Введение в электронику и цифровую технику

A. X. Султанов, А. Л. Тимофеев












ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОНИКУ И ЦИФРОВУЮ ТЕХНИКУ



Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области электроники и связи в качестве учебного пособия для группы направлений и специальностей 11.00.00 «Электроника, радиотехника
и системы связи»





















Москва Вологда « Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.37
ББК 32.88
С89

Рецензенты:
к. т. н., доцент (УУНиТ) Мешков ИК.;
к. т. н., доцент (УУНиТ) Гизатулин А. Р.











    Султанов, А. X.
С89 Введение в электронику и цифровую технику : учебное пособие / А. X. Султанов, А. Л. Тимофеев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 72 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1578-1

           Кратко изложены основы полупроводниковой электроники и цифровой техники.
           Для подготовки бакалавров и магистров по группе направлений и специальностей «Электроника, радиотехника и системы связи».

УДК 621.37
ББК 32.88








ISBN 978-5-9729-1578-1

     © Султанов А. X., Тимофеев А. Л., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ........................................................5
Глава 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ.....................................6
  1.1. История развития радиоэлектроники........................6
  1.2. Классификация и современное состояние электроники.......13
  1.3. Электровакуумные приборы................................14
  1.4. Полупроводниковая электроника...........................17
    1.4.1. Полупроводники. Два вида электропроводимости полупроводников............................................17
    1.4.2. Электронно-дырочный переход (p-n переход)...........20
    1.4.3. Полупроводниковые диоды.............................22
    1.4.4. Влияние температуры на обратный ток p-n перехода....25
    1.4.5. Виды полупроводниковых диодов.......................26
    1.4.6. Выпрямители.........................................27
    1.4.6.1. Структурная схема выпрямителя.....................27
    1.4.6.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель..........28
    1.4.6.З. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.....................................................30
    1.4.6.4. Однофазная мостовая схема.........................31
    1.4.6.5. Сглаживающие фильтры..............................32
    1.4.7. Транзисторы.........................................34
    1.4.7.1. Устройство биполярного транзистора. Основные физические процессы...................................................35
    1.4.7.2. Три способа включения транзисторов................39
    1.4.7.3. Полевые транзисторы...............................40
    1.4.8. Фототранзисторы.....................................43
  1.5. Основы микроэлектроники.................................45
    1.5.1. Микросхемы..........................................46
    1.5.2. Перспективы развития................................47
Глава 2. ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ ТЕХНИКУ...........................52
  2.1. Алгебра логики..........................................53
    2.1.1. Аксиомы и основные элементы.........................53
    2.1.2. Законы алгебры логики...............................57

3

  2.2. Синтез цифровых комбинационных схем по произвольной таблице истинности.................................................61
    2.2.1. Совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ).62
    2.2.2. Совершенная конъюнктивная нормальная форма (СКНФ).64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................67
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................68

4

            Введение



     Электроника (от греч. Н^ектроую - электрон) - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для приёма, передачи, обработки и хранения информации.
     Возникновению электроники предшествовало изобретение радио. Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника.
     Предметом исследования в рамках электронной науки и техники является изучение законов взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электромагнитными полями и разработка электронных приборов, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производства, создания энергетических устройств, контрольно-измерительной аппаратуры и др.
     Результаты изучения электронных процессов, а также исследования и разработка методов создания электронных приборов и устройств приводят к созданию многообразных средств электронной техники, развитие которой происходит по двум, тесно переплетающимся направлениям.
     Первое направление связано с созданием электронных приборов различного назначения, технологией их производства и промышленным выпуском.
     Второе направление связано с созданием различных видов аппаратуры, систем и комплексов для решения сложнейших задач в области вычислительной техники, информатики, связи, радиолокации, телевидения и других областях научной и практической деятельности человека.
     Для лучшего понимания направлений и перспектив развития электроники необходимо познакомиться с историей её возникновения и формирования.

