Схемотехника радиоэлектронных устройств

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

А. В. КРАВЕЦ

СХЕМОТЕХНИКА 

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ 

УСТРОЙСТВ 

Учебное пособие

Ростов-на-Дону − Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2021

Оглавление

2

УДК 621.375(075.8)+621.382(075.8)
ББК 32.846+3285

К771

Печатается по решению кафедры 

встраиваемых и радиоприемных систем

Института радиотехнических систем и управления

Южного федерального университета
(протокол № 8 от 10 марта 2019 г.)

Рецензенты:

кандидат технических наук, заведующий кафедры радиотехнических 

систем Института радиотехнических систем и управления ЮФУ 

В. Т. Лобач

кандидат технических наук, заведующий отделом «Алгоритмического 

обеспечения систем автоматической обработки изображений»
«АО Научно-конструкторское бюро вычислительных систем» 

И. В. Сидько

Кравец, А. В.

К771
Схемотехника радиоэлектронных устройств : учебное пособие /

А. В. Кравец ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-
Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2021. – 156 с.

ISBN 978-5-9275-3746-4
Соответствует программе курса «Схемотехника радиоэлектронных устройств» 
для студентов всех форм обучения по направлению «Радиотехника».

УДК 621.375(075.8)+621.382(075.8)

ББК 32.846+3285

ISBN 978-5-9275-3746-4

© Южный федеральный университет, 2021
© Кравец А. В., 2021
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2021

Оглавление

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………...………………………………………………...
7

Глава 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ ……
8

1. Проводники и диэлектрики ….……………………………………...
8

1.1. Металлы и неметаллы …………………………………………...
9

1.2. Полупроводники …………………………………………………
10

1.2.1. Кристаллическая решетка ……………………………………
11

1.2.2. Свободные электроны и дырки ………………………………
11

1.2.3. Проводимость в полупроводниках …………………………..
13

1.2.4. Температурная зависимость …………………………………
13

1.2.5. Примесные полупроводники …………………………………..
14

1.3. Электронно-дырочный переход (р–n-переход) ……………...
15

1.3.1. р–n-переход в равновесном состоянии ……………………….
15

1.3.2. Смещение р–n-перехода в прямом направлении …………...
17

1.3.3. Смещение р–n-перехода в обратном направлении ………..
18

1.4. Характеристики диода ………………………………………...
19

1.5. Полупроводниковые стабилитроны ………………………….
19

1.5.1. Характеристики стабилитрона …………………………….
21

1.5.2. Применение стабилитронов ………………………………….
22

1.6. Диоды Шоттки …………………………………………………
23

1.6.1. Кремниевые диоды Шоттки …………………………………
24

1.6.2. Диоды Шоттки из карбида кремния ……………………….
25

1.7. Фотодиоды ……………………………………………………..
27

1.8. Излучающие диоды ……………………………………………
28

1.9. Оптроны ………………………………………………………..
28

1.10. Варикапы ……………………………………………………...
29

1.11. Туннельные диоды …………………………………………...
30

1.12. Динистор ……………………………………………............
31

1.13. Диак …………………………………………………………...
35

1.14. Тиристор ………………………………………………………
38

1.15. Симистор ……………………………………………………...
43

1.16. Биполярный транзистор ……………………………………..
46

1.16.1. Переход база-эмиттер ………………………………………
48

Оглавление

4

1.16.2. Изготовление транзистора …………………………………
48

1.16.3. Работа транзистора …………………………………………
49

1.16.4. Коллекторный переход ……………………………………….
50

1.16.5. Эмиттерный переход базы ………………………………….
50

1.17. Полевые транзисторы ………………………………………..
51

1.17.1. Введение в полевые транзисторы …………………...
51

1.17.2. Структура полевого транзистора с управляющим р–n-переходом ……………………………………………………………………....

52

1.17.3. Принцип действия полевого транзистора с управляющим 
р–n-переходом ………………………….………………………....
53

1.17.4. Стоковые характеристики …….………………………..
55

1.17.5. Уравнение Шокли ……………………………………………...
57

1.17.6. Смещение полевого транзистора с управляющим р–n-переходом …………………………………………………….……………...

