занимающейся исследованиями, разработкой, производством и применением устройств и систем для передачи информации по радиочастотным каналам связи. Понимание аналоговой электроники является ключевым для освоения радиотехники и многих других инженерных дисциплин. Целью данного реферата является всестороннее раскрытие принципов функционирования, схемотехнических решений, применения и современных тенденций аналоговых электронных устройств.

Общие принципы функционирования аналоговых электронных устройств

Фундамент аналоговой электроники заложен в понимании непрерывности и подобия. Аналоговые сигналы, в отличие от дискретных цифровых, изменяются плавно и принимают бесконечное число значений в заданном диапазоне. Это позволяет им максимально точно отражать физические величины, будь то звук, температура, давление или свет. Следовательно, аналоговые устройства, оперирующие такими сигналами, должны быть спроектированы таким образом, чтобы сохранять эту непрерывность и пропорциональность, обеспечивая высокую точность и минимальные искажения, тем самым гарантируя адекватное взаимодействие с физическим миром.

Ключевыми характеристиками, описывающими работу аналоговых устройств, являются амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ). АЧХ показывает зависимость модуля коэффициента передачи устройства от частоты, а ФЧХ – зависимость фазового сдвига. В логарифмическом масштабе АЧХ называется логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ), что удобно для анализа широкополосных систем. Помимо этого, для полного понимания нелинейных свойств широкополосного аналогового электронного тракта используется сквозная передаточная характеристика (СПХ), которая описывает зависимость выходного сигнала от входного с учетом всех нелинейностей.

История и развитие интегральных технологий

Прогресс в электронике неразрывно связан с эволюцией интегральной технологии. До появления интегральных схем электронные устройства собирались из дискретных компонентов (транзисторов, резисторов, конденсаторов), что делало их громоздкими, энергоемкими и дорогими в производстве.

Переломным моментом стал 1958 год, когда Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга создали первые концепции интегральных микросхем. Суть идеи заключалась в объединении множества компонентов на одном полупроводниковом кристалле. Коммерческое производство интегральных микросхем началось в 1961 году компанией Fairchild Semiconductor. Texas Instruments, в свою очередь, в октябре 1961 года анонсировала, а в 1962 году начала массовые поставки серии SN-51, что стало началом эры массового производства. Развитие планарно-диффузионной технологии позволило создавать транзисторы с поразительной для того времени частотой переключения до 10 ГГц, заложив основу для третьего поколения электронно-вычислительных машин.

Массовое производство интегральных схем привело к революционным изменениям: значительно уменьшились размеры и вес электронных устройств, снизилась их стоимость, повысилась надежность и появились совершенно новые функциональные возможности. Современная элементная база зачастую представлена типовыми электронными узлами в виде интегральных микросхем, что позволяет инженерам собирать сложные электронные блоки, не углубляясь в детальные расчеты отдельных каскадов. Достаточно лишь подобрать подходящие ИС, разработать схему их соединения и при необходимости ввести обратные связи.

Сегодня рынок аналоговых интегральных микросхем продолжает демонстрировать впечатляющий рост. По прогнозам, его объем увеличится с 426,82 миллиарда долларов США в 2024 году до 887,91 миллиарда долларов США к 2034 году, со среднегодовым темпом роста более 7,6%. Этот рост обусловлен не только традиционными областями применения, но и бурным развитием потребительской электроники – смартфонов, планшетов, носимых устройств, а также новых направлений, таких как Интернет вещей (IoT), искусственный интеллект и автомобильная электроника, где аналоговые интерфейсы и преобразователи играют ключевую роль.

Усилительные устройства: Теория, классификация и схемотехнические решения

Сердцем многих аналоговых электронных систем являются усилительные устройства. Их назначение – не просто увеличить сигнал, а повысить его мощность, используя значительно меньшую управляющую энергию от источника сигнала для управления более мощным источником питания. Иными словами, усилитель является своего рода «регулятором энергии», где слабый сигнал открывает «кран» для потока гораздо большей энергии от отдельного источника. Поэтому коэффициент усиления мощности любого усилителя всегда должен превышать единицу.

При анализе усилителей важным параметром является номинальный коэффициент усиления K₀, который соответствует основной среднечастотной области. Например, K(f) = 100, что в децибелах (дБ) составляет K(f)_дБ = 20 × log₁₀(100) = 40 дБ. Для усилителей переменных сигналов, обладающих амплитудно-частотной характеристикой, где нижняя граничная частота f_н не равна нулю, полное толкование сквозной передаточной характеристики (СПХ) может быть получено с помощью однополярных импульсных сигналов с большой скважностью Q, позволяющих оценить динамические и нелинейные свойства в широком диапазоне.

Усилители на биполярных транзисторах

Биполярные транзисторы (БТ) – это краеугольный камень аналоговой схемотехники. Они бывают двух основных типов: n-p-n и p-n-p, отличающихся полярностью полупроводниковых областей и, соответственно, направлением протекания основных токов. В усилителях на БТ входной переход (база-эмиттер) всегда включается в прямом направлении, а выходной (коллектор-база) – в обратном. Это обеспечивает управляемое изменение тока коллектора при изменении малого тока базы.

Схемы однокаскадных усилителей на БТ традиционно строятся на основе трех базовых конфигураций: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК), также известной как эмиттерный повторитель. Каждая из этих схем обладает уникальными характеристиками по входному/выходному сопротивлению, коэффициенту усиления по току и напряжению. Например, схема с общей базой усиливает напряжение и мощность, но не обеспечивает усиления по току (коэффициент усиления по току k_И < 1), что делает ее полезной в высокочастотных приложениях или в качестве буфера по току.

