Полупроводниковая схемотехника. Том I

Ульрих Титце
Кристоф Шенк

Полупроводниковая схемотехника

Том I

U. Tietze
Ch. Schenk

Halbleiter-
Schaltungstechnik

12. Auflage

У. Титце
К. Шенк

Ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ
ñõåìîòåõíèêà

13-е издание, электронное

Том I

Москва, 2023

УДК 621.382
ББК 32.852
T45

T45
Титце, Ульрих.
Полупроводниковая схемотехника. Т. I / У. Титце, К. Шенк ; пер. с нем. Г. С. Ка-
рабашева. — 13-е изд., эл. — 1 файл pdf : 829 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. 
требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — 
Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-547-3

Книга Ульриха Титце и Кристофа Шенка «Полупроводниковая схемотехника» представляет 
собой фундаментальный труд, объединяющий принципы устройства полупроводниковых 
элементов (диоды, биполярные и полевые транзисторы, интегральные микросхемы) 
и основы создания из этих элементов различных функциональных узлов аналоговой 
техники (усилители, модуляторы, фильтры, радиоприемники) и цифровой (спусковые схемы, 
счетчики, регистры, шифраторы и дешифраторы, устройства памяти и т.д.).
Книга разбита на два тома: первый посвящен основам схемотехники, второй — применениям 
функциональных узлов при создании более сложных устройств.
При изложении материала широко используются эквивалентные схемы как полупроводниковых 
элементов, так и функциональных узлов, соответствующие их работе в области 
постоянного и переменного тока. Особое внимание уделено также переходным процессам 
цифровых схем. Описание каждого элемента или схемы сопровождается необходимым количеством 
достаточно элементарных формул, служащих для их инженерного расчета.
Энциклопедическая полнота, обилие самых разных схем и доступное математическое 
обоснование делают книгу полезной широкому кругу читателей: радиолюбителям, инженерам 
радиотехники и электроники и научным работникам.

УДК 621.382 
ББК 32.852

Электронное издание на основе печатного издания: Полупроводниковая схемотехника. Т. I / У. Тит-
це, К. Шенк ; пер. с нем. Г. С. Карабашева. — 12-е изд. — Москва : ДМК Пресс, 2015. — 828 с. — ISBN 
978-5-97060-136-5. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и 
какими бы то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все 
равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. 
В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.
Все торговые знаки, упомянутые в настоящем издании, зарегистрированы. Случайное неправильное использование 
или пропуск торгового знака или названия его законного владельца не должно рассматриваться как нарушение прав 
собственности.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских 
прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-547-3
©  SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2002 
SpringerVerlag is a company in the 
BertelsmannSpringer publishing group. 
All Rights Reserved.
©  Перевод на русский язык, оформление, 
ДМК Пресс, 2015

Ïðåäèñëîâèå ê 12-ìó èçäàíèþ

Электроника средств связи занимