Электронная техника


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году





М.В. ГАЛЬПЕРИН


ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА
УЧЕБНИК

2-е издание, исправленное и дополненное




               Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группам специальностей «Приборостроение», «Электроника и микроэлектроника, радиотехника и телекоммуникации», «Автоматизация и управление», «Информатика и вычислительная техника»



znanium.com

Москва ИНФРА-М 2020

УДК 621.38(075.32)
ББК 32.85я723
     Г17


      Рецензенты:
         Софиев А.Э., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технической кибернетики и автоматики Московского государственного университета инженерной экологии, генеральный директор Центрального научноисследовательского института комплексной автоматизации;
         Соколов В.В., кандидат физико-математических наук, директор Московского государственного техникума технологии, экономики и права имени Л.Б. Красина

      Гальперин М.В.
Г17 Электронная техника : учебник / М.В. Гальперин. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 352 с. — (Среднее профессиональное образование).
         ISBN 978-5-16-015415-2 (print)
         ISBN 978-5-16-107871-6 (online)
         В учебнике рассмотрены физические принципы действия и структуры электронных приборов; образование и свойства p-n-перехода, контактные явления в нем; устройство, принцип действия, основные параметры, параметрические соотношения и схемы включения полупроводниковых и фотоэлектронных приборов — диодов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов с p-n-переходом и с изолированными затворами, фоторезисторов, фото- и светодиодов, фототранзисторов и фотоумножителей.
         Приводятся подробные сведения о принципах действия типовых электронных узлов и устройств: усилительных каскадов, операционных усилителей, компараторов, генераторов сигналов и таймеров, схем передачи и отображения информации, модуляции и демодуляции. Описаны параметры и характеристики основных семейств логических и цифровых элементов, выполнение на их базе логических операций, построение цифровых узлов и их применение в электротехнических устройствах. Приведены сведения о цифровых запоминающих устройствах, структуре микропроцессоров, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях.
         Изложены принципы работы, методы расчета и защиты источников питания и схем преобразования тока электронных выпрямителей, линейных и импульсных стабилизаторов, трансформаторов постоянного тока и инверторов. Особое внимание уделено защите электронных устройств и линий связи от внешних и внутренних помех.
         Дополнен приложениями, содержащими характеристики элементов и примеры расчета электронных схем.
         Для студентов, преподавателей и всех интересующихся электронной техникой.
УДК 621.38(075.32)
ББК 32.85я723



ISBN 978-5-16-015415-2 (print)
ISBN 978-5-16-107871-6 (online)

                                           © Гальперин М.В., 2003
              © Гальперин М.В., 2014, с изменениями

                Предисловие





Электронная техника стала неотъемлемой частью современной цивилизации и включает в себя огромное число специализированных областей. Настоящий учебник включает в себя только наиболее общие элементы, необходимые для освоения курсов промышленной автоматики, измерительной, микропроцессорной и вычислительной техники. Внимание сосредоточено на основных принципах работы электронных устройств и ключевых практических сторонах их построения и эксплуатации, таких как проблема устойчивости, стабилизация режимов и защита от перегрузок и помех.
    Значительная часть книги посвящена компонентам электронных схем, их характеристикам и способам представления в виде упрощенных моделей. Эти знания нужны не только разработчику электронной аппаратуры, они нужны и тому, кто ее использует, — иначе он не сможет обеспечить ее эффективную эксплуатацию или будет применять сложное оборудование и приемы там, где можно обойтись простыми средствами.
    Внедрение компьютерной техники в системы управления технологическими агрегатами требует прежде всего грамотного построения и эксплуатации внешней «обвязки» компьютеров. Поэтому здесь уделено много места проблемам организации линий связи и технике усиления и преобразования информации, поступающей от датчиков в компьютер и от компьютера к исполнительным механизмам.
    Для работы с учебником достаточно знания математики и физики в объеме средней школы, в том числе операций с комплексными числами и элементов математического анализа. Чтобы облегчить пользование книгой неопытному читателю, ниже приведены перечни основных аббревиатур и обозначений, а также используемых единиц измерения.
    Список литературы включает в себя ряд современных изданий и учебников, а также монографий, наиболее полно отражающие рассмотренные вопросы и полезных для их углубленного изучения.
    В настоящем издании исправлен ряд опечаток и погрешностей, а также введены приложения, включающие характеристики элементов и примеры расчета электронных схем.
    Всех читателей, заметивших опечатки и иные погрешности в книге, автор просит сообщать о них в издательство.
    Автор признателен Л. Г. Мельник и Л. В. Трофимовской за благожелательную критику и поддержку.

