Основы электроники
Учебное пособие для вузов
Покупка
Тематика:
Схемотехника. Общие вопросы
Издательство:
ДМК Пресс
Автор:
Марченко Алексей Лукич
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 294
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-89818-389-9
Артикул: 816410.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Книга представляет собой учебное пособие по основам электроники, материал которой структурирован в соответствии с Государственным стандартом и программой по общепрофессиональной дисциплине для вузов «Электротехника и электроника». Материал книги разбит на две части. В первой части рассматривается элементная база, а также основы аналоговой, импульсной и цифровой электроники. Вторая часть посвящена испытанию электронных устройств, смоделированных в программной среде NI Multisim 10. Издание предназначено для студентов высших учебных заведений, а также может быть полезно инженерам и другим научно-техническим специалистам. 30-дневную демо-версию Multisim 10 можно скачать на сайте корпорации National Instruments. Схемы электронных устройств, cпроектированные в среде NI Multisim 10 и рассмотренные в книге, размещены на сайте издательства и автора — marchenko.elinf.ru.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва, 2023 А. Л. Марченко ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ Допущено Научнометодическим советом по электротехнике и электронике Министерства образования и науки российской федерации в качестве учебного пособия по общепрофессиональной дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по неэлектротехническим направлениям подготовки бакалавров 550000 технические науки и по неэлектротехническим направлениям подготовки дипломированных специалистов 650000 техника и технологии 2-е издание, электронное
УДК 621.375.132 ББК 32.846.6 М30 Р е ц е н з е н т ы: доктор технических наук, профессор А. Е. Краснопольский (МИСиС) кандидат технических наук, профессор Ю. Е. Бабичев (МГГУ) М30 Марченко, Алексей Лукич. Основы электроники : учебное пособие для вузов / А. Л. Марченко. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 294 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный. ISBN 978-5-89818-389-9 Книга представляет собой учебное пособие по основам электроники, материал которой структурирован в соответствии с Государственным стандартом и программой по общепрофессиональной дисциплине для вузов «Электротехника и электроника». Материал книги разбит на две части. В первой части рассматривается элементная база, а также основы аналоговой, импульсной и цифровой электроники. Вторая часть посвящена испытанию электронных устройств, смоделированных в программной среде NI Multisim 10. Издание предназначено для студентов высших учебных заведений, а также может быть полезно инженерам и другим научно-техническим специалистам. 30-дневную демо-версию Multisim 10 можно скачать на сайте корпорации National Instruments. Схемы электронных устройств, cпроектированные в среде NI Multisim 10 и рассмотренные в книге, размещены на сайте издательства и автора — marchenko.elinf.ru. УДК 621.375.132 ББК 32.846.6 Электронное издание на основе печатного издания: Основы электроники : учебное пособие для вузов / А. Л. Марченко. — Москва : ДМК Пресс, 2016. — 293 с. — ISBN 978-5-97060-365-9. — Текст : непосредственный. Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации. ISBN 978-5-89818-389-9 © Марченко А. Л., 2013 © Оформление. ДМК Пресс, 2016
Содержание Предисловие .................................................................. 8 Сокращения терминов, аббревиатуры ...............................10 Введение ......................................................................13 Тема 1. Полупроводниковые приборы................................17 1.1. Электроннодырочный переход ..................................................................... 17 1.2. Диоды и их свойства ....................................................................................... 19 1.3. Разновидности диодов ................................................................................... 21 1.4. Транзисторы ................................................................................................... 26 1.4.1. Биполярные транзисторы ....................................................................... 26 1.4.2. Понятие о полевых транзисторах ............................................................ 31 1.5. Биполярный транзистор с изолированным затвором ..................................... 33 1.6. Тиристоры ...................................................................................................... 34 1.7. Интегральные микросхемы ............................................................................. 37 Вопросы к теме 1 ................................................................................................... 