57

1.17.7. Анализ схемы с автоматическим смещением …………..
58

1.17.8. МОП-транзисторы …………………………………………...
59

1.17.9. МОП-транзисторы со встроенным каналом и с индуцированным 
каналом ……………………………………………..
61

1.17.10. Принцип действия МОП-транзистора ……………….
62

1.17.11. Схемы смещения МОП-транзисторов ………………..
62

Глава 2. УСИЛИТЕЛИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ
НА

ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ………………………………………..
64

2.1. Параметры и характеристики усилителей электрических 
сигналов ………………………………………………………………
64

2.2. Простейшие усилительные каскады, задание рабочей точки ...
70

2.3. Основные схемы усилительных каскадов на биполярном 
транзисторе ………………………………………………………….
75

2.3.1. Схема с общим эмиттером …………………………………..
75

2.3.1.1. Схема с общим эмиттером в области средних 
частот ……………………………………………………………….
75

2.3.1.2. Схема с общим эмиттером в области низких 
частот ……………………………………………………………….
78

2.3.1.3. Схема с общим эмиттером в области высоких 
частот ……………………………………………………………….
81

Оглавление

5

2.3.2. Схема с общей базой ……………………………………………
85

2.3.2.1. Схема с общей базой в области средних частот ……
85

2.3.2.2. Схема с общей базой в области низких частот ……..
87

2.3.2.3. Схема с общей базой в области высоких частот ……
87

2.3.3. Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) …
88

2.3.3.1. Схема с общим коллектором в области средних частот
88

2.3.3.2. Схема с общим коллектором в области низких частот ...
92

2.3.3.3. Схема с общим коллектором в области высоких частот
92

2.4. Обратная связь (ОС) …………………………………………….
92

2.4.1. Основные параметры и определения …………………………
92

2.4.2. Параллельная обратная связь по напряжению (Y-типа) …
95

2.4.3. Последовательная обратная связь по напряжению (Н-типа) ..
97

2.4.4. Последовательная обратная связь по току (Z-типа) …….
98

2.4.5. Параллельная обратная связь по току (G-типа) …………..
100

2.4.6. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и 
помехи ……………………………………………………………………….
102

2.4.7. Влияние последовательной OOC по напряжению на стабильность 
коэффициента усиления усилителя ………………………..
103

2.4.8. Расширение полосы рабочих частот в малосигнальном 
режиме с помощью обратной связи ………………………………….
104

2.4.9. Устойчивость усилителей с отрицательной обратной 
связью ……………………………………………………………………….
105

2.5. Токовое зеркало …………………………………………………
107

2.6. Дифференциальный каскад (ДК) ……………………………….
113

2.6.1. Общие сведения ……………………………………………………
113

2.6.2. Малосигнальные усилительные параметры ДК ……………
116

2.7. Широкополосные усилители …………………………………...
120

2.7.1. Общие сведения ……………………………………………………
120

2.7.2. Расширение полосы пропускания в области низких частот ...
120

2.7.3. Расширение полосы пропускания в области высоких частот ...
120

Глава 3. УСИЛИТЕЛИ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ ...
129

3.1. Основные сведения об операционных усилителях ……………
129

3.2. Основные параметры операционных усилителей …………….
131

3.3. Основные схемы включения операционных усилителей …….
141

3.3.1. Инвертирующий усилитель ……………………………………..
141

Оглавление

6

3.3.2. Неинвертирующий усилитель ………………………………….
144

3.3.3. Повторитель ………………………………………………………
144

3.3.4. Разностный усилитель …………………………………………..
145

3.4. Сумматоры ……………………………………………………….
147

3.4.1. Инвертирующий сумматор ……………………………………..
147

3.4.2. Неинвертирующий сумматор ………………………………….
148

3.5. Компараторы …………………………………………………….
149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………
153

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………..
154

Оглавление

3

ВВЕДЕНИЕ

В нашем «цифровом мире» иногда кажется, что аналоговым электронным 
устройствам осталось место только в музее. Но в реальном мире 
большинство сигналов аналоговые по своей природе, поэтому даже в 
самых современных смартфонах, компьютерах, мониторах и любых дру-
гих цифровых приборах есть часть схемы, построенная на аналоговых 
элементах.

Современная схемотехника радиоэлектронных устройств решает 

несколько основных задач.

Во-первых, усиление слабых сигналов до уровня, необходимого 

для работы аналогово-цифрового преобразователя.

Во-вторых, усиление сигналов с выхода цифро-аналогового преоб-

разователя до необходимого уровня (усиление по мощности).

В-третьих, получение питающих напряжений для работы схемы. 

Устройства вторичного питания рассматриваются в отдельном предмете, 
поэтому речь в данном учебном пособии пойдет о различных усилитель-
ных устройствах и простейших устройствах преобразования сигнала.

Оглавление

8

Глава 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ

1. Проводники и диэлектрики

Химические элементы и соединения можно классифицировать по 

различным признакам. Одним из вариантов классификации является под-
разделение веществ на проводники и диэлектрики. Идеальный проводник 
не оказывает сопротивления электрическому току, а сопротивление ди-
электрика равно бесконечности, т.е. через идеальный диэлектрик ток не 
протекает. Хотя идеальные проводники и диэлектрики в природе не суще-
ствуют, материалы, близкие по свойствам к тому и другому виду, встре-
чаются довольно часто.

