Прикладная электроника

А.В. СитникоВ
и.А. СитникоВ

Учебник

Москва
КУРС 
ИНФРА-М 
2020

ПриклАднАя 
электроникА 

Рекомендовано Экспертным советом при ГБОУ ПО ДогМ 
для использования в образовательном процессе 
профессиональных образовательных организаций 
города Москвы в качестве учебника для студентов среднего 
профессионального образования по специальности 
09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы»

Среднее профеССиональное образование

Удк 621.38(075.8)
ббк 32.85я73

ISBN 978-5-906923-28-8 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012758-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103303-6 (ИНФРА-М, online)
В книге описаны основные свойства полупроводниковых материалов, 
процессы, происходящие в p-n-переходе, приводятся характеристики полупроводниковых электронных элементов, рассмотрены принципы действия и методы расчета электронных схем. В книге описаны как аналоговые, так и цифровые элементы и устройства, приводятся краткие сведения 
о структуре, системе команд, принципе работы процессоров и микроконтроллеров.
Книга предназначена для учащихся среднетехнических профессиональных учебных заведений, а также студентов начальных курсов высших 
учебных заведений.

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73

С41

Р е ц е н з е н т:
Н.В. Барышников — д-р техн. наук, руководитель НУК РЛМ МГТУ 
им. Н.Э. Баумана

Ситников А.В.
Прикладная электроника : учебник / А.В. Ситников, И.А. Ситников. — Москва: КУРС: ИНФРА-М, 2020. — 272 с. — (Среднее профессиональное образование).

С41

© А.В. Ситников,  
И.А. Ситников, 2017
© КУРС, 2017

ISBN 978-5-906923-28-8 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012758-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103303-6 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Предисловие

Представленная вашему вниманию книга имеет целевую аудиторию. Она предлагается в первую очередь учащимся технических колледжей и студентам начальных курсов технических вузов. Поэтому 
материал, представленный в книге, имеет структуру, согласованную 
с федеральным государственным образовательным стандартом для 
среднего профессионального образования.
Однако целью авторов книги является не только дать в руки учащихся источник информации, позволяющий выполнить домашние 
задания и другие контрольные мероприятия по курсу «Электроника» 
в процессе обучения, но и предложить инструмент, освоив который 
молодой специалист сможет легко ориентироваться в структуре электронных схем, анализировать принцип их работы, а также самостоятельно составлять и рассчитывать несложные электронных схемы.
По глубокому убеждению авторов, в основе уверенного освоения 
материала технического характера лежит понимание физических 
процессов, протекающих в различных системах. Поэтому в первом 
разделе книги описываются базовые понятия теории электричества — 
заряд, потенциал, электромагнитное поле; даны определения и характеристики основных электрических элементов — резистора, катушки индуктивности, конденсатора, источников ЭДС и тока; описываются структура и свойства материалов, используемых для 
создания электронных компонентов — полупроводников.
Во втором разделе книги описываются основные электронные 
элементы диодного и транзисторного типов, представлены их вольтамперные характеристики, освещаются методики расчета электрических схем, содержащих эти элементы.
Третий раздел посвящен анализу электронных устройств, созданных на базе описанных во втором разделе книги электронных компонентов. Особое внимание уделено принципам построения усилительных каскадов различного типа, активным фильтрам, электронным ключам, генераторам электрических колебаний. Четвертый 
раздел книги является логическим продолжение третьего раздела, так 
как в нем рассмотрены вопросы создания комплексного электронного устройства — вторичного источника питания радиоэлектронной 
аппаратуры. В этом разделе представлены различные типы источников, приведены схемы и предложены методики расчетов блоков, 
входящих в состав этого устройства.

Пятый раздел книги посвящен цифровой электронике. В первых 
главах раздела рассматриваются достоинства и недостатки цифрового представления электрического сигнала, описаны основные правила логической арифметики и базовые логические элементы, с помощью которых реализуются различные логические функции. Затем 
авторы переходят к описанию сложных логических элементов цифровой электроники. В книге приводится описание принципа действия, обозначения характеристик и параметров таких элементов, 
как шифраторы, мультиплексоры, сумматоры, компараторы, триггеры, счетчики и др., приведены принципы построения элементов 
памяти и программируемых логических интегральных схем. В завершающих главах раздела описываются принцип действия, архитектура 
и командная система процессоров и микроконтроллеров.
Для упрощения усвоения представленного в книге материала 
в книге имеется множество иллюстраций и примеров выполнения 
расчетов электронных схем, как аналоговых, так и цифровых.
Материал, представленный в книге, базируется на курсе лекций, 
читаемых в МГТУ им. Н.Э. Баумана студентам электротехнических 
специальностей.
Авторы надеются, что лаконичность и доступность изложения 
материала сделают книгу не только полезной, но и приятной при 
чтении.