39 Тема 2. Источники вторичного электропитания ...................41 2.1. Общие положения........................................................................................... 41 2.2. Однофазные выпрямители ............................................................................. 42 2.3. Трехфазные выпрямители .............................................................................. 45 2.4. Сглаживающие фильтры ................................................................................. 47 2.5. Стабилизаторы напряжения и тока ................................................................. 51 2.6. Управляемые выпрямители ............................................................................ 54 2.7. Внешние характеристики выпрямителей ........................................................ 55 Вопросы к теме 2 ................................................................................................... 56 Тема 3. Электронные усилители .......................................58 3.1. Назначение и классификация электронных усилителей ................................. 58 3.2. Характеристики усилителей ........................................................................... 60 3.3. Типовая схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе, включенного по схеме с ОЭ .............................................................................. 62 3.4. Эмиттерный повторитель ............................................................................... 66 3.5. Дифференциальный усилитель ...................................................................... 67 3.6. Режимы работы усилительных каскадов ......................................................... 69 3.7. Каскадное соединение усилителей ................................................................ 70 3.8. Усилители мощности на транзисторах ............................................................ 71 3
ëÓ‰ÂʇÌË 3.9. Операционные усилители ............................................................................... 73 Вопросы к теме 3 ................................................................................................... 74 Тема 4. Импульсные устройства. Автогенераторы ...............76 4.1. Общие понятия ............................................................................................... 76 4.2. Параметры импульсов и импульсных устройств ............................................. 77 4.3. Простейшие формирователи импульсов ........................................................ 78 4.4. Ограничители уровня ...................................................................................... 79 4.5. Транзисторный ключ ....................................................................................... 80 4.6. Триггер ........................................................................................................... 82 4.7. Электронные генераторы ............................................................................... 83 4.7.1. Автогенератор типа LC............................................................................ 84 4.7.2. Автогенераторы типа RC ......................................................................... 85 4.7.3. Мультивибраторы ................................................................................... 86 4.7.4. Генератор импульсов треугольной формы .............................................. 89 4.7.5. Ждущий мультивибратор ........................................................................ 90 4.7.6. Генератор пилообразного напряжения ................................................... 90 Вопросы к теме 4 ................................................................................................... 91 Тема 5. Логические основы цифровых устройств.................93 5.1. Общие сведения о цифровых устройствах ...................................................... 93 5.2. Элементы алгебры логики .............................................................................. 96 5.3. Основные логические операции и способы их аппаратной реализации ......... 99 5.4. Универсальные логические операции и их особенности .............................. 102 5.5. Представление логических функций математическими выражениями ......... 104 5.6. Переход от логической функции к логической схеме .................................... 105 5.7. Минимизация логических функций ............................................................... 106 5.8. Запись и реализация логических функций в универсальных базисах ........... 107 5.9. Программируемые логические матрицы ...................................................... 110 Вопросы к теме 5 ................................................................................................. 112 Тема 6. Функциональные узлы цифровых устройств .......... 114 6.1. Комбинационные и последовательностные устройства ............................... 