Температурная стабилизация режима работы транзистора

Одной из критических проблем в усилителях на БТ является зависимость их рабочего режима от температуры окружающей среды. Изменение температуры приводит к изменению постоянных токов базы, коллектора и эмиттера, что может сместить рабочую точку транзистора и вызвать искажения сигнала или даже выход из строя.

Для борьбы с этим явлением применяются различные методы температурной стабилизации. Наиболее распространенной является эмиттерная температурная стабилизация, где резистор, включенный в цепь эмиттера (R_Э), создает отрицательную обратную связь по постоянному току. При увеличении температуры ток коллектора возрастает, вызывая рост напряжения на R_Э. Это, в свою очередь, уменьшает напряжение база-эмиттер и стабилизирует ток коллектора. Схемы с коллекторной стабилизацией также используются, подключая резистор обратной связи от коллектора к базе, что также помогает поддерживать стабильный режим.

Расчет усилителей по постоянному и переменному току

Проектирование усилителя на БТ требует двух основных этапов расчета: по постоянному току и по переменному току.

1. Расчет по постоянному току определяет статическую рабочую точку транзистора, то есть напряжения и токи в отсутствие входного сигнала. Этот расчет критически важен для обеспечения линейной работы усилителя без ограничения сигнала. Он включает выбор элементов R_К (коллекторный резистор), R_Э (эмиттерный резистор), E_К (напряжение коллекторного источника питания), E_Э (напряжение эмиттерного источника питания) и учет статических характеристик самого транзистора. Для определения рабочей точки используются графические методы с применением уравнения нагрузочной прямой и семейства выходных характеристик транзистора. Пересечение нагрузочной прямой с характеристиками I_К = f(U_КЭ) при разных токах базы I_Б позволяет выбрать оптимальную точку, обеспечивающую максимальное размах выходного сигнала без искажений.
2. Расчет по переменному току определяет усиление и частотные свойства усилителя для малых сигналов. Для этого начало координат переносится в рабочую точку, определенную на первом этапе. Транзистор в режиме малых сигналов замещается эквивалентной схемой, параметры которой (h-параметры, y-параметры или z-параметры) зависят от рабочей точки. Использование h-параметров (h₁₁, h₁₂, h₂₁, h₂₂) позволяет анализировать поведение усилителя в частотной области и рассчитывать коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности.

Классы работы усилителей: A, B, C, D, F

При реализации транзисторных усилителей крайне важно выбрать соответствующий режим работы, или класс, который определяет эффективность, линейность, уровень искажений и область применения.

• Класс A: Этот режим обеспечивает максимальную линейность. Транзистор всегда находится в проводящем состоянии, даже при отсутствии входного сигнала, а рабочая точка устанавливается в середине линейного участка характеристики.
  • Особенности: Высокая линейность, низкий уровень нелинейных искажений.
  • Недостатки: Низкий КПД (до 25-30% для резистивной нагрузки, до 50% для трансформаторной), значительное тепловыделение, что требует больших радиаторов и ведет к крупным размерам.
  • Применение: Используется в высококачественной аудиоаппаратуре (Hi-End), где главное – чистота звука, а не экономичность.
• Класс B: В этом режиме используются два транзистора в двухтактной схеме, где каждый транзистор усиливает только половину синусоидального напряжения (положительную или отрицательную полуволну). Ток покоя выходного каскада близок к нулю.
  • Особенности: Более высокий КПД (до 50-70%) по сравнению с классом A.
  • Недостатки: Возникновение кроссоверных искажений (искажений типа «ступенька») в момент перехода сигнала через ноль, так как для открытия транзистора требуется определенное напряжение база-эмиттер.
  • Применение: В чистом виде редко используется в аудио, но является основой для класса AB, где небольшой ток покоя минимизирует кроссоверные искажения. В усилителях класса B нельзя использовать схемы коллекторной или эмиттерной стабилизации из-за малого тока покоя транзистора; вместо этого используются схемы с фиксированным напряжением на базе.
• Класс C: Транзистор проводит ток менее половины периода входного сигнала (угол проводимости обычно 60-120 градусов). Рабочая точка устанавливается ниже отсечки.
  • Особенности: Очень высокий КПД (до 90% и выше).
  • Недостатки: Высокие нелинейные искажения, непригоден для линейного усиления сигналов с широким спектром (например, аудио).
  • Применение: Идеален для радиочастотных усилителей мощности, особенно для частотно-модулированных (ЧМ) сигналов, где колебательный контур на выходе может восстановить синусоидальную форму сигнала, отфильтровывая гармоники.
• Класс D: Это импульсный (ключевой) режим. Аналоговый входной сигнал преобразуется в широтно-импульсно-модулированный (ШИМ) сигнал, и транзисторы работают как ключи – либо полностью открыты, либо полностью закрыты.
  • Особенности: Чрезвычайно высокий КПД (практически до 100% теоретически, реально более 90%), минимальное тепловыделение, компактные размеры.
  • Недостатки: Требует сложного выходного фильтра нижних частот для восстановления аналоговой формы сигнала.
  • Применение: Широко используется в современных аудиоусилителях, автомобильных аудиосистемах, активных акустических системах, где важны компактность, легкость и высокая эффективность. Буква «D» в названии не означает «цифровой», а просто является следующей доступной буквой после A, B, C.
• Класс F: Это специализированный класс усилителей, часто применяемый в высокоэффективных радиочастотных усилителях мощности. Его принцип работы основан на использовании гармоник выходного сигнала для формирования почти прямоугольной формы напряжения и/или тока на транзисторе, что минимизирует потери мощности.
  • Особенности: Может достигать очень высокого КПД (теоретически до 88% для основной гармоники) за счет использования резонансных цепей, настроенных на гармоники.
  • Применение: В основном применяется в РЧ-усилителях для телекоммуникаций, радиолокации и других областях, где требуется высокая эффективность при больших мощностях. Его детальное освещение в общей литературе менее распространено из-за высокой специализации.