5

Г л а в а 1



            ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ


        1.1. История развития радиоэлектроники

     Историю развития электроники можно условно разделить на пять этапов, которым предшествовала предыстория - изобретение телефона, фонографа, кинематографа.
     Со второй половины XIX века начинаются попытки создания телефона. С развитием теории электричества, в частности теории электромагнетизма, была создана научная база для его изобретения. Ещё в 1837 г. было установлено, что магнитная полоса может издавать звук, если её подвергнуть быстрому перемагничиванию. В 1849-1854 гг. теоретически сформулирован принцип устройства телефонного аппарата.
     Первым образцом телефонного аппарата был прибор, сконструированный немецким физиком Филиппом Рейсом в 1861 г. Телефон Рейса состоял из двух частей: передающего и приёмного аппарата, действие которых было взаимосвязано. В передающем аппарате при передаче происходило периодическое размыкание и замыкание цепи тока, чему в приёмном аппарате соответствовало дрожание металлического стержня, воспроизводившего звук. С помощью аппарата Рейса можно было передавать музыку, но передача речи была затруднена.
     В 1876 г. американский техник А. Белл (1847-1922) создал первую удовлетворительную конструкцию телефона. В этом же году он получил патент на его изобретение. Однако телефонные трубки Белла могли хорошо передавать речь лишь на сравнительно небольшом расстоянии и, кроме того, обладали целым рядом других недостатков, делавших невозможным их практическое применение. К этому времени идея создания телефона распространилась очень широко. Над усовершенствованием телефона работали многие изобретатели. Наиболее существенные усовершенствования в телефон в 1878 г. независимо друг от друга внесли англичанин Д. Юз (1831-1900) и американец Т. Эдисон. Они изобрели важнейшую часть телефонного аппарата - микрофон. Микрофон Юза-Эдисона являлся только передатчиком, который воспринимал звуковые колебания и усиливал индуктивный ток в катушке телефона Белла. С изобретением микрофона стало возможно разговаривать на больших расстояниях, а звук в телефоне получался чище. Затем Эдисон предложил использовать в телефоне

6

индукционную катушку. С введением её в телефонный аппарат в основном закончилось его конструирование. Дальнейшая работа целого ряда изобретателей в различных странах сводилась к улучшению существующих конструкций.
     Телефон в отличие от других новейших технических изобретений весьма быстро вошёл в обиход почти во всех странах. Первая городская телефонная станция была введена в эксплуатацию в США в 1878 г. в Нью-Гаване. Первая телефонная станция в Париже была открыта в 1879 г., в Берлине - в 1881 г.
     Пионером телефонии в России был инженер П. М. Голубицкий (1845-1911), внёсший много существенных усовершенствований в конструкцию телефона. Он доказал возможность действия телефонов на расстоянии до 350 км.
     В 1881 г. в России было учреждено Русское акционерное общество «для устройства и эксплуатации телефонных сообщений в различных городах Российской империи». Первые телефонные линии в России были построены в 1881 г. одновременно в пяти городах - Петербурге, Москве, Варшаве, Риге и Одессе.
     Интереснейшим изобретением этого периода явился фонограф - аппарат для записи и воспроизведения звука. Этот прибор, изобретённый в 1877 г. Эдисоном, обладал способностью сохранять, а затем в любое время воспроизводить и повторять записанные на нем звуковые колебания, вызванные ранее голосом человека, музыкальными инструментами и т. п.
     Устройство и принцип действия фонографа сводятся к следующему. Звуковые колебания в фонографе передавались очень тонкой стеклянной или слюдяной пластинке, а при помощи, прикреплённой к ней пишущей иглы (резца с сапфировым наконечником) переносились на поверхность вращающегося валика, обёрнутого оловянной фольгой или покрытого особым восковым слоем. Пишущая игла была связана с мембраной, воспринимающей или излучающей звуковые колебания. Ось валика фонографа имела резьбу, и поэтому при каждом обороте валик смещался вдоль оси вращения на одну и ту же величину. В результате этого пишущая игла на восковом слое выдавливала винтовую канавку. При движении по этой канавке игла и связанная с ней мембрана совершали механические колебания, воспроизводя записанные звуки. На основе фонографа затем возникли граммофон и другие приборы, применяемые при механической звукозаписи.
     В 90-х годах XIX века появляется кинематограф. Аппарат, в котором сочетались все основные элементы кинематографа, был впервые изобретён во