Автор

                Основные аббревиатуры и обозначения





Заглавные буквы в индексах и на рисунках К, Б, Э означают соответственно «коллектор», «база», «эмиттер», С, З, И — «сток», «затвор», «исток».
    Под термином «земля» подразумевается провод или шина, потенциал которой принимается равным нулю.
    Символ || означает параллельное соединение элементов в электрической цепи. Например, R 11| R₂ означает параллельное соединение резисторов R 1 и R2.
    АМ — амплитудная модуляция;
    АЦП — аналого-цифровой преобразователь;
    ГР — схема гальванического разделения цепей;
    ЗУ — запоминающее устройство;
    И²Л — логические элементы с двойной инжекцией;
    КМОП — схемы и логические элементы с комплементарными полевыми транзисторами обогащенного типа со структурой ме-талл-окисел-полупроводник;
    КОСС — коэффициент ослабления синфазного сигнала;
    КОДП — коэффициент ослабления дифференциальной помехи;
    ЛАЧХ — логарифмическая амплитудно-частотная характеристика;
    МОП — структура металл-окисел-полупроводник;
    ОБ — схема с общей базой;
    ОК — схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель);
    ОУ — операционный усилитель;
    ОЭ — схема с общим эмиттером;
    ПЗУ — постоянное запоминающее устройство;
    ППЗУ — перезаписываемое постоянное запоминающее устройство;
    ПТ — полевой транзистор с p-n-переходом;
    ТТЛ — транзисторно-транзисторные логические схемы;
    ТТЛШ — транзисторно-транзисторные логические схемы с диодами (транзисторами) Шоттки;
    ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты и схемы, ее реализующие;
    ФЧХ — фазо-частотная характеристика;

Основные аббревиатуры и обозначения

5

    ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь;
    ЧИМ — частотно-импульсная модуляция;
    ЧМ — частотная модуляция;
    ШИМ — широтно-импульсная модуляция;
    ЭДС — электродвижущая сила;
    C — электрическая емкость;
    Cвп — емкость фильтра выпрямителя;
    Cк и CЭ — емкости коллекторного и эмиттерного переходов биполярного транзистора;
    Cн — емкость нагрузки;
    CЗС — емкость затвор—сток полевого транзистора;
    E — напряжение источника питания;
    Eсм — напряжение источника смещения;
    f — частота;
    УТр.в — верхняя граничная частота (полосы пропускания схемы или цепи);
    Угр.н — нижняя граничная частота (полосы пропускания схемы или цепи);
    G — проводимость;
    I — сила тока;
    1₀ — тепловой ток p-n-перехода;
    Iв, iб — ток базы биполярного транзистора для большого и малого сигнала соответственно;
    Iг — сила тока генератора или источника;
    IK — ток коллектора;
    Iк.з — ток короткого замыкания;
    Iобр — обратный ток p-n-перехода;
    IC — ток стока (канала) полевого транзистора;
    IC нач — начальный ток стока (канала) полевого транзистора;
    I,м — ток смещения дифференциального каскада или операционного усилителя;
    Iг — ток термогенерации p-n-перехода;
    IЭ — ток эмиттера;
    h₁₁Э — собственное входное сопротивление транзистора, измеряемое между базой и эмиттером, для сигнала, приложенного к базе;
    h₂₁Б — статический коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общей базой (ОБ);
    h₂₁Э — статический коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ);
    h₂₁э — коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) для малого сигнала;

Основные аббревиатуры и обозначения

   j — мнимая единица;
    K(го) — модуль коэффициента передачи на частоте го, ЛАЧХ;
    K(jГО) — комплексный передаточный коэффициент (коэффициент усиления) звена или схемы;
    kг — коэффициент нелинейных искажений (гармоник);
    Kо.с — коэффициент усиления усилителя с замкнутой обратной связью;
    Кц(jГО) — комплексный коэффициент усиления по напряжению;
    Кт — коэффициент усиления по напряжению в пределах полосы пропускания;
    L — индуктивность;
    PH — мощность в нагрузке;
    Pдоп — допустимая мощность рассеяния прибора;
    Q — электрический заряд;
    R — активное сопротивление;
    Rн и Rг — активные сопротивления нагрузки и источника;
    Rвх — входное активное сопротивление цепи или схемы;
    Rвых — выходное активное сопротивление цепи или схемы;
    r — дифференциальное активное сопротивление;
    rБ — объемное сопротивление базы биполярного транзистора или диода;
    rк — дифференциальное сопротивление коллекторного перехода на низкой частоте;
    rс — дифференциальное сопротивление стока полевого транзистора;
    rэо — объемное сопротивление эмиттера биполярного транзистора или диода;
    rэ — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода биполярного транзистора или диода;
    t — время;
    tрас — время рассасывания заряда неосновных носителей в базе;
    tфр — длительность фронта импульсного сигнала;
    T — постоянная времени или период колебаний;
    U — разность потенциалов, напряжение относительно нулевой шины (земли);
    Uа — амплитуда сигнала;
    UБэ — напряжение между внешними выводами эмиттера и базы прямосмещенного p-n-перехода эмиттер—база биполярного транзистора или диода;

Основные аббревиатуры и обозначения

7

    Uзэнас и U<энас — остаточные напряжения на базе и коллекторе насыщенного биполярного транзистора;
    Uвх, ивх — напряжение на входе цепи или схемы для большого и малого сигнала соответственно;
    Uвх.сиНф — синфазное входное напряжение;
    Uвых, ивых — напряжение на выходе цепи или схемы для большого и малого сигнала соответственно;
    Uш — напряжение затвор—исток полевого транзистора;
    Uш отс _ напряжение затвор—исток отсечки тока канала полевого транзистора;
    Uш пор — пороговое напряжение обогащенного полевого транзистора с изолированным затвором;
    U<э — напряжение между коллектором и эмиттером биполярного транзистора;
    UH — напряжение на нагрузке;
    Uси — напряжение сток—исток полевого транзистора;
    U;дв₀ — напряжение сдвига нуля дифференциального каскада или операционного усилителя;
    ио.с — напряжение обратной связи;
    uх — напряжение сигнала в суммирующей точке;
    Z(jго), Z — комплексное сопротивление;
    Z^ — комплексное сопротивление нагрузки;
    Zвх Е — комплексное входное сопротивление в суммирующей точке;
    Р — коэффициент передачи цепи обратной связи;
    у — коэффициент передачи входной цепи в схеме с обратной связью;
    А — знак малого приращения;
    £, — декремент затухания;
    0доп — допустимая температура переходов (типичное значение для кремния 150 °C);
    0окр — температура окружающей среды;
    т — время жизни носителей в базе биполярного транзистора;
    Ф — угол фазового сдвига;
    Ф₀ — температурный потенциал;
    Афк — контактная разность потенциалов;
    Ф(го) — фазочастотная характеристика;
    го — круговая частота.

                Единицы измерения и их обозначения в тексте и на рисунках




    Величина        Название     Размерность       Обозначения    
                    Секунда           с                 с         
      Время       Миллисекунда      10-3 с              мс        
                  Микросекунда      10-6 с             мкс        
                  Наносекунда       10-9 с              нс        
                      Герц           1/с                Гц        
     Частота        Килогерц        103 Гц             кГц        
                    Мегагерц        106 Гц             МГц        
                    Гигагерц        109 Гц             ГГц        
Количество элек-     Кулон          А ■ с               Кл        
тричества (заряд)  Пикокулон       10-12 Кл            пКл        
 Разность потен-     Вольт     А ■ Ом                   В         
циалов, напряже-   Милливольт  10-3 В                   мВ        
    ние, ЭДС       Микровольт  10-6 В                  мкВ        
                     Ампер       Кл/с = В/Ом            А         
    Сила тока      Миллиампер       10-3 А              мА        
                   Микроампер       10-6 А             мкА        
                   Наноампер        10-9 А              нА        
                       Ом      В/А = с/Ф = Гн/с Ом или не пишется 
                     Килоом         103 Ом          кОм или к     
  Сопротивление      Мегаом         106 Ом          МОм или М     
                     Гигаом         109 Ом          ГОм или Г     
                     Тераом        1012 Ом             ТОм        
                     Фарада      с/Ом = Кл/В            Ф         
     Емкость      Микрофарада       10-6 Ф      мкФ или не пишется
                   Нанофарада       10-9 Ф           н или нФ     
                   Пикофарада      10-12 Ф           п или пФ     
                     Генри          Ом ■ с              Гн        
  Индуктивность    Миллигенри      10-3 Гн             мГн        
                   Микрогенри      10-6 Гн             мкГн       