Распространенные схемы усилительных каскадов

Помимо выбора класса работы, важную роль играет схемотехническая реализация. Наиболее распространенные схемы усилительных каскадов включают:

• С фиксированным током базы: Простейшая схема, но ее параметры сильно зависят от температуры, напряжения питания и разброса параметров транзисторов. Поэтому в современной аппаратуре она практически не применяется из-за низкой стабильности.
• С фиксированным напряжением на базе: Применяется, например, в усилителях класса B, где ток покоя мал, и требуется обеспечить стабильное смещение на базе.
• С коллекторной стабилизацией: Резистор, соединяющий коллектор с базой, обеспечивает отрицательную обратную связь, стабилизируя рабочую точку.
• С эмиттерной стабилизацией: Как уже упоминалось, резистор в цепи эмиттера обеспечивает температурную стабильность режима.
• Дифференциальный усилитель: Состоит из двух транзисторов с общим эмиттерным резистором. Обладает высокой стабильностью рабочей точки, способен усиливать разность двух входных сигналов и подавлять синфазные помехи. Является основой большинства операционных усилителей.
• Двухтактный усилитель: Использует два транзистора (или пары транзисторов) для усиления положительной и отрицательной полуволн сигнала поочередно. Это позволяет значительно увеличить выходную мощность и КПД по сравнению с однотактными схемами. Является основой усилителей классов B, AB и D.

Обратная связь в усилительных каскадах: Виды, влияние и условия устойчивости

Обратная связь (ОС) – один из самых мощных инструментов в арсенале инженера-электронщика. Это процесс, при котором часть выходного сигнала усилительного устройства подается обратно на его вход. ОС является ключевым элементом, который может кардинально изменить характеристики усилителя, улучшить его стабильность и точность.

Различают три основных вида обратной связи:

1. Внутренняя обратная связь: Присуща самим усилительным приборам (транзисторам, лампам) и определяется их физическими параметрами, такими как параметр обратной передачи Y₁₂. Она является нежелательной и часто стремится минимизироваться в процессе разработки компонента.
2. Паразитная обратная связь: Возникает из-за несовершенства монтажа, паразитных емкостей и индуктивностей, а также через общий источник питания. Она также является нежелательной и проявляется в виде наводок, шумов и самовозбуждения.
3. Внешняя обратная связь: Специально вводится разработчиком для целенаправленного изменения свойств усилителя. Это наиболее важный вид ОС, используемый для улучшения характеристик.

Ключевым параметром, характеризующим внешнюю обратную связь, является коэффициент обратной связи, который определяется как (1 + βK), где β – коэффициент передачи цепи обратной связи, а K – коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Эта величина показывает, насколько сильно обратная связь влияет на систему. Что это значит для практика? Чем больше этот коэффициент, тем сильнее влияние ОС на поведение усилителя, что открывает широкие возможности для оптимизации его свойств.

Влияние отрицательной обратной связи (ООС) на параметры усилителя

Отрицательная обратная связь (ООС), при которой выходное напряжение подается на вход в противофазе входному сигналу, является мощным инструментом для улучшения эксплуатационных характеристик усилителей. Её вводят целенаправленно для изменения свойств усилителя в нужном направлении:

• Стабильность коэффициента усиления: ООС значительно повышает стабильность коэффициента усиления. Коэффициент усиления усилителя с ООС становится менее чувствительным к изменениям параметров активных элементов (транзисторов, микросхем), вызванных температурой, старением или колебаниями напряжения питания. При глубокой ООС (когда произведение βK » 1), коэффициент усиления всего усилителя практически полностью определяется стабильными пассивными элементами цепи обратной связи (R, C), приближаясь к 1/β. Например, если без ООС коэффициент усиления может меняться на 20-30%, то с ООС он может стабилизироваться до долей процента.
• Полоса пропускания: ООС расширяет частотный диапазон усилителя. Верхняя граничная частота усилителя увеличивается примерно в (1 + βK) раз, а нижняя граничная частота уменьшается примерно во столько же раз. Это приводит к более плоской и равномерной амплитудно-частотной характеристике в расширенном диапазоне.
• Нелинейные искажения: ООС существенно снижает нелинейные искажения. Компоненты искажений, возникающие на выходе усилителя, подаются обратно на вход в противофазе, эффективно компенсируя собственную нелинейность усилителя. Снижение искажений также происходит пропорционально (1 + βK), что позволяет уменьшить гармонические искажения в десятки и сотни раз.
• Входное и выходное сопротивление: Влияние ООС на входное и выходное сопротивление зависит от способа снятия сигнала с выхода и введения его на вход:
  • Последовательная ООС по напряжению на входе увеличивает входное сопротивление.
  • Параллельная ООС по напряжению на входе уменьшает входное сопротивление.
  • ООС по напряжению (параллельная по выходу) уменьшает выходное сопротивление, делая усилитель более похожим на идеальный источник напряжения.
  • ООС по току (последовательная по выходу) увеличивает выходное сопротивление, делая усилитель более похожим на идеальный источник тока.

Корректирующие цепи и внутренняя частотная коррекция

Для обеспечения стабильности усилителей, особенно при наличии глубокой ООС, используются корректирующие цепи, состоящие из конденсаторов или комбинации конденсаторов и резисторов. Эти цепи влияют на частотные свойства усилителя, обычно снижая коэффициент усиления и сужая полосу усиления на определенных частотах для предотвращения самовозбуждения.

