Электроника и схемотехника

С. А. Микаева, А. Н. Брысин, Ю. А. Журавлева






        ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА

Учебное пособие























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.382
ББК 32.844.1
     М59


Рецензенты:
          профессор кафедры цифровых и аддитивных технологий
Института перспективных технологий и индустриального программирования Российского технологического университета (МИРЭА) д-р техн, наук, проф. П. Н. Шкатов;
заведующий базовой кафедрой источников света Института электроники и светотехники Национального исследовательского Мордовского государственного университета (ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева») д-р техн. наук, доц. А. А. Ашрятов


     Микаева, С. А.
М59 Электроника и схемотехника : учебное пособие / С. А. Микаева, А. Н. Брысин, Ю. А. Журавлева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 184 с.: ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1289-6

           Рассматривается элементная база электроники, полупроводниковые приборы и материалы, р-п-переход и его свойства, диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, интегральные схемы, логические элементы, триггеры. Представлены основы аналоговой, цифровой схемотехники и микропроцессорной техники.
           Для студентов электротехнических направлений. Может быть полезно специалистам в области промышленной электроники, схемотехники, приборостроения.

УДК 621.382
ББК 32.844.1








ISBN 978-5-9729-1289-6

    © Микаева С. А., Брысин А. Н., Журавлева Ю. А., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ПРЕДИСЛОВИЕ.....................................................5

1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ..................................6
  1.1. Полупроводниковые приборы................................6
   1.1.1. Общие сведения........................................6
   1.1.2. Полупроводниковые материалы...........................7
   1.1.3. P-n-переход и его свойства............................9
   1.1.4. Полупроводниковые диоды..............................14
   1.1.5. Биполярные транзисторы...............................23
   1.1.6. Полевые транзисторы..................................29
   1.1.7. Тиристоры............................................33
   Контрольные вопросы.........................................34
  1.2. Интегральные схемы......................................35
   Контрольные вопросы.........................................37
  1.3. Система обозначений полупроводниковых приборов и интегральных микросхем....................................................37
   Контрольные вопросы.........................................39
   Тестовые задания............................................39
   Задачи......................................................40
2. ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ..............................51
  2.1. Усилительные устройства.................................51
   2.1.1. Классификация усилителей.............................51
   2.1.2. Параметры и характеристики усилителей................52
   2.1.3. Принцип работы усилителя.............................55
   2.1.4. Усилители напряжения с общим эмиттером (усилительный каскад с коллекторной нагрузкой)...................................56
   2.1.5. Эмиттерный повторитель...............................62
   2.1.6. Усилительный каскад на полевом транзисторе...........64
   2.1.7. Истоковый повторитель................................65
   2.1.8. Усилители мощности...................................66
   2.1.9. Многокаскадные усилители.............................69
   2.1.10. Усилитель постоянного тока..........................71
   2.1.11. Обратные связи в усилителях.........................74
   2.1.12. Операционный усилитель..............................75
   2.1.13. Избирательный усилитель.............................78
   Контрольные вопросы.........................................80
  2.2. Генераторы электрических сигналов.......................80
   Контрольные вопросы.........................................84
  2.3. Источники питания электронных устройств.................84
   2.3.1. Однополупериодный выпрямитель........................85
   2.3.2. Мостовая схема выпрямителя...........................86


3

   2.3.3. Сглаживающие фильтры.................................87
   2.3.4. Внешняя характеристика выпрямителя...................89
   2.3.5. Стабилизаторы напряжения.............................90
   Контрольные вопросы.........................................91
   Тестовые задания............................................91
   Задачи......................................................94
3. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ...............................102
  3.1. Общие сведения.........................................102
   Контрольные вопросы........................................105
  3.2. Электронные ключи и простейшие формирователи импульсов.105
   Контрольные вопросы........................................113
  3.3. Импульсный режим работы операционных усилителей........113
   Контрольные вопросы........................................117
  3.4. Логические элементы. Серии цифровых интегральных схем..117
   Контрольные вопросы........................................126
  3.5. Триггеры...............................................127
   Контрольные вопросы........................................130
  3.6. Счетчикиимпульсов......................................130
   Контрольные вопросы........................................132
  3.7. Регистры, дешифраторы, мультиплексоры..................133
   Контрольные вопросы........................................136
  3.8. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП).................................136
   Контрольные вопросы........................................141
   Тестовые задания...........................................142
   Задачи.....................................................145
4. ОСНОВЫ МП-ТЕХНИКИ..........................................162
  4.1. Требования к микропроцессорной системе.................162
   Контрольные вопросы........................................165
  4.2. Что такое микропроцессор?..............................165
   Контрольные вопросы........................................167
  4.3. Шинная структурасвязей.................................167
   Контрольные вопросы........................................172
  4.4. Режимы работы микропроцессорной системы................172
   Контрольные вопросы........................................176
  4.5. Архитектурамикропроцессорныхсистем.....................176
   Контрольные вопросы........................................178
  4.6. Типы микропроцессорных систем..........................179
   Контрольные вопросы........................................180
   Тестовые задания...........................................181
   Задачи.....................................................182
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................183