114 6.2. Дешифраторы и шифраторы ........................................................................ 116 6.3. Мультиплексоры и демультиплексоры .......................................................... 118 6.4. Компаратор .................................................................................................. 120 6.5. Двоичные полусумматоры и сумматоры ....................................................... 121 6.6. Цифроаналоговые и аналогоцифровые преобразователи .......................... 123 6.6.1. Цифроаналоговые преобразователи .................................................... 123 6.6.2. Аналогоцифровые преобразователи ................................................... 125 6.7. Триггеры ....................................................................................................... 127
ëÓ‰ÂʇÌË 5 6.7.1. Асинхронный RSтриггер ...................................................................... 127 6.7.2. Синхронный RSтриггер ....................................................................... 129 6.7.3. Ттриггер .............................................................................................. 129 6.7.4. Dтриггер .............................................................................................. 129 6.7.5. JKтриггер ............................................................................................ 131 6.8. Счётчики ....................................................................................................... 132 6.8.1. Классификация счётчиков .................................................................... 132 6.8.2. Счётчик с непосредственными связями ............................................... 133 6.8.3. Суммирующий синхронный счётчик ..................................................... 135 6.8.4. Реверсивный синхронный счётчик ........................................................ 136 6.8.5. Десятичный счётчик .............................................................................. 137 6.9. Регистры и регистровая память .................................................................... 138 6.10. Арифметикологические устройства .......................................................... 140 6.10.1. Классификация и обобщенная структура АЛУ ..................................... 140 6.10.2. Универсальное АЛУ в интегральном исполнении ................................ 142 6.11. Запоминающие устройства ........................................................................ 144 6.11.1. Классификация запоминающих устройств ......................................... 144 6.11.2. Схемы элементов памяти .................................................................... 145 Вопросы к теме 6 ................................................................................................. 150 Тема 7. Микропроцессорные устройства ......................... 151 7.1. Общие сведения о микропроцессорах......................................................... 151 7.2. Типы микропроцессоров и архитектура вычислительных устройств ............. 153 7.2.1. Основные типы микропроцессоров ...................................................... 153 7.2.2. Основные команды и регистры микропроцессоров.............................. 155 7.2.3. Архитектура вычислительных устройств ............................................... 157 7.2.4. Структура и функционирование микропроцессоров............................. 159 7.3. Микропроцессорные системы и микроконтроллеры .................................... 163 7.3.1. Микропроцессорные комплекты и микропроцессорные системы ........ 164 7.3.2. Микроконтроллеры............................................................................... 166 7.3.3. Многопроцессорные системы .............................................................. 167 Вопросы к теме 7 ................................................................................................. 168 Тема 8. Структура и свойства среды моделирования схем электронных устройств NI Multisim 10 .......................... 169 8.1. Общие положения......................................................................................... 169 8.2. Общие сведения о среде интерактивного проектирования электронных схем NI Multisim 10.......................................................................................... 171 8.2.1. Установка MS10 .................................................................................... 171 8.2.2. Основные элементы программной среды MS10 ................................... 172