7

Франции Луи Ж. Люмьером (1864-1948). В 1895 г. он совместно со своим братом Огюстом разработал конструкцию киноаппарата для съёмки. Люмьер назвал своё изобретение кинематографом. Опытная демонстрация фильма, заснятого на киноплёнке с помощью этого аппарата, состоялась в марте 1895 г., а в декабре этого же года в Париже начал функционировать первый кинотеатр. В 90-е годы кинематограф появляется и в других странах, причём почти в каждой европейской стране был свой изобретатель этого аппарата.
     Одним из величайших открытий в области техники явилось изобретение радио. Честь его изобретения принадлежит великому русскому учёному А. С. Попову (1859-1906). Ещё в 1886 г. немецкий учёный Г. Герц (1857-1894) впервые экспериментально доказал факт излучения электромагнитных волн. Он установил, что электромагнитные волны подчиняются тем же основным законам, что и световые волны. Попов в 1889 г., работая в области исследования электромагнитных колебаний, впервые высказал мысль о возможности использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние.
     7 мая 1895 г. А С. Попов на заседании Русского физико-математического общества в Петербурге впервые продемонстрировал радиоприёмник. В работе над повышением чувствительности приборов для обнаружения электромагнитных колебаний Попов шёл своим оригинальным путём. Он впервые применил антенну и, видя несовершенство вибраторов как источников электромагнитных волн, приспособил приёмник для регистрации грозовых разрядов атмосферного электричества. Радиоприёмник, изобретённый Поповым, был назван им грозоотметчиком.
     Устройство грозоотметчика сводилось к следующему: в цепь батареи включалась трубка с металлическими опилками и реле. В обычных условиях сила тока в обмотке реле была слабой, и якорь реле не притягивался. Но во время грозы грозовые разряды вызывали появление электромагнитных волн. Это приводило к тому, что сопротивление опилок в трубке падало и реле срабатывало, подключая электрический звонок, который и подавал сигнал о поступлении электромагнитных волн. Грозоотметчик Попова позволял принимать радиоволны на расстоянии нескольких километров. Подробнее об этом см. в главе 3.
     Радиотехника, основы которой были заложены работами А. С. Попова, стала особенно быстро развиваться после первой мировой войны, во время которой радиосвязь становится важнейшей формой связи в армии и флоте. Радио получило широкое применение затем и для гражданских целей. Эти отрасли техники в рассматриваемый период не имели большого значения, но они яви

8

лись вершиной технического прогресса конца XIX - начала XX в. и стали отправными точками технического прогресса в современную эпоху и предысторией развития электроники.
     Зарождение электроники и первый этап её развития относится к концу XIX века. Основным содержанием этого этапа являются открытия физических эффектов, послуживших основой для последующего развития,
     Началом развития ламповой техники принято считать открытие русским учёным электротехником А. Н. Лодыгиным обычной лампы накаливания. На её базе уже 1883 г. американский инженер Т. А. Эдисон открыл и описал явление термоэлектронной эмиссии и прохождения электрического тока через вакуум. Русский физик А. Г. Столетов в 1888 г. открыл основные законы фотоэффекта. Важнейшую роль в развитии электроники сыграло открытие А. С. Поповым возможности передачи радиоволн на расстояние. Это открытие дало огромный импульс развития и внедрения различных электронных приборов в практику; так появился спрос на устройства для генерации, усиления и детектирования электрических сигналов.
     Второй этап истории развития электроники охватывает первую половину XX века. Этот период характеризуется разработкой и совершенствованием электровакуумных приборов и систематизированным изучением их физических свойств. В 1904 г. была сделана простейшая двухэлектродная электронная лампа - диод, нашедший широчайшее применение в радиотехнике для детектирования электрических колебаний. Спустя всего несколько лет в 1907 г. изготовлена трёхэлектродная лампа - триод, впервые давший возможность усиления электрических сигналов.
     В России первые образцы ламп были изготовлены в 1914-1915 гг. под руководством Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевича. После революции 1917 г. несмотря на сложнейшее финансовое состояние начала создаваться отечественная радиотехническая промышленность. В 1918 г. начинает работать Нижегородская радиолаборатория под руководством М. А. Бонч-Бруевича - первое научно-исследовательское учреждение по вопросам радио и электровакуумной техники. Уже в тяжелейшем для страны 1919 году лаборатории были изготовлены первые образцы отечественных приёмно-усилительных радиоламп, а в 1921 г. разработаны первые мощные электронные лампы с водяным охлаждением.
     В дальнейшем развитие электровакуумных приборов для усиления и генерирования электрических колебаний шло семимильными шагами. Освоение

9

радиотехникой гектометровых (X= 100СН100 м) и декаметровых (Л=100-10 м) волн потребовало разработки высокочастотных ламп. В 1924 г. были изобретены четырёхэлектродные лампы (тетроды), в 1930 г. - пятиэлектродные (пентоды), в 1935 г. - многосеточные частотно-преобразовательные лампы (гептоды). В 30-х и начале 40-х годов наряду с усовершенствованием обычных ламп были разработаны сверхвысокочастотные лампы - магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны.
      Параллельно с разработкой электронных создавались электроннолучевые, фотоэлектрические, ионные приборы, в создание которых существенный вклад внесли российские инженеры. К середине 30-х годов в основном сформировалась ламповая электроника. Развитие электровакуумной техники в последующие годы шло по пути снижения габаритов приборов, улучшения их параметров и характеристик, увеличения рабочей частоты, повышения надёжности и долговечности.
      Третий этап относится к концу 40-х и началу 50-х годов, характеризующихся бурным развитием дискретных полупроводниковых приборов. В 1947 году в недрах лабораторий телефонной компании Bell «родился» первый транзистор - полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век».
      Первые промышленные образцы полупроводниковых приборов - транзисторов, способных усиливать и генерировать электрические колебания, были предложены в 1948 г. С появлением транзисторов начинается период покорения электроники полупроводниками. Способность транзисторов работать при низких напряжениях и токах позволила уменьшить размеры всех элементов в схемах, открыла возможность миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Одновременно с разработкой новых типов приборов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления.
      50-е годы знаменуются открытиями в области физики твёрдого тела и переходом к квантовой электронике, приведшей к развитию лазерной техники. Большой вклад в развитие этой отрасли науки и техники внесли советские учёные Н. Г. Басов и Л. М. Прохоров, удостоенные Нобелевской премии в 1964 г.
      Четвёртый этап развития электроники берет начало в 60-е годы прошлого века. Он характеризуется разработкой и практическим освоением интегральных микросхем, совместивших в едином технологическом цикле производство