4

                ПРЕДИСЛОВИЕ





     Данное учебное пособие может быть рекомендовано для самостоятельного изучения студентами при очном и дистанционном формате обучения и самостоятельной подготовке к предметам «Электроника», «Микропроцессорная техника», «Электроника и схемотехника».
     Снижение фактического времени до формата шестнадцать часов лекций, шестнадцать часов практических занятий приводит к увеличению времени самостоятельной работы самих студентов и накладывает на них определенные требования к уровню самостоятельной работы. Короткие классические конспекты лекций в этих условиях не дают эффективности, а ссылки на многотомные пособия, в которых материал размещен на больших обьемах, значительно усложняют восприятие основополагающих вещей. В связи с этим возник вопрос реализации небольшого по обьему учебного пособия с размещенным отдельно дополнительным графическим материалом.
     В отличие от классических лекций, в дистанционной форме существенно снижена вербальная связь преподавателя с аудиторией, что может быть частично компенсировано различными техническими элементами, например, функцией «контроль активности». С другой стороны, формат видеолекций вносит повышенные требования к плотности изложения материала, существенные ограничения на время переноса графического материала в конспект. В связи с этим возникает потребность введения в очный формат обучения некоторых элементов интенсивных (инновационных) технологий обучения, широко применяемых при заочной и вечерней форме обучения.
     Учебное пособие разбито на четыре раздела - первые два посвящены аналоговой электронике, а третий и четвертый разделы охватывают цифровую схемотехнику и основы микропроцессорной техники. После каждого раздела авторами представлены контрольные вопросы и тестовые задания для проверки знаний изученного материала.

5

                1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ





        1.1. Полупроводниковые приборы


            1.1.1. Общие сведения


     Электроника - область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, принципы построения и свойства устройств с их использованием.
     В своем развитии электроника прошла несколько этапов. Первое электронное устройства (конец XIX - середина XX века) выполнялись на электровакуумных приборах (электронных лампах). С середины XX века широкое применение нашли полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры), изготовляемые как отдельные, самостоятельные элементы, из которых собирались электронные устройства. В последнюю четверть XX века основой многих электронных устройств стали интегральные микросхемы, представляющие пластинку полупроводника с размещенными на ней множеством транзисторов и других элементов электрических цепей. Со времени их изобретения (США, 1959 г.), интегральные микросхемы, постоянно совершенствуются и усложняются. В современных сверхбольших интегральных схемах счет уже идет на десятки миллионов транзисторов и других элементов.
     В настоящее время для решения тех или иных задач (преобразования вида энергии, усиление сигналов, генерирование мощных излучений, управление электродвигателями, обработки цифровой информации, и ее отображение и т. п.) используются все виды электронных приборов, но явное преимущество сохраняется за полупроводниковыми приборами и микросхемами.
     Элементарная база электроники включает в себя пассивные (не преобразующие электрическую энергию) и активные (преобразующие электрическую энергию) элементы.
     К пассивным элементам относятся сопротивления (R), емкости (C) и индуктивности (L). Реальные компоненты, отражающие свойства R, C и L, - резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности могут существенно отличаться от их идеальных моделей. Эти отличия зависят от технологии, материала и условий эксплуатации.
     Резисторы, помимо активного сопротивления, обладают ощутимой на высоких частотах проходной емкостью, включенной параллельно активному сопротивлению и составляющей от сотых долей до единиц пикофарад. Лакопленочные и иные резисторы, в которых используются сплошные слои проводящего материала, почти не имеют собственной индуктивности, и ею можно пренебречь вплоть до частот в сотни мегагерц, но между их проводящим слоем и другими частями схемы образуются паразитные конденсаторы с емкостями до несколько пикофарад. Как правило, эти емкости больше, чем проходные.