ëÓ‰ÂʇÌË 8.2.3. Командные строки инструментальной линейки .................................... 177 8.2.4. Измерительные приборы, источники питания и устройства визуализации ............................................................................................ 180 8.3. Технология сборки схем................................................................................ 181 Тема 9. Моделирование схем аналоговых электронных устройств ................................................................ 185 9.1. Полупроводниковые диод, стабилитрон и тиристор ..................................... 185 9.2. Однофазные полупроводниковые выпрямители ........................................... 191 9.3. Биполярные и полевые транзисторы ............................................................ 194 9.4. Простейшие транзисторные усилители ........................................................ 200 9.4.1. Усилитель на биполярном транзисторе с ОЭ ........................................ 200 9.4.2. Усилитель на полевом транзисторе с ОИ .............................................. 204 9.4.3. Истоковый повторитель ........................................................................ 207 9.4.4. Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах .............. 208 9.5. Электронные устройства на операционных усилителях ................................ 210 9.6. Аналоговые компараторы ............................................................................. 217 9.7. Мультивибраторы ......................................................................................... 224 9.7.1. Симметричный и несимметричный мультивибраторы и одновибратор ......................................................................................... 224 9.7.2. Генератор линейно изменяющегося напряжения ................................. 227 9.8. Генераторы синусоидальных колебаний ....................................................... 228 9.8.1. Ёмкостная трёхточечная схема LCгенератора ..................................... 228 9.8.2. Индуктивная трёхточечная схема LCгенератора ........................................................................................... 235 9.8.3. RCгенератор синусоидальных колебаний ........................................... 236 Тема 10. Моделирование схем цифровых и аналогоцифровых устройств ................................... 240 10.1. Библиотеки цифровых устройств и инструментарий программной среды MS10 .................................................................................................... 240 10.1.1. Генератор бинарного слова................................................................. 240 10.1.2. Логический анализатор ...................................................................... 245 10.1.3. Схема проверки настроек инструментов Word Generator и Logic Analyzer .......................................................................................... 248 10.2. Логические элементы и схемы .................................................................... 250 10.2.1. Двоичные логические элементы ......................................................... 250 10.2.2. Логические схемы на элементах ИЛИ, И и НЕ ..................................... 252 10.3. Триггеры ..................................................................................................... 253 10.3.1. RSтриггер на логических элементах ИЛИНЕ .................................... 253 10.3.2. Триггеры Т, Dи JKтипа .................................................................... 255
ëÓ‰ÂʇÌË 7 10.4. Дешифратор и шифратор ........................................................................... 255 10.5. Демультиплексор и мультиплексор............................................................. 258 10.6. Цифровой компаратор ................................................................................ 262 10.7. Универсальный регистр .............................................................................. 264 10.8. Счётчики ..................................................................................................... 269 10.9. Цифроаналоговый преобразователь .......................................................... 271 10.10. Аналогоцифровой преобразователь ....................................................... 274 10.11. Оптоэлектронные приборы ....................................................................... 280 Заключение ................................................................ 285 Приложение. Каталог схемных файлов электронных устройств ................................................................ 286 Список литературы....................................................... 289 Предметный указатель ................................................. 291