Современная элементная база, особенно операционные усилители (ОУ), часто снабжена внутренними цепями коррекции. Например, многие универсальные ОУ, такие как μA741 и отечественные 140УД6, 140УД7, 140УД17, имеют встроенную частотную коррекцию, реализуемую с помощью небольшого конденсатора (например, 30 пФ) внутри микросхемы. Эта коррекция предотвращает самовозбуждение на высоких частотах, обеспечивая стабильность усилителя даже при работе с глубокой отрицательной обратной связью. Внутренняя коррекция обычно приводит к спаду амплитудно-частотной характеристики с открытой петлей со скоростью 20 дБ/декада, что обеспечивает достаточный запас по фазе для устойчивой работы.

Условия самовозбуждения усилителя: Критерий Баркгаузена

Самовозбуждение – это нежелательное явление, при котором усилитель начинает генерировать собственные колебания без внешнего входного сигнала. Это происходит, когда отрицательная обратная связь на определенных частотах превращается в положительную, а усиление петли становится достаточным для поддержания колебаний.

Условия самовозбуждения (или условия возникновения автоколебаний) описываются критерием Баркгаузена, который состоит из двух условий, необходимых для возникновения незатухающих колебаний в системе с обратной связью:

1. Баланс амплитуд: Модуль петлевого коэффициента усиления (|βK|) должен быть равен или больше единицы: |βK| ≥ 1. Это означает, что усиление по замкнутой петле должно быть достаточным для компенсации всех потерь в цепи обратной связи и поддержания колебаний.
2. Баланс фаз: Суммарный фазовый сдвиг по всему контуру обратной связи (усилителя и цепи ОС) должен быть равен нулю или кратен 2π (0°, 360°, 720° и т.д.). Это обеспечивает то, что сигнал обратной связи приходит на вход в фазе с исходным сигналом, тем самым усиливая его.

Для обеспечения устойчивой работы усилителя с отрицательной обратной связью (т.е. для предотвращения самовозбуждения) необходимо, чтобы на частотах, где суммарный фазовый сдвиг в петле ОС достигает 0° или 360° (то есть отрицательная ОС превращается в положительную), модуль петлевого усиления |βK| был меньше единицы. На практике при проектировании стремятся обеспечить достаточный запас по фазе (обычно не менее 45-60°), чтобы гарантировать надежную устойчивость работы. Несоблюдение этих строгих условий является частой причиной нестабильной работы и выхода из строя электронных систем, подчеркивая критичность точного проектирования.

Положительная обратная связь (ПОС), в отличие от ООС, целенаправленно используется для создания генераторов, где она обеспечивает выполнение условий Баркгаузена и поддержание автоколебаний.

По способу снятия энергии с выхода различают обратную связь по напряжению (параллельная по выходу) и обратную связь по току (последовательная по выходу). По способу введения сигнала обратной связи во входную цепь различают последовательную, параллельную и комбинированную обратную связь.

Операционные усилители (ОУ) и их применение в линейных схемах

Операционные усилители (ОУ) – это универсальные интегральные микросхемы, которые стали одним из самых распространенных и мощных инструментов в аналоговой схемотехнике. Их уникальные характеристики позволяют с легкостью создавать широкий спектр линейных схем, от простейших усилителей до сложных фильтров и сумматоров.

В основе понимания ОУ лежит концепция идеального операционного усилителя. Это математическая модель, которая предполагает следующие характеристики:

• Бесконечный коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой цепи.
• Бесконечное входное сопротивление.
• Нулевое выходное сопротивление.
• Бесконечная полоса пропускания.
• Нулевое смещение на входе (отсутствие входных токов и напряжений смещения).
• Нулевое синфазное усиление (идеальное подавление синфазной помехи).

На практике реальные ОУ, конечно, имеют ограничения, но многие современные микросхемы очень близки к идеалу. Изучение синфазной помехи, идеального ОУ и его реальных ограничений является фундаментальным для понимания их работы.

Типовые схемы включения усилителей на ОУ охватывают большинство базовых операций:

• Инвертирующий усилитель: Усиливает входной сигнал с изменением фазы на 180°. Коэффициент усиления определяется только соотношением внешних резисторов и может быть легко настроен.
• Неинвертирующий усилитель: Усиливает входной сигнал без изменения фазы. Также имеет коэффициент усиления, зависящий от внешних резисторов.
• Повторитель напряжения (буфер): Частный случай неинвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления. Используется для согласования сопротивлений, предотвращая нагрузку источника сигнала.
• Сумматор: Позволяет суммировать несколько входных напряжений, каждое со своим весовым коэффициентом.
• Вычитатель: Вычисляет разность двух входных напряжений.
• Интегратор и дифференциатор: Используют конденсаторы в цепи обратной связи для выполнения математических операций интегрирования и дифференцирования над входным сигналом.

Аспекты питания ОУ также имеют важное значение. Большинство ОУ требуют двухполярного источника питания (например, ±15 В или ±5 В) для обеспечения работы с сигналами, изменяющимися относительно нуля. Однако существуют и однополярные ОУ, способные работать от одного источника питания, что упрощает их применение в портативных устройствах.

Основы теории операционных усилителей и примеры их применения составляют значительную часть учебных пособий по аналоговой схемотехнике, что подчеркивает их универсальность и важность для каждого инженера-электронщика.