6

Другой недостаток резисторов этих типов - сильная зависимость активного сопротивления от времени, температуры и влажности. Обычно сопротивление резисторов не выходят из пределов, оговоренных в технических условиях, но нельзя применить их в устройствах, рассчитанных на меньшие отклонения.
     Проволочные резисторы обладают значительно большей температурой и временной стабильностью, но у них большие паразитные емкости и значительны паразитные индуктивности. В цепях, где точность и стабильность активных элементов имеет решающее значение, проволочные резисторы незаменимы.
     Реальные конденсаторы еще больше отличаются от идеала, чем резисторы. Прежде всего, у них есть сопротивление утечки, шунтирующее емкость. Для высококачественных конденсаторов (например, слюдяных, фторопластовых, керамических и т. п.) собственные утечки составляют при малой влажности и нормальной температуре гигаомы (1 ГОм = 10⁹ Ом) и в большей мере зависят от состояния поверхности корпуса или монтажной платы, чем от диэлектрика. Конденсаты с большими емкостями, например, электролитические, имеют сопротивление утечки в сотни иногда десятки килоом, но зато могут иметь емкости до десятков и сотен тысяч мкФ. Промежуточное положение занимают бумажные и пленочные конденсаторы.
     Катушки индуктивности, не имеющие ферромагнитных сердечников, могут быть достаточно близки к идеальной индуктивности, но даже в них сопротивление провода играет роль. В дросселях с сердечниками нелинейность последних приводит к тому, что отличия от идеальной индуктивности оказываются очень существенными. Другая особенность, вносимая сердечниками, -потери энергии на их перемагничивание и на вихревые токи Фуко в них. Эта энергия в конечном счете обращается в тепловую и ведет к нагреву сердечника. Последнее обстоятельство во многом определяет КПД и качество трансформаторов.


            1.1.2. Полупроводниковые материалы


     Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками.
     По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное электрическое сопротивление полупроводников при комнатной температуре лежит в пределах 10⁻³-10¹⁰ Омюм. В качестве полупроводниковых веществ используется кремний (Si), германий (Ge) (элементы IV группы периодической системы Менделеева), атакже селен, арсенид галлия, фосфид галлия, и др.
     Особенностью полупроводников отличительной от металлов и диэлектриков является их способность в широких пределах менять свою проводимость при изменении внешних энергетических воздействиях (температуры, света, электромагнитного поля, механических деформаций и т. д.).


7

     Электропроводимость чистых однородных полупроводников при температуре, отличной от абсолютного нуля, обусловлена по парным образованием (генерацией) свободных носителей заряда - электронов и дырок.
     При сообщении полупроводнику определенной энергии один из электронов вырывает из узла связи кристаллической решетки и становится свободным, а освободившееся в узле решетки место приобретает положительный заряд, равный заряду электрона. Это вакантное для электронов место кристаллической решетки получило название дырки. Наряду с генерацией носителей заряда при их хаотичном движении происходит процесс рекомбинации - воссоединение (исчезновение) пары носителей заряда при встрече свободного электрона с дыркой. Устанавливается динамическое равновесие между количеством возникающих и исчезающих пар, и при неизменной температуре общее количество свободных носителей заряда остается постоянным.
     При приложении к проводнику внешнего электрического поля движение свободных зарядов упорядочивается, электроны и дырки движутся во взаимно противоположных направлениях вдоль силовой линии электрического поля. Электропроводность чистого проводника называется собственной.
     При обычных температурах количество свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике невелико и составляет 10¹⁶-10¹⁸ в 1 см³ вещества. Такой полупроводник по своим электрическим свойствам приближается к диэлектрикам.
     Электрические свойства полупроводников существенно изменяются при введении в них определенных примесей. В качестве примесей используются элементы III и V групп периодической системы Менделеева. Введение, например, в кремний (элемент IV группы) в качестве примеси атомов мышьяка (элемент V группы) создает избыток свободных электронов за счет пятого валентного электрона на внешней оболочке атомов примеси. Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника значительно уменьшается, в нем будет преобладать электронная электропроводность, а сам полупроводник называется полупроводником n-типа. Носители заряда, концентрация которых выше (в данном случае это электроны), называется основными носителями, а с меньшей концентрацией (дырки) - неосновными.
     Введение атомов примеси III группы (например, индия) создает дырочную электропроводность, в результате чего образуется полупроводник p-типа, здесь дырки - основные носители заряда, а электроны - неосновные. Примеси элементов V группы называют донорными, а примеси элементов III группы - акцепторными.
     На практике важное значение имеет область на границе соприкосновения двух полупроводников р- и n-типа. Эта область называется электронно-дырочным переходом, или p-n-переходом. Такой p-n-переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной примеси. Например, при введении донорной примеси в определенную часть полупроводника p-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, граничащая с полупроводником р-типа.

8

     На основе использования полупроводниковых материалов с различным типом электропроводности создают полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры и другие приборы. В частности, из полупроводника, равномерно легированного примесями, изготовляют полупроводниковые резисторы. В зависимости от типа примесей и конструкции получаются линейные резисторы, сопротивление которых остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов, либо резисторы, сопротивление которых зависит от таких управляющих параметров, как напряжение (варисторы), температура (терморезисторы), освещенность (фоторезисторы), механические деформации (тензоре-зисторы), магнитное поле (магниторезисторы) и др.
     Основными материалами при производстве полупроводниковых приборов являются кремний и германий. Из-за различий по физическим свойствам этих материалов, приборы, изготовленью на основе Si, - более стойкие к воздействию, к изменению внешней температуры, но обладают меньшем быстродействием. Приборы на основе Ge, более чувствительны к изменению внешней температуры, но обладают большим быстродействием.