è‰ËÒÎÓ‚Ë Современный прогресс развития электроники, широкое внедрение интегральных микросхем и микропроцессоров дали возможность в десятки раз уменьшить массу и размеры электронной аппаратуры управления и контроля технологическими процессами многих отраслей промышленности, причем микросхемы и микропроцессоры используются в совокупности аппаратных и программных средств с преобразователями аналоговых сигналов, с унификацией информационных магистралей. В современных электронных устройствах (дешифраторах, сумматорах, триггерах, регистрах, счетчиках и многих других) основным видом сигналов являются цифровые. Цифровая техника относится к наиболее динамично развиваемой сфере и во многом определяет общий технический прогресс. Однако и в цифровой век аналоговые компоненты остаются востребованными, причем именно цифровые технологии стимулируют разработку и выпуск аналоговых и аналогоцифровых микросхем. Ускоренное развитие электроники как области науки и техники вызывает потребность к ее познанию при подготовке специалистов многих направлений. Поэтому в Государственных образовательных стандартах предусмотрено изучение основ микроэлектроники, информационной или промышленной электроники в виде отдельной дисциплины, а для неэлектротехнических направлений подготовки бакалавров (550 000 — технические науки) и для неэлектротехнических направлений подготовки дипломированных специалистов (650 000 — техника и технологии) — в виде раздела "Основы электроники" общепрофессиональной дисциплины для вузов 651600 (150400) "Электротехника и электроника". В настоящее время имеется много хороших учебников и учебных пособий по электротехнике и электронике (перечень некоторых из них приведен в списке литературы), рассчитанных на изучение дисциплины на третьем уровне (180330 часов). В учебных планах и в рабочих программах на изучение раздела "Основы электроники" указанной дисциплины в аудитории рекомендовано не более 36 часов, включая часы, выделяемые на проведение лабораторнопрактических занятий. В рамках 8
указанного объёма часов на изучение основ электроники удаётся рассмотреть только базовые электронные приборы и узлы, их характеристики и кратко изложить инженерные приёмы расчета основных параметров указанных устройств. Многолетней практикой доказано, что процесс познания электроники неразрывно связан как с теоретическим осмыслением явлений и процессов, происходящих в электронных устройствах, так и с экспериментальными исследованиями схем электронных устройств в лаборатории. Наряду с натурными экспериментами в настоящее время широкое распространение получило компьютерное проектирование и испытание электронных схем в таких средах схемотехнического моделирования, как Electronics Workbenсh, DesignLab, PSpice, MicroLogic, LabVIEW, NI Multisim, Matlab и др. На этапе начального освоения студентами методов проектирования и испытания электронных устройств наиболее приемлемым средством, на наш взгляд, является программная среда NI Multisim 10 компании Electronics Workbenсh Group, входящей в корпорацию National Instruments. Большое количество и разнообразие моделей электронных устройств, средств анализа и виртуальных приборов делает среду MS10 удобным инструментом для демонстрации и визуализации проявления многих фундаментальных явлений и процессов аналоговой и цифровой электроники. Cхемные файлы моделей электронных устройств можно скачать с сайта издательства ДМК Пресс по адресу www.dmkpress.ru или с сайта автора www.marchenko.elinf.ru, а профессиональную либо студенческую 30дневную версию среды Multisim 10 с сайта корпорации National Instruments www.ni.com/multisim. Данное учебное пособие подготовлено на основе лекций, читаемых автором в «МАТИ» — РГТУ им. К. Э. Циолковского, и предназначено для студентов, изучающих, и молодых преподавателей, излагающих в ограниченном объёме часов, основы электроники в рамках общепрофессиональной дисциплины для вузов "Общая электротехника и электроника". Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность рецензентам рукописи пособия д. т. н., профессору А. Е. Краснопольскому (МИСиС) и к. т. н., профессору Ю. Е. Бабичеву (МГГУ) за полезные рекомендации и замечания, учтенные автором при окончательной подготовке рукописи к изданию. Автор благодарит также руководителя инновационных программ корпорации National Instruments в России П. Р. Сепояна за оказанное содействие в издании этой книги. è‰ËÒÎÓ‚Ë 9
ëÓ͇˘ÂÌËfl ÚÂÏËÌÓ‚, ‡··Â‚ˇÚÛ˚ АЛУ — арифметикологическое устройство; АЦП — аналогоцифровой преобразователь; АЧХ — амплитудночастотная характеристика; ВАХ — вольтамперная характеристика; ГТИ — генератор тактовых импульсов; ЗУ — запоминающее устройство; ЕСКД — единая система конструкторской документации; И2Л — интегральноинжекционная логическая ИМС; И, ИЛИ, НЕ — дизъюнктор, конъюнктор, инвертор; ИВП — источник вторичного электропитания; ИМС — интегральная микросхема; КМОП — ИМС на основе комплементарных МОПтранзисторов; КМДП — комплементарная МДПструктура ИМС; КОП — код операции; МДП — металлдиэлектрикполупроводник; МОП — металлокиселполупроводник; МП — микропроцессор; МПК — микропроцессорный комплект; МПС — микропроцессорная система; ОБ, ОК, ОЭ — общая база, общий коллектор, общий эмиттер; 10