Способность материала проводить электрический ток оценивается 

его удельным сопротивлением (р). Удельное сопротивление материала –
это сопротивление одного кубического сантиметра этого материала 
(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Удельное сопротивление материала

Удельные сопротивления некоторых материалов приведены в 

табл. 1.1. За единицу удельного сопротивления принят Ом∙см. Как видно 
из таблицы, хороший проводник имеет удельное сопротивление около 
2 ∙ 10 -6 Ом∙см, тогда как удельное сопротивление диэлектриков – около 
1014Ом∙см. Таким образом, разница между удельными сопротивлениями 
диэлектриков и проводников огромна ( ~ 1020 Ом см).

Таблица 1.1

Удельные сопротивления диэлектриков и проводников

Материал
р, Ом см

Проводники
Алюминий
2,63∙10-6

1.1. Металлы и неметаллы

9

Окончание табл. 1.1

Материал
р, Ом см

Медь
1,72∙10-6

Золото
2,44∙10-6

Железо
5,3∙10-6

Серебро
1,62∙10-6

Углерод
0,35

Полупроводники
Германий
45

Кремний
230 000

Янтарь
5∙1016

Диэлектрики
Слюда
1,3∙1014

Стекло
1014

Древесина
3∙1010

Сопротивление любого вещества, если известны его удельное со-

противление и форма, может быть определено согласно уравнению (1.1):

,
A
pl
R =
(1.1)

где р–удельное сопротивление материала; l – длина образца (см); А – его 
площадь (см2).

Из (1.1) следует, что сопротивление между противоположными гра-

нями кубического сантиметра меди равно ~ 10 -6 Ом, т.е. близко к нулю, 
тогда как сопротивление такого же кусочка слюды ~ 1,3∙1013 Ом, что можно 
рассматривать как бесконечно большое. Эти материалы имеют экстремаль-
ные различия. Поэтому медь является одним из лучших и наиболее широко 
используемых проводников, а слюда часто используется как изолятор.

1.1. Металлы и неметаллы

Атомы любого элемента состоят из протонов и нейтронов, образу-

ющих ядро атома, вокруг которого движутся электроны, причем число 
электронов равно числу протонов. Электроны располагаются на орбитах,
или на энергетических уровнях, и самые удаленные уровни образуют ва-
лентную зону. Заполненная валентная зона содержит восемь электронов и 
весьма стабильна.

Металлы имеют заполненные энергетические уровни и один или 

два электрона во внешней, или валентной, зоне. На рис. 1.2 представлена 

Глава 1. Электронные материалы и компоненты

10

диаграмма атома меди, который имеет заполненные оболочки с 2, 8 и 
18 электронами, называемыми К-, L- и М-орбитами, и один дополнитель-
ный электрон на N-орбите, которая является валентной зоной. Электрон, 
расположенный на N-орбите, имеет очень слабую связь с ядром, поэтому он 
легко покидает зону своего атома и свободно перемещается между другими 
атомами. Таким образом, каждый атом меди испускает свободный элек-
трон, который движется произвольно. Под действием электрического поля 
движение свободных электронов становится направленным. Этим объясня-
ется высокая проводимость меди и других металлов.

Рис. 1.2. Простейшая модель атома меди

Элементы-неметаллы и их соединения обычно имеют частично за-

полненную валентную зону, в которой недостает одного или двух элек-
тронов. И в неметаллах, и в их химических соединениях электроны имеют 
сильную связь с ядром. Поэтому лучшими проводниками являются ме-
таллы. Например, золото является хорошим проводником и не окисляется, 
но оно весьма дорого. Иногда оно используется при изготовлении печат-
ных плат, особенно на печатных контактах, которые обеспечивают под-
ключение к внешним соединителям. Медь много дешевле и широко ис-
пользуется в качестве проводника.

1.2. Полупроводники

Использование полупроводников обеспечило прогресс электронной 

промышленности благодаря созданию таких твердотельных приборов, как 
диоды, транзисторы и интегральные схемы. Атомы углерода, германия и 

1.2. Полупроводники

11

кремния имеют по четыре электрона в валентных зонах. Они занимают 
промежуточное положение между металлами и неметаллами и называют-
ся полупроводниками. В табл. 1.1 показано, что их удельное сопротивле-
ние много выше, чем у металлов, и гораздо ниже, чем у диэлектриков.

Первым полупроводниковым материалом, примененным в элек-

тронике, был германий, но в настоящее время основным элементом, ис-
пользуемым в транзисторах и диодах, является кремний, который имеет 
некоторые преимущества.

1.2.1. Кристаллическая решетка

Рис. 1.3. Расположение атомов в кристалле двумерное представление

Как уже говорилось, и кремний, и германий имеют по четыре ва-

лентных электрона на внешней оболочке. Для того чтобы заполнить эту 
оболочку, атомы располагаются в кристаллической решетке таким образом, 
что каждый из них связан своими валентными электронами с четырьмя 
соседними атомами, образуя ковалентную связь. Упрощенная 
двумерная модель (рис. 1.3) дает наглядное представление о ковалентных 
связях. Заметим, что каждое ядро окружено восемью электронами, обеспечивающими 
ковалентные связи в кристаллической решетке.