            1.1.3. Р-п-переход и его свойства


     В p-n-переходе концентрация основных носителей заряда в р- и n-областях могут быть равными или существенно различаться. В первом случае p-n-переход называется симметричным, во втором - несимметричным. Чаще используются несимметричные переходы.
     Пусть концентрация акцептной примеси в p-области больше, чем концентрация донорной примеси в n-области (рис. 1.1). Соответственно, и концентрация дырок (светлые кружки) в p-области будет больше, чем концентрация электронов (черные кружки) в n-области.
     За счет диффузии дырок из p-области и электронов из n-области они стремятся равномерно распределится по всему объему. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентрации по всему объему кристалла. Однако этого не происходит. Дырки, переходя из p-области в n-область, рекомбинирую с частью электронов, принадлежащих атомам донорной примеси. В результате оставшиеся без электронов положительно заряженные ионы донорной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом. В то же время уход этих дырок из p-области приводит к тому, что атомы акцепторной примеси, захватившие соседний электрон, образуют некомпенсированный отрицательный заряд ионов в приграничной области. Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область, приводящее к тому же эффекту.


9

Рис. 1.1. P-n-структура в равновесном состоянии

     В результате на границе, разделяющей n-область и p-область, образуется узкий, в доли микрона, приграничный слой l, одна сторона которого заряжена отрицательно (p-область), а другая - положительно (n-область).
     Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов Uk (рис. 1.1) или потенциальным барьером, преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны p-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из n-области, - отрицательным зарядом. Контактной разностью потенциалов Uk соответствует электрическое поле напряженностью Ек. Таким образом, образуется p-n-переход шириной l, представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей - так называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление Rk.
     Свойства p-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение ипр. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов и напряженность внешнего поля Епр противоположна Ек (рис. 1.2), то дырки p-области, отталкиваясь от приложенного положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе между областями, компенсируют заряд части отрицательных ионов и сужают ширину р-п-пере-хода со стороны p-области.

10

Рис. 1.2. Р-п-структура при прямом внешнем напряжении

     Аналогично, электроны п-области, отталкиваясь от отрицательного потенциала внешнего источника, компенсируют заряд части положительных ионов и сужают ширину p-п-перехода со стороны п-области. Потенциальный барьер сужается, через него начинают проникать дырки из p-области и электроны и п-области и через p-п-переход начинает течь ток.
     С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неограниченно, так как создается основными носителями, концентрация которых постоянно восполняется источником внешнего напряжения.
     Полярность внешнего напряжения, приводящая к снижению потенциального барьера, называется прямой, открывающей, а созданный ею ток - прямым. При подаче такого напряжения p-п-переход открыт и его сопротивление Ипр << << Rk.
     Если к p-п-структуре приложить напряжение обратной полярности Иобр (рис. 1.3), эффект будет противоположный.
     Электрическое поле напряженностью Еобр совпадает по направлению с электрическим полем Ек р-п-перехода. Под действием электрического поля источника дырки p-области смещаются к отрицательному потенциалу внешнего напряжения, а электроны п-области - к положительному потенциалу. Таким образом, основные носители заряда отодвигаются внешним полем от границы, увеличивая ширину p-п-перехода, который оказывается почти свободным от носителей заряда. Электрическое сопротивление p-п-перехода при этом возрастает. Такая полярность внешнего напряжения называется обратной, запирающей. При подаче такого напряжения p-п-переход закрыт и его сопротивление Иобр >> Rk.

11

Рис. 1.3. Р-п-структура при обратном внешнем напряжении: l - ширина р-п-перехода

      Тем не менее при обратном напряжении наблюдается протекание небольшого тока 1обр. Этот ток в отличие от прямого определяется носителями не примесной, а собственной проводимости, образующейся в результате генерации пар «свободный электрон - дырка» под воздействием температуры. Эти носители обозначены на рис. 1.3, единственный электрон в p-области и единственной дыркой в п-области. Значение обратного тока практически не зависит от внешнего напряжения. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон-дырка» при неизменной температуре остается постоянным, и даже при Иобр в доли вольт все носители участвуют в создании обратного тока.
      При подаче обратного напряжения p-п-переход уподобляется конденсатору, пластинами которого является р- и п-области, разделенные диэлектриком. Роль диэлектрика выполняет приграничная область, почти свободная от носителей заряда. Эту емкость р-п-перехода называют барьерной. Она тем больше, чем меньше ширина р-п-перехода и чем больше его площадь.
      Принцип работы р-п-перехода характеризуется его вольт-амперной характеристикой. На рис. 1.4 показана полная вольт-амперная характеристика открытого и закрытого р-п-переходов.

12