ОЗ, ОИ, ОС — общий затвор, общий исток, общий сток; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; ООС — отрицательная обратная связь; ОУ — операционный усилитель; ПЗУ — постоянное запоминающее устройство; ПК — персональный компьютер; ПЛМ — программируемая логическая матрица; ПМЛ — программируемая матричная логика; ППЗУ — программируемое постоянное запоминающее устройство; ПОС — положительная обратная связь; РЕТЛ — резисторноёмкостная логическая ИМС; РПЗУ — репрограммируемое постоянное запоминающее устройство; РОН — регистры общего назначения; РТЛ — резистивнотранзисторная логическая ИМС; СБИС — сверхбольшая ИМС; СВЧ — сверхвысокая частота; СДНФ — совершенная дизъюнктивная нормальная форма; СКНФ — совершенная конъюнктивная нормальная форма; ТКС — температурный коэффициент сопротивления; ТЛНС — транзисторная логическая ИМС с непосредственной связью; ТКН — температурный коэффициент напряжения; ТТЛ — транзисторнотранзисторная логическая структура ИМС; УН, УР, УТ — усилитель напряжения, мощности, тока; УВЧ, УНЧ, УПТ — усилитель высокой, низкой, промежуточной частоты; УСВЧ — усилитель сверхвысокой частоты; УУ — устройство управления; ФАЛ — функция алгебры логики; ФЧХ — фазочастотная характеристика; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; ЦП — центральный процессор; ШИ — шинный интерфейс; ЭВМ — электронновычислительная машина; ЭДС — электродвижущая сила; ЭЛС — эмиттерносвязанная логическая структура ИМС; CDROM — привод компактдиска; ëÓ͇˘ÂÌËfl ÚÂÏËÌÓ‚, ‡··Â‚ˇÚÛ˚ 11
СISC — микропроцессор классической архитектуры; CMOS — полупроводниковая МОПструктура ИМС; DSP — цифровой сигнальный микропроцессор; MISC — микропроцессор, работающий с минимальным набором команд; MS10 — программная среда NI Multisim 10; RAM — оперативная память; RISC — микропроцессор с неполным набором команд; ROM — постоянная память; TTL — транзисторнотранзисторная логическая структура ИМС; VLIM — микропроцессор, имеющий очень длинные команды. В книге использовано большое количество терминов, связанных с работой в среде NI Multisim 10. Выделенные полужирным шрифтом термины и символьные обозначения в текстах тем 8, 9 и 10 относятся к командам, опциям, закладкам и кнопкам меню среды MS10, названиям её библиотек, обозначениям компонентов и инструментов, они набраны шрифтом обычного начертания и в таком виде, как они отображаются на экране монитора и на моделях электронных устройств. Примеры набора обозначений: команд: File, View, Open, Simulate; библиотек: TTL, Basic, Source, Mixed; названий инструментов: Multimeter, Word Generator; компонентов: OPAMP, VD1, R2, B, X1, AD846 и т. д. Однако параметры базовых элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивных катушек), используемые при написании формул и при выполнении расчётов, записаны в виде индексированных величин, например, сопротивление резистора R1 обозначено как R1, ёмкость конденсатора C2 — как С2 и т. д. ëÓ͇˘ÂÌËfl ÚÂÏËÌÓ‚, ‡··Â‚ˇÚÛ˚ 12
ǂ‰ÂÌË Современная электроника стала одним из важнейших направлений научнотехнического прогресса в мире. Создание больших и сверхбольших интегральных микросхем, микропроцессоров и микропроцессорных систем позволило организовать массовое производство электронных вычислительных машин и компьютеров высокого быстродействия, различных видов электронной аппаратуры, систем и устройств управления технологическими процессами, систем связи, экспертных, контролирующих и других систем. Электроника — это отрасль науки и техники, связанная с исследованиями, разработкой, изготовлением и применением электронных, ионных и полупроводниковых устройств. В истории развития электроники можно выделить четыре основных этапа: электронных ламп (с 1904 г.), транзисторов (с 1947 г.), интегральных схем (с 1958 г.), функциональных устройств с использованием объемных эффектов (с 1980 г.), и четыре главные области применения: электросвязь, радиоэлектронная аппаратура широкого применения, вычислительная техника и промышленная электроника. Электросвязь охватывает следующие направления техники: радиосвязь, радиовещание, телевидение, звуковое вещание, автоматическую электросвязь, многоканальную электросвязь, радиорелейную, космическую, волоконнооптическую и сотовую связи. В сфере телекоммуникаций прогнозируется, что в ближайшем будущем 80% систем связи перейдут на цифровые стандарты, произойдёт существенный скачок в развитии микросотовой персональной телефонии, на которую будет приходиться до 15% мирового рынка мобильной связи. Это обеспечит повсеместную возможность приёма и передачи информации любых форматов и объёмов. К радиоэлектронной аппаратуре относят: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны, радиолы, магнитолы, музыкальные центры, устройства бытовой автоматики, электронные часы, электронные игрушки и др. Вычислительная техника связана с разработкой и применением электронновычислительных машин, автоматизированных систем управления, систем автоматизирован13