Глава 1

Физические основы  
электроники

1.1. электрический заряд и электрическое поле

На сегодняшний день модель атома представляется как совокупность отрицательных и положительных элементарных зарядов. Отрицательным зарядом обладает электрон (e0
19
1 602176565 10
=
⋅
– ,
 Кл), 
положительным — протон. Заряд протона равен заряду электрона.
В исходном состоянии в атоме количество электронов равно 
числу протонов; следовательно, заряд атома равен нулю. Но при воздействии на атом какой-либо внешней энергии (тепловой, механической, световой, электрической и т.д.) электрон может потерять 
связь с атомом и перемещается в пространстве. При этом будет меняться электрическое состояние атома. Если атом вещества теряет 
один или несколько электронов, то он превращается в положительный ион, если приобретает, то становится отрицательно заряженным 
ионом.
Электрические заряды или заряженные тела создают вокруг себя 
электрическое поле. электрическое поле — это вид материи, представляющей собой пространство вокруг заряда или заряженного 
тела, в котором обнаруживается действие сил на пробный заряд, помещенный в это поле. Электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами, называется электростатическим.
Электрические заряды и заряженные тела взаимодействуют друг 
с другом. Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, разноименные — притягиваются. Сила взаимодействия Fст между зарядами q1 и q2 зависит от величины зарядов, расстояния между ними 
и свойств среды, в которой они находятся:

F
q q
r
a

ст =
1 2
2
4π
e
,

где Fст — сила взаимодействия между зарядами, Н (ньютон); q1 и q2 — 
заряды, Кл (кулон); r — расстояние между зарядами, м (метр); ea — 
абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, в которой нахо

дятся заряды, Ф/м (фарад на метр). Это выражение получило название закона Кулона.

1.2. электрический потенциал,  
напряжение, электрический ток

Если в электрическое поле поместить пробный заряд, то этот заряд в результате действия на него силы будет перемещаться. На это 
перемещение будет тратиться энергия электрического поля. Потенциалом данной точки поля называется работа, которую затрачивает 
электрическое поле на перемещение положительного единичного 
заряда из данной точки поля в бесконечно удаленную точку. Единицей измерения потенциала является вольт [В]. Величину разности 
потенциалов двух точек поля называют электрическим напряжением. 
Единицей измерения напряжения является вольт [В].
В равномерном электрическом поле положительные и отрицательные заряды будут перемещаться в противоположных направлениях, при этом будет изменяться суммарная величина заряда в данной точке пространства. Изменение заряда в единицу времени называют электрическим током:

I
dq
dt
=
,

где I — сила тока; q — суммарная величина заряда в данной точке 
пространства; t — время. Сила тока измеряется в амперах [А].

1.3. взаимодействие движущихся зарядов.  

движение заряда в электрическом  
и магнитном поле

При движении зарядов между ними обнаруживается силовое 
взаимодействие, для объяснения которого недостаточно закона Кулона. Взаимодействие движущихся зарядов проявляется в притягивании (отталкивании) двух проводников с током. Сила Fдин этого 
взаимодействия пропорциональна силе тока, длине проводника, 
обратно пропорциональна расстоянию между проводниками и зависит от свойств среды, в которой находятся проводники:

F
I I l
r
дин =
1 2
0

2
m
π ,

где I1, I2 — токи в проводниках; r — расстояние между проводниками; l — длина проводника; m0 — магнитная проницаемость среды. 

Для объяснения явления взаимодействия движущихся зарядов 
было введено понятие магнитного поля. Можно записать, что на два 
движущихся заряда кроме стационарной силы Кулона (Fc), действует 
динамическая сила Ампера (FA) — сила магнитного взаимодействия. 

Если принять I
r
B
m
π

0

2
=
, то величину силы магнитного взаимодей
ствия можно записать в виде

F
IBl
А =
,

где FA — максимальная величина силы Ампера; I — ток, протекающий в проводнике длиной l; B — индукция магнитного поля. 
Тогда на один заряд действует сила, которую называют силой Лоренца:

F
qVB
Л =
sin ,
a

где FЛ — сила Лоренца; q — заряд; V — скорость движения заряда 
в магнитном поле; B — индукция магнитного поля; a — угол между 
направлением движения заряда и вектором магнитной индукции.
Сила Ампера в классической электродинамике определяется как 
векторное произведение скорости движения заряда (тока) и магнитной индукции:

F
q V
B
А =
×
[
],

где FА — вектор силы, действующей на движущийся со скоростью V 
заряд q во внешнем магнитном поле индукции B; V — вектор скорости; B — вектор магнитной индукции.
Таким образом, под воздействием электрического или магнитного 
поля элементарный отрицательный заряд (электрон) будет изменять 
свое положение в пространстве.
Если между двумя пластинами в вакууме существует разница потенциалов, т.е. равномерное электрическое поле, то на электрон, 
находящийся между ними, будет действовать сила, направленная 
к положительно заряженной пластине (рис. 1.1).
Сила F (см. рис. 1.1) заставит двигаться электрон по прямой 
с ускорением, совпадающим по направлению с направлением силы.
Если электрон перед попаданием в электрическое поле двигался 
в направлении, перпендикулярном силовым линиям электрического поля, то под действием силы F (рис. 1.2) электрон будет двигаться по криволинейной траектории с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном силовым линиям электрического 
поля, и с ускорением вдоль силовых линий. После выхода из об

ласти влияния электрического поля электрон будет двигаться 
по прямой.
Движение электрона в магнитном поле отличается от движения 
в электрическом поле тем, что в электрическом поле направление 
силы, действующей на заряд, не меняется, а в магнитном поле сила, 
действующая на заряд, всегда остается перпендикулярной силовым 
линиям магнитного поля, т.е. зависит от положения электрона в пространстве. Поэтому если электрон влетает в магнитное поле под 
углом в 90° к силовым линиям магнитного поля, то он начинает двигаться по круговой траектории, лежащей в плоскости, перпендикулярной силовым линиям. Если угол траектории электрона не равен 90°, то движение электрона будет представлять собой спираль 
(рис. 1.3).
Перечисленные выше эффекты используются в различных электронных устройствах, таких как осциллограф, электровакуумные приборы, ускорители элементарных частиц и т.д.

U
F

e

+

+

−
−

−

−
−

+
+
+

−

рис. 1.1. Электрон в электрическом поле

U

F

F

e
e

+

+

−

−

−

−
−
−

+
+
+

−

V

V

рис. 1.2. Движение электрона в электрическом поле

1.4. основные элементы электрических цепей

Для формирования в электрических цепях требуемых напряжений 
и токов используются активные и пассивные элементы. Пассивные 
элементы преобразуют электрическую энергию в другие виды энергий, активные — преобразуют другие виды энергий в электрическую. 
К основным пассивным элементам электрических цепей относятся 
резистор, конденсатор и катушка индуктивности.

резистор — это элемент, на котором напряжение и ток пропор
циональны: u
Ri
=
, или i
u
R
=
, где R — коэффициент пропорциональ
ности между напряжением u и током i (параметр резистивного элемента), называемый сопротивлением. Сопротивление измеряют 
в омах [Ом].
В резисторе происходит необратимый процесс преобразования 
электромагнитной энергии в тепло. Необходимо ясно понимать, что 
резистор устанавливается в цепь для управления током или напряжением, а выделение тепла является побочным явлением, для 
борьбы с которым часто приходится применять особые средства, 
например устанавливать в систему охлаждающие устройств (пассивные — радиаторы, активные — вентиляторы). Иногда резисторы используются в качестве нагревателей, например в калориферах, термостатах, электрочайниках. Символьное обозначение резистивного 
элемента и его вольт-амперная характеристика (ВАХ) представлены 
на рис. 1.4.

N

S

e
e
−

−

−
−

рис. 1.3. Движение электрона в магнитном поле

Вольт-амперные характеристики резистора могут быть линейными (рис. 1.4, прямая 1) или нелинейными (рис. 1.4, кривая 2). Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью: 

G
R
i
u
=
=
1
. Единицей проводимости является сименс [См].

конденсатор (емкостной элемент) — это идеализированный элемент цепи, в котором напряжение и ток связаны по интегральному 
закону для напряжения и по дифференциальному — для тока: 

u
C i dt i
dq
dt
C du
dt
C
C
C
C
=
=
=
∫
1
;
,

где C — емкость (параметр емкостного элемента). Емкость измеряют 
в фарадах [Ф].
Символьное обозначение емкостного элемента и его кулон-вольтная характеристика представлены на рис. 1.5.

Кулон-вольтная характеристика емкостного элемента, т.е. зависимость заряда на обкладках конденсатора от напряжения, может быть 
линейной (рис. 1.5, прямая 1) или нелинейной (рис. 1.5, кривая 2).

R
i

u

u, B

i, A

1

2

рис. 1.4. Схемное изображение резистора и его ВАХ

C
iC

uC

q, Кл

uC, B

1

2

рис. 1.5. Схемное изображение конденсатора  
и его кулон-вольтная характеристика