Усилители постоянного тока и усилители мощности

В мире аналоговой электроники существуют специализированные классы усилителей, предназначенные для конкретных задач, среди которых выделяются усилители постоянного тока (УПТ) и усилители мощности.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов, частотный спектр которых начинается от постоянного тока (0 Гц). Это означает, что УПТ должны быть способны усиливать медленно изменяющиеся или статические сигналы без искажений. Основная проблема при проектировании УПТ – это дрейф нуля, то есть нежелательное изменение выходного напряжения при отсутствии входного сигнала, вызванное температурными изменениями и нестабильностью параметров компонентов. СПХ (сквозная передаточная характеристика) имеет однозначное толкование именно для усилителей постоянного тока, поскольку для них нет нижних частотных ограничений (f_н = 0), и выходной сигнал точно повторяет входной в статическом режиме. Помимо УПТ, учебные пособия также рассматривают широкополосные усилители, способные работать в очень широком частотном диапазоне, и усилители предельной чувствительности, предназначенные для работы с крайне слабыми сигналами, где минимизация шумов является первостепенной задачей.

Усилители мощности – это класс усилителей, основной задачей которых является отдача значительной мощности в нагрузку (например, в динамик, антенну или электромотор) при минимальных искажениях. В отличие от усилителей напряжения, которые фокусируются на увеличении амплитуды сигнала, усилители мощности ориентированы на обеспечение высокого тока и напряжения одновременно, чтобы обеспечить достаточную энергию для конечного устройства. Они часто оперируют сигналами большой интенсивности.

Одной из самых распространенных архитектур для усилителей мощности является двухтактный усилитель. В такой схеме используются два (или более) транзистора (или пары транзисторов), каждый из которых усиливает свою полуволну входного сигнала – один транзистор работает с положительной полуволной, другой – с отрицательной. Это позволяет эффективно использовать энергию источника питания и достигать высокого КПД. Двухтактные схемы лежат в основе усилителей классов B, AB и D, обеспечивая высокую выходную мощность при контролируемых искажениях. Выбор конкретного класса усилителя мощности (например, B, AB, D) зависит от требуемого компромисса между КПД, линейностью и уровнем искажений для конкретного применения.

Активные фильтры: Принципы, классификация и преимущества

В мире, насыщенном различными частотными сигналами, способность избирательно пропускать или подавлять определенные частотные диапазоны является фундаментальной для многих электронных систем. Эту задачу выполняют фильтры. Традиционные пассивные фильтры, состоящие из резисторов, конденсаторов и индуктивностей, имеют свои ограничения. На смену им пришли активные фильтры, представляющие собой четырехполюсники, которые, помимо пассивных RC-цепей, содержат активные элементы, такие как транзисторы или, чаще всего, операционные усилители (ОУ).

Ключевое отличие активных RC-фильтров (АРС-фильтров) от пассивных RC-фильтров заключается в их способности иметь полюсы в любой части комплексной плоскости. Это дает проектировщику гораздо большую гибкость в формировании желаемой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Однако для обеспечения устойчивости системы используются схемы с полюсами в левой полуплоскости или на мнимой оси (jω).

Количественные преимущества активных фильтров

Активные фильтры обладают целым рядом существенных преимуществ перед пассивными, что делает их незаменимыми во многих современных приложениях:

• Отсутствие индуктивностей и значительное уменьшение габаритов/веса: Это одно из главных преимуществ. В пассивных фильтрах на низких частотах требуются индуктивности большой индуктивности, которые имеют значительные размеры, вес, стоимость и подвержены магнитным наводкам. Активные фильтры используют только резисторы и конденсаторы, которые намного меньше и легче. Это позволяет создавать компактные и легкие устройства, что критически важно для портативной электроники и интегральных схем, где индуктивности практически несовместимы с технологией производства.
• Возможность обеспечения коэффициента усиления > 1: В отличие от пассивных фильтров, которые всегда вносят затухание (ослабление сигнала), активные фильтры могут не только фильтровать, но и усиливать сигнал в полосе пропускания. Это устраняет необходимость в дополнительных усилительных каскадах и позволяет компенсировать потери, что делает систему более эффективной.
• Улучшенная изоляция каскадов: Активные элементы (ОУ) обеспечивают высокую развязку между входом, выходом и различными секциями фильтра. Это упрощает проектирование, так как нагрузка следующего каскада не влияет на характеристики предыдущего, что позволяет легко каскадировать фильтры для создания более высоких порядков.
• Точный контроль АЧХ и меньшие неравномерности: Активные фильтры предлагают гораздо более точный контроль над формой АЧХ. Они могут достигать более крутых скатов (лучшее разделение полосы пропускания от полосы затухания) и значительно меньших неравномерностей в полосе пропускания. Например, в высококачественных аудиосистемах часто требуется, чтобы неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне не превышала ±3 децибела, что легко достигается с помощью активных фильтров.
• Экономия места на плате: Использование ОУ и отсутствие индуктивностей приводит к существенной экономии места на печатной плате. Резисторы и конденсаторы гораздо компактнее, особенно в интегральном исполнении, что позволяет создавать высокоинтегрированные и миниатюрные устройства.

Классификация и реализации активных фильтров

Активные фильтры классифицируются по полосе пропускаемых частот:

• Фильтры нижних частот (ФНЧ): Пропускают сигналы от постоянного напряжения до определенной частоты среза, подавляя более высокие частоты.
• Фильтры верхних частот (ФВЧ): Пропускают сигналы от частоты среза и выше, подавляя более низкие частоты.
• Полосовые фильтры (ПФ): Пропускают сигналы в определенной полосе частот от f₁ до f₂, подавляя частоты за пределами этого диапазона.
• Заграждающие фильтры (ЗФ), или режекторные: Подавляют сигналы в определенной полосе частот от f₁ до f₂, пропуская все остальные частоты.

Существуют различные конструкции активных фильтров, предназначенные для получения нужных функций и формы АЧХ. Среди них выделяются фильтры Баттерворта (максимально плоская характеристика в полосе пропускания), Чебышева (более крутой спад, но с пульсациями в полосе пропускания), Бесселя (линейная фазочастотная характеристика). Не существует «абсолютно лучшей» схемы фильтра, так как каждая реализация наилучшим образом подходит для определенных свойств.