ǂ‰ÂÌË ного проектирования, автоматизированных информационных, обучающих и контролирующих систем, гибких автоматизированных производств и др. Специалисты прогнозируют, что в ближайшие годы ожидается создание и широкое распространение карманных компьютеров, рост использования суперЭВМ с параллельной обработкой информации. Промышленная электроника включает электротехническое и энергетическое оборудование, устройства электропитания, станки с числовым программным управлением, аппаратуру автоматики, телеуправления, телеметрии, радиолокации и радионавигации, измерительную аппаратуру, лазерную технику, ядерную электронику, медицинскую аппаратуру, биологическую электронику и др. В литературе представлены многие направления развития электроники, в которых в качестве классификационных признаков выступают: специфика технологии производства, особенности использования электронных устройств, технические решения и характеристики электронных приборов и узлов и др. Среди современных направлений электроники, излагаемых в учебных дисциплинах, назовем микроэлектронику, информационную и функциональную (в том числе молекулярную) электроники. Микроэлектроника продолжает развиваться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений. В интегральной микроэлектронике используется принцип дискретной электроники, основанный на разработке электронной схемы по законам теории цепей. Этот принцип связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций. Однако повышение степени интеграции микросхем и связанное с этим уменьшение размеров элементов (уже достигнут топологический уровень 9045 нм) имеет определенные пределы. К тому же интеграция свыше сотен тысяч элементов на одном кристалле оказывается технологически трудно выполнимой и не всегда экономически целесообразной. Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально другой подход: получение специальных сред с наперед заданными свойствами, основываясь непосредственно на физических явлениях в таких материалах, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами, аморфные материалы, органические полупроводники и др. Для обработки информации используют оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука, эффект накопления и переноса зарядов в приборах с зарядной связью, явления, основанные на квантовых когерентных свойствах — эффект Джозефсона и др. Реализация элементов на указанных свойствах позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением. В функциональной микроэлектронике успешно используют явления, связанные с изменением структуры тел на молекулярном уровне. Эти явления привели к возникновению нового направления — молекулярной электроники и биоэлектроники, в которых электронные элементы и устройства организованы на уровне отдельных молекул и их комплексов. К этому направлению относят также фазовые переходы в твердых
ǂ‰ÂÌË 15 телах и жидких кристаллах, приводящие к резким изменениям электрических, магнитных и оптических свойств и высокой чувствительности к внешним воздействиям, что позволяет легко осуществлять ряд операций по управлению и преобразованию потоков информации в различных функциональных устройствах. В настоящее время ведутся большие исследования в различных направлениях биоэлектроники, результаты которых показывают, что использование явлений живой природы может привести к новой научнотехнической революции в этой области техники. К 2020 году прогнозируется начало выпуска биокомпьютеров, встраиваемых в живые организмы. Современное структурное и схемное проектирование основано на использовании мощных силовых элементов, аналоговых и цифровых микросхем, номенклатура которых чрезвычайно разнообразна. Однако в любом устройстве можно выделить основные электронные приборы, на которых они построены. Среди них выделим: электронные электровакуумные приборы (электронные лампы, электроннолучевые трубки: осциллографические кинескопы, дисплеи и др.); ионные электровакуумные или газоразрядные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой (тиратроны, игнитроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны); полупроводниковые приборы, у которых движение зарядов происходит в твёрдом теле полупроводников. Основными классами полупроводниковых приборов являются: диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы; приборы, выполненные в виде интегральных микросхем разной степени интеграции и представляющие собой совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на полупроводниковых или диэлектрических подложках. В зависимости от физической природы сигналов на входах и выходах различают четыре вида приборовпреобразователей сигналов: электропреобразовательные приборы, у которых электрические сигналы на входах и выходах; электросветовые приборы, у которых под воздействием входных электрических сигналов на выходах формируются световые сигналы; фотоэлектрические приборы, преобразующие входные световые сигналы в электрические; термоэлектрические приборы, у которых тепловые сигналы на входах и электрические на выходах. В зависимости от формы сигналов, обращающихся в устройствах, различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства и их комбинации.
Доступ онлайн
В корзину