1.2.2. Свободные электроны и дырки

В идеализированной модели атома (см. рис. 1.3) свободные электроны, 
способные проводить ток, отсутствуют, и материал является диэлектриком. 
Но уже при комнатной температуре некоторые электроны 

Глава 1. Электронные материалы и компоненты

12

приобретают достаточную энергию для того, чтобы порвать ковалентную 
связь и покинуть собственные атомы. Когда электрон теряет ковалентную 
связь, он становится проводником электричества. На его месте образуется 
так называемая дырка. Кристалл кремния с нарушенной ковалентной связью 
представлен на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Кристалл кремния с нарушенной ковалентной связью

Дырки также являются проводниками электричества. Это объясняется 
тем, что при очень незначительной энергии электрон из одной кова-
лентной связи занимает место дырки в соседней ковалентной связи. Ды-
рочная проводимость иллюстрируется на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Дырочная проводимость

Предположим, что сначала дырка была в точке В, а электрон нахо-

дился в точке А. На рис.1.5 показано, как электрон перемещается из точ-
ки А в точку В. Это соответствует движению дырки от точки В к точке А. 
Заметим, что дырки движутся в направлении, противоположном направ-
лению движения электронов.

1.2. Полупроводники

13

1.2.3. Проводимость в полупроводниках

Под действием электрического поля полупроводник проводит ток 

за счет перемещения и свободных электронов, и дырок. Электроны дви-
жутся в направлении, противоположном принятому направлению проте-
кания тока, а движение дырок совпадает с условным направлением тока.

Общий ток в полупроводнике, таким образом, является суммой ды-

рочной и электронной проводимостей. Удельная электропроводность 
определяется как способность материала проводить электричество и 
является величиной, обратной удельному сопротивлению. Единица 
удельной электропроводности − сименс на сантиметр (См/см)1. Удельная 
электропроводность (δ) любого материала зависит как от количества сво-
бодных электронов, так и от их подвижности (способности двигаться, ко-
гда приложено электрическое поле).

Удельная электропроводность определяется уравнением (1.2), где 

n – число свободных электронов, μn – подвижность электронов, р – число 
дырок, μp – подвижность дырок и е– заряд электрона (1,6-10-19 Кл):

(
) .e
p
n
n
n



+
=
(1.2)

В беспримесном, или собственном, полупроводнике число свобод-

ных электронов должно быть равно числу дырок, потому что каждый 
электрон, который покидает ковалентную зону, образует на своем месте 
дырку. Число электронов или дырок называется собственной концентра-
цией носителей заряда, п i .

1.2.4. Температурная зависимость

При нагреве окружающей среды первоначальная энергия электро-

нов в ковалентных связях возрастает и может стать достаточной, чтобы 
порвать эти связи. Электроны становятся носителями заряда и оставляют 
после себя дырки, которые тоже становятся носителями заряда. Это назы-
вается термогенерацией электронно-дырочных пар. В действительности 
электрон в кристалле хаотично движется короткое время, а затем занима-
ет место какой-либо дырки. Тем временем возникают другие электронно-
дырочные пары, так что при любой температуре концентрация носителей 
заряда равновесна. При увеличении температуры окружающей среды воз-
растает число электронов с энергией, достаточной для преодоления кова-

Глава 1. Электронные материалы и компоненты

14

лентных связей, и процесс термогенерации электронно-дырочных пар 
нарастает очень быстро. Экспериментальные данные показывают, что 
удельная электропроводность германия или кремния удваивается при 
увеличении температуры от нормальной (300 К) на каждые 10°С.

1.2.5. Примесные полупроводники

Свойства собственных полупроводников могут быть значительно 

улучшены, если в кремниевую кристаллическую решетку ввести неболь-
шое количество примеси, называемой легирующей. Существует два типа 
легирующих примесей: донорные атомы, которые образуют кремний или 
германий n-типа проводимости, и акцепторные атомы, которые образуют 
p-тип проводимости.

Донорная примесь является элементом с пятью электронами в ва-

лентной зоне, например мышьяк или сурьма. Кристаллическая решетка с
введенным пятивалентным донорным атомом показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Легирование донорной примесью

Из рис. 1.6 видно, что четыре из пяти валентных электронов примеси 
образуют ковалентные связи с соседними атомами кремния, пятый 
электрон становится свободным. При донорном легировании кремния 
почти все носители являются электронами, или отрицательными зарядами, 
и такой кремнии называется кремнием n-типа. Необходимо заметить, 
что хотя количество добавок очень незначительно, оно оказывает суще-