Примеры схем для реализации ФНЧ, ФВЧ и полосовых фильтров включают схемы на ИНУН (идеальном источнике напряжения, управляемом напряжением), на основе метода переменных состояния, а также двойные Т-образные фильтры. Двухполюсные фильтры могут быть реализованы как Баттерворта или Бесселя за счет точного подбора параметров элементов. Любое число двухполюсных секций на ИНУН может быть соединено каскадно для создания фильтров более высокого порядка, что позволяет достигать требуемой крутизны спада.

Обратная связь в активных фильтрах играет ключевую роль, ��озволяя отказаться от индуктивности и сформировать требуемую АЧХ. Поведение фильтра описывается в частотной области с помощью АЧХ и ФЧХ, а во временной области – с помощью переходной характеристики, которая показывает реакцию фильтра на ступенчатое изменение входного сигнала.

Вторичные источники питания, выпрямители и стабилизаторы

Надежное и стабильное электропитание – это краеугольный камень любого электронного устройства. Именно вторичные источники питания (ВИП) выполняют эту критически важную функцию, преобразуя энергию от первичных источников (промышленная сеть, генераторы, аккумуляторы) в напряжения и токи, необходимые для непосредственного питания электронных и других устройств.

Надежность вторичных источников питания

Парадоксально, но надежность всего электронного устройства часто существенно зависит от надежности его вторичного источника питания. Блок питания – это одна из наиболее нагруженных частей системы, и его отказ может привести к неработоспособности или повреждению всего устройства. Статистика подтверждает это утверждение: по результатам опроса более 3000 инженеров-разработчиков импульсных источников питания (ИИП), наиболее распространенной причиной их отказа (в 67% случаев) являются силовые полупроводники. При этом 37% отказов приходится на превышение электрических характеристик, а 30% – на превышение тепловых режимов. Следующими по частоте отказов являются конденсаторы, затем моточные компоненты (трансформаторы, дроссели), отказы печатных плат и механических компонентов, и только потом микросхемы управления. Эти данные подчеркивают критическую важность тщательного проектирования и выбора компонентов для ВИП. Таким образом, инвестиции в качественные компоненты и продуманную схемотехнику блока питания являются не просто затратами, а необходимостью для обеспечения долговечности и стабильности всего изделия.

Структурная схема и компоненты источников питания

Типичная структурная схема вторичного источника питания, работающего от промышленной сети (50 Гц), включает несколько основных функциональных блоков:

1. Трансформатор: Его основное назначение – гальваническая развязка питающей сети и нагрузки (для безопасности), а также изменение уровня переменного напряжения. Чаще всего используются понижающие трансформаторы, чтобы получить необходимое низкое напряжение для электроники.
2. Выпрямитель: Этот блок преобразует переменное напряжение синусоидальной формы в пульсирующее напряжение одной полярности. Основными компонентами выпрямителей являются вентили, чаще всего кремниевые диоды, обладающие явно выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. Простейшим является однополупериодный выпрямитель, но для более эффективного использования энергии и уменьшения пульсаций применяются двухполупериодные схемы (например, с нулевым отводом от вторичной обмотки трансформатора, состоящая из двух диодов, или мостовая схема на четырех диодах). Выпрямители также делятся на однофазные и трехфазные (для мощных промышленных систем), а также на управляемые (с тиристорами) и неуправляемые (с диодами).
3. Сглаживающий фильтр: Выходное напряжение выпрямителя представляет собой пульсирующую кривую. Для питания чувствительной электроники требуется максимально сглаженное постоянное напряжение. Эту задачу выполняет сглаживающий фильтр, состоящий из конденсаторов и/или дросселей.
   • Эффективность сглаживания оценивается коэффициентом сглаживания (K_сгл), который показывает, во сколько раз уменьшается амплитуда пульсаций на выходе фильтра по сравнению с его входом. Для простейших емкостных фильтров K_сгл может составлять от 10 до 100 и более. Для более сложных многозвенных фильтров (например, Г-образных LC-фильтров или многозвенных емкостных) коэффициент сглаживания может достигать тысяч. Например, если у обычных выпрямителей коэффициент пульсаций составляет не менее 0,057, то для питания многих радиоэлектронных устройств требуется коэффициент пульсаций в диапазоне от 10^-6 до 10^-3, что достигается только с помощью эффективных сглаживающих фильтров.
4. Стабилизатор напряжения: Даже после сглаживающего фильтра напряжение может незначительно изменяться из-за колебаний напряжения в сети или изменения тока нагрузки. Стабилизатор напряжения предназначен для поддержания выходного напряжения в заданных пределах, независимо от этих флуктуаций.
   • Важно отметить, что упомянутые в некоторых источниках «допустимые пределы ±15…−20% от номинального» относятся скорее к допустимым колебаниям напряжения в электрической сети (например, ГОСТ 13109-97 допускает ±10%), а не к точности стабилизатора. Качественные стабилизаторы обеспечивают гораздо более высокую точность. Для бытовой техники точность стабилизации может составлять 3-5%, а для чувствительного электронного оборудования, такого как прецизионные измерительные приборы или медицинская аппаратура, требуются более строгие допуски, вплоть до 1-3% или даже лучше.

Сравнительный анализ аналоговых и импульсных источников питания (ИИП)

Исторически использовались аналоговые (трансформаторные) источники питания, которые состоят из трансформатора, выпрямителя и линейного стабилизатора. Они отличаются простотой конструкции, низким уровнем шумов, но имеют существенные недостатки: большой вес и габариты (из-за массивного трансформатора с железным сердечником и больших фильтрующих конденсаторов, работающих на частоте 50 Гц), а также низкий КПД (обычно не более 35-60%) из-за значительных потерь на нагрев линейного стабилизатора.