10

активных и пассивных элементов функциональных устройств. Уровень интеграции микросхем достигает тысяч элементов в одном кристалле. Освоение выпуска больших и сверхбольших интегральных схем позволило перейти к созданию функционально законченных цифровых устройств - микропроцессоров, рассчитанных на совместную работу с устройствами памяти и обеспечивающих обработку информации и управление по заданной программе.
     Достижения полупроводниковой электроники явились фактором появления микроэлектроники. Далее развитие электроники идёт по пути микроминиатюризации электронных устройств, повышения надёжности, экономичности электронных приборов и интегральных микросхем, улучшения их качественных показателей, уменьшения разброса параметров, расширения частотного и температурного диапазонов. Важное значение приобретает развитие нового направления электроники - оптоэлектроники, сочетающей электрические и оптические способы преобразования и обработки сигнала (преобразование электрического сигнала в оптический, а затем оптического снова в электрический).
     Пятый (современный) этап определяется проникновением процессоров во все области техники. Процессоры перестали быть частью исключительно вычислительной техники и широко применяются в мобильных телефонах, автомобильной электронике и множестве других, казалось бы, далёких от электроники сферах жизни. Благодаря этому сформировалась новая концепция -«интернет вещей» - вычислительная сеть физических предметов («вещей»), оснащённых электронными устройствами для взаимодействия друг с другом или с внешней средой без участия человека. Например, бытовые приборы (будильник, кондиционер), домашние системы (система садового полива, охранная система, система освещения), датчики (тепловые, датчики освещённости и движения) и «вещи» (например, лекарственные препараты, снабжённые идентификационной меткой) взаимодействуют друг с другом посредством беспроводных сетей связи и обеспечивают полностью автоматическое выполнение процессов (включают кофеварку, изменяют освещённость, напоминают о приёме лекарств, поддерживают температуру, обеспечивают полив сада, сберегают электроэнергию).
     В передовых областях современной электроники, таких как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов стали играть решающую роль, развитие микроэлектронных технологий использования кремния практически подошло к своему физическому пределу. С увеличением скорости переключения транзисторов их тепловыделение усили

11

вается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и с тех пор увеличивается лишь «мно-гоядерность».
     В этих рамках прогресс есть лишь в увеличении количества транзисторов в одном чипе путём уменьшения их физических размеров - переход на более тонкий технологический процесс. В 2015 году начат выпуск процессоров по технологии 14 нм (1 нм = 10⁻⁹ м). Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растёт, но уже невозможен рост тактовой частота ядра процессора, как было до 90 нм технологического процесса. Это говорит лишь о необходимости развития новых технологий.
     Будущий, шестой этап развития электроники - это наноэлектроника.
     Наноэлектроника - это область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов. В основе функционирования таких приборов лежат квантовые эффекты.
     В атомной и квантовой физике единицей длины принято считать величину 10⁻¹⁰ м или 1А⁰. Ангстрем выбран масштабом потому, что он соответствует диаметру самого маленького из атомов - атому водорода. Диаметры других атомов могут лишь немного превышать 2А⁰.
     Нанометр в десять раз больше. Принято считать нано диапазоном область от 1 нм до 100 нм.
     В области наноэлектроники появилось много новых принципов, методов и материалов, привлекаемых для создания наноэлектронных устройств. В настоящий момент неясно, какие из методов и материалов станут для наноэлектроники базовыми, то есть выведут её на уровень серийного производства высоконадёжных приборов и схем.
     К новым материалам относятся в первую очередь нанотрубки и сложные органические молекулы. Создание отдельных электронных элементов различного схемного назначения на этих материалах успешно реализуется, однако до разработки надёжных, экономически привлекательных электронных систем достаточно далеко.
     Один из возможных вариантов - развитие графеновой наноэлектроники. Графен - это двумерный кристалл, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку.
     В нескольких лабораториях уже синтезирован транзистор на базе графена, который может работать в трёх устойчивых состояниях. Для аналогичного

12