                Глава I ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ И ИХ МОДЕЛИ





                                  Реальный мир очень сложен, и мы вынуждены делать упрощающие допущения. О них никогда нельзя забывать и думать, что наша модель целиком отражает реальность.
Роберт Шеннон.
«Моделирование систем — искусство и наука»

Простота хуже воровства.
Пословица

1.1. Эквивалентные генераторы и простейшие цепи

Чтобы в электрической цепи протекал ток, она должна образовывать замкнутый контур. Сила тока, то есть заряд, проходящий через любое сечение контура в единицу времени, определяется законом Ома:
I = U„/( Rн + Rг),
где I — сила тока в амперах, A, Ux.ₓ — напряжение холостого хода источника тока, равное его электродвижущей силе (ЭДС) в вольтах, В, Rн и Rг — активные сопротивления нагрузки и источника в омах, Ом. Если измерить напряжение ненагруженного источника, то оно равно его электродвижущей силе. Но этим способом нельзя точно определить ЭДС, так как сам вольтметр отбирает ток от источника энергии, и при измерении ток цепи не равен нулю. Чтобы точно определить ЭДС и Rг, необходимо учесть внутреннее сопротивление вольтметра. Подключив к источнику известное сопротивление нагрузки (рис. 1.1, а), обнаружим, что прибор покажет напряжение UH = IRH < Uₓ.ₓ, где UH и RH известны, поэтому можно подсчитать I. При появлении тока I «внутри» источника происходит падение напряжения на внутреннем сопротивлении Rг. Таким образом, источник электрической энергии можно представить как генератор напряжения Uₓₓ, соединенный последовательно с его внутренним сопротивлением Rг.

Глава 1. Элементы схем и их модели

а)                                  6)

Рис. 1.1. Представление источника электрического тока в виде генератора напряжения холостого хода Uₓ.ₓ с последовательным внутренним сопротивлением Rг (а) и в виде генератора тока короткого замыкания Iк.з с параллельным внутренним сопротивлением Rг (б)

    Сам генератор напряжения не имеет внутреннего сопротивления, оно равно нулю. Поэтому токи, порождаемые внешними источниками, через генератор напряжения замыкаются накоротко. При коротком замыкании ток генератора напряжения теоретически бесконечен. Генераторов напряжения в природе не бывает, — каждый источник электрического тока обладает конечным внутренним сопротивлением. Генератор напряжения — это модель источника, справедливость которой связана с обязательным выполнением неравенства RГ << RH. Очевидно, что схемы — источники с малыми RГ, близкие по свойствам к генераторам напряжения, не следует включать между собой параллельно во избежание возникновения больших токов.
    Нередко в электронных схемах ближе к истине оказывается модель источника электрической энергии или сигнала, соответствующая не неизменному напряжению на нагрузке Rн, а току в ней, мало зависящему от сопротивления Rн. Из закона Ома видно, что это выполняется, если RГ >> Rн. Так как для любого источника ЭДС действует правило Ux.x = Iк.зRГ, источник можно представить генератором тока короткого замыкания Iк.з, не зависящим от сопротивления нагрузки Rн, то есть источником с бесконечно большим внутренним сопротивлением. Внутреннее сопротивление RГ реального источника в этой модели включено параллельно генератору тока Iк.з (рис. 1.1, б). Так как UH = IRГ, а Iк.з источника — генератора тока не зависит от нагрузки (ток всегда равен току короткого замыкания I = Iк.з, в том числе при Rн = 0), то при размыкании цепи нагрузки Rн ^ да и UH ^ да — на выходе источника тока должно оказаться бесконечно большое напряжение, что невозможно. Отсюда следует, что генераторы тока можно включать параллельно, но нельзя — последовательно.
    Таким образом, если генератор напряжения «не терпит» коротких замыканий выхода (ток короткого замыкания Iкз ^ да), то генератор тока, наоборот, «не терпит» холостого хода (напряжение холостого хода их.х ^ да). Это правило построения моделей электриче