Революцию в этой области произвели импульсные источники питания (ИИП). Их ключевое отличие заключается в преобразовании переменного тока в постоянный, а затем в высокочастотное переменное напряжение, которое значительно эффективнее обрабатывается и стабилизируется.

• Высокие рабочие частоты: Транзисторы в ИИП работают в ключевом режиме (либо полностью открыты, либо полностью закрыты), что позволяет значительно увеличить частоту тока – от десятков до сотен килогерц (например, 30-200 кГц).
• Компактность и легкость: Благодаря высокой частоте работы, размеры индуктивных компонентов (трансформаторов и дросселей) и фильтрующих конденсаторов могут быть уменьшены в разы. Масса ИИП значительно меньше, чем у аналоговых источников питания той же мощности.
• Высокий КПД: Поскольку транзисторы работают как ключи, потери мощности на них минимальны. КПД ИИП обычно составляет от 85% до 95% и даже выше, что существенно превосходит КПД линейных источников питания и снижает тепловыделение.
• Применение: ИИП стали стандартом для большинства современных электронных устройств, от зарядных устройств для мобильных телефонов и ноутбуков до компьютеров и промышленного оборудования, где важны компактность, легкость и энергоэффективность.

Современные тенденции и перспективы развития аналоговой электроники

Аналоговая электроника, несмотря на быстрый прогресс в цифровых технологиях, остается жизненно важной и динамично развивающейся областью. Современные методы и тенденции проектирования аналоговых схем предусматривают широкое использование средств вычислительной техники, что позволяет значительно ускорить разработку, моделирование и оптимизацию сложных устройств.

Роль современных импульсных источников питания

Одной из наиболее заметных тенденций является повсеместное внедрение импульсных источников питания (ИИП). Как уже упоминалось, они часто используют преобразование частоты, работая на десятках и сотнях килогерц (типичные частоты от 30 кГц до 200 кГц и выше). Эта высокая частота позволяет значительно уменьшить размеры и вес силовых трансформаторов, дросселей и конденсаторов, делая электронные устройства более компактными и легкими. Высокий КПД ИИП также способствует снижению энергопотребления и тепловыделения, что особенно актуально для портативной и высокоинтегрированной электроники.

Вклад ведущих мировых производителей

Развитие аналоговой электроники в значительной степени определяется инновациями и продуктовыми линейками крупнейших мировых компаний:

• Analog Devices (ADI): Основанная в 1965 году, ADI является мировым лидером в разработке высокопроизводительных аналоговых, цифровых и смешанных интегральных схем. Компания активно инвестирует в исследования и разработки (около 19% годового оборота), ежегодно выпуская более 100 новых продуктов. Среди их ключевых достижений – разработка прецизионных усилителей, высокоточных аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей, а также комплексных интегральных схем для обработки сигналов, включающих функции фильтрации, усиления и модуляции. Стратегические приобретения Linear Technology (2017) и Maxim Integrated (2021) значительно расширили портфолио ADI в областях управления питанием, смешанных сигналов, радиочастотных решений и цифровых датчиков, укрепив их позиции на рынке.
• Microchip Technology: Хотя Microchip широко известна своими микроконтроллерами (PIC, AVR, SAM), она также является крупным игроком на рынке аналоговых компонентов. Их аналоговые и силовые решения включают высокоточные операционные усилители (серии MCP60xx/MCP6Vxx), драйверы MOSFET и IGBT (MIC4605/MIC4606/TC44xx), линейные регуляторы напряжения (TC1088/MCP1700/MIC52xx), датчики тока и интеллектуальные источники питания (MCP19111/PAC193x). Microchip активно интегрирует аналоговые функции с цифровым управлением, предлагая комплексные решения для таких перспективных областей, как Интернет вещей (IoT), промышленное медицинское оборудование, носимая электроника и автомобильные системы. Компания также предоставляет инженерам бесплатное программное обеспечение, например, FilterLab®, для упрощения проектирования активных фильтров.
• Texas Instruments (TI): Texas Instruments – гигант полупроводниковой индустрии, ежегодно выпускающий миллиарды чипов. Компания имеет богатую историю инноваций, начиная с изобретения транзистора. TI играет ключевую роль в поставке широкого спектра аналоговых компонентов, включая усилители, преобразователи данных, логические устройства и импульсные регуляторы, которые являются основой для инноваций во всех секторах электроники. TI продолжает активно инвестировать в аналоговые технологии, поскольку ожидается, что рынок аналоговых ИС общего назначения превысит 40 миллиардов долларов к 2027 году. Компания также уделяет большое внимание контролю производства, обеспечивая надежные и устойчивые цепочки поставок.

Перспективы развития аналоговой электроники

Будущее аналоговой электроники связано с дальнейшей интеграцией, миниатюризацией, повышением энергоэффективности и расширением функциональных возможностей. Ожидается развитие:

• Высокопроизводительных преобразователей данных: АЦП и ЦАП с более высоким разрешением и скоростью для обработки больших объемов данных в реальном времени.
• Аналоговых фронт-эндов для датчиков: Более сложные и интегрированные решения для сбора данных с различных датчиков (температуры, давления, света, биометрических данных) с минимальными шумами и высокой точностью.
• Микромощных аналоговых схем: Разработка компонентов с ультранизким энергопотреблением для носимых устройств, беспроводных сенсорных сетей и IoT.
• Интеллектуальной аналоговой электроники: Интеграция аналоговых схем с элементами искусственного интеллекта и машинного обучения для адаптивной обработки сигналов и принятия решений на аппаратном уровне.
• Высокочастотных и РЧ-компонентов: Развитие технологий для 5G, 6G и других беспроводных коммуникаций, требующих высокоточных и эффективных аналоговых решений на высоких частотах.

Аналоговая электроника будет продолжать эволюционировать, оставаясь фундаментальной основой для взаимодействия цифрового мира с физической реальностью.

Заключение

Аналоговые электронные устройства, несмотря на триумфальное шествие цифровых технологий, остаются краеугольным камнем современной электроники. Они являются тем мостом, который соединяет непрерывный и многообразный физический мир с дискретным миром вычислений. Начиная от базовых принципов усиления, эволюции биполярных транзисторов и их различных классов работы, заканчивая утонченными механизмами обратной связи и высокоэффективными импульсными источниками питания, аналоговая схемотехника предоставляет инженерам мощный арсенал для решения самых сложных задач.

Мы увидели, как исторические прорывы, такие как создание первых интегральных микросхем Джеком Килби и Робертом Нойсом, заложили фундамент для массового производства и миниатюризации, что привело к экспоненциальному росту рынка аналоговых ИС. Детальное изучение усилителей на биполярных транзисторах, включая их температурную стабилизацию и различные классы работы (A, B, C, D, F), подчеркнуло важность выбора оптимального режима для конкретного приложения, балансируя между линейностью, КПД и искажениями.

Анализ обратной связи раскрыл её как мощный инструмент для улучшения стабильности, расширения полосы пропускания и снижения нелинейных искажений, при этом четко сформулированные условия самовозбуждения по критерию Баркгаузена служат гарантом устойчивости систем. Операционные усилители, с их приближенными к идеалу характеристиками, продемонстрировали свою универсальность в построении широкого круга линейных схем. Активные фильтры, благодаря отказу от громоздких индуктивностей и возможности усиления сигнала, показали свое превосходство над пассивными аналогами в компактности, точности и гибкости формирования частотных характеристик.

Наконец, рассмотрение вторичных источников питания, выпрямителей и стабилизаторов выявило их критическую роль в обеспечении надежности всей электронной системы, а прогресс в импульсных источниках питания указал на будущее высокоэффективных, компактных и легких решений. Вклад мировых лидеров, таких как Analog Devices, Microchip Technology и Texas Instruments, продолжает двигать аналоговую электронику вперед, предлагая инновационные компоненты для Интернета вещей, искусственного интеллекта, автомобильной электроники и других прорывных технологий. Разве это не доказывает, что аналоговые решения не просто выживают, но и формируют основу для следующих поколений цифровых инноваций?

Таким образом, аналоговые электронные устройства не просто сохраняют свою актуальность, но и являются активным полем для инноваций. Понимание их принципов и характеристик, а также осознание современных тенденций и перспектив развития, является фундаментальным для любого специалиста в области электроники и радиотехники, позволяя создавать передовые и надежные системы, формирующие наше технологическое будущее.

Список использованной литературы

1. Акимова, Г.Н. Электронная техника: Учебник. М.: Маршрут, 2003. — 290 с.
2. Гусев, В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев.— 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 2005.— 790 с.
3. Лачин, В.И. Электроника: Учеб. пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савёлов. 3-е изд., перераб. и доп. — Ростов н/Д: Феникс, 2002. — 576 с.
4. Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; под ред. О.П. Глудкина. — М.: Горячая Линия — Телеком, 2000. — 768 с.
5. Павлов, В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов / В.Н. Павлов, В.Н. Ногин. — 2-е изд., исправ. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 320 с.
6. Павлов, В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / В.Н. Павлов. — М.: Academia, 2011.
7. Основы электроники: Учебное пособие для вузов / А.Л. Марченко. — М.: ДМК Пресс, 2020.
8. Шарапов, А.В. АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА: Учебное пособие. — Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2006. — 193 с.
9. Лаврентьев, Б.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: Учебное пособие. — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000. — 155 с.
10. Волович, Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. — М.: ДМК Пресс, 2020.
11. Сидоров, С.Н. ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ: практикум к выполнению лабораторных работ / сост. С.Н. Сидоров, С.М. Марага. – Ульяновск: УлГТУ, 2017.
12. Обратная связь в усилительных устройствах. URL: https://studfile.net/preview/6075902/page:6/ (дата обращения: 28.10.2025).
13. Схемы усилительных каскадов на транзисторах. URL: https://digitrode.ru/articles/scemy_usilitelnykh_kaskadov_na_tranzistorah.html (дата обращения: 28.10.2025).
14. Усилитель класса B. URL: https://digitrode.ru/articles/usilitel_klassa_b.html (дата обращения: 28.10.2025).
15. Схемная реализация активных фильтров. URL: http://audio-hi-fi.ru/osnovy-elektroakustiki/shemnaya-realizatsiya-aktivnyh-filtrov.html (дата обращения: 28.10.2025).
16. Вторичные источники питания: назначение, структурная схема. URL: https://v-energetike.ru/article/vtorichnye-istochniki-pitaniya (дата обращения: 28.10.2025).
17. Источники вторичного электропитания. URL: https://www.bsuir.by/m/12_100224_1_25299.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
18. Разница между аналоговым источником питания, цифровым источником питания и импульсным источником питания. URL: https://russian.gd-power.com/info/difference-between-analog-power-supply-digital-p-83021946.html (дата обращения: 28.10.2025).
19. Аналоговая электроника и управление питанием. URL: https://ecomp.ru/page/217/ (дата обращения: 28.10.2025).
20. ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ СХЕМОТЕХНИКУ. URL: https://elib.spbstu.ru/dl/2/nt00000000010/nt00000000010.pdf (дата обращения: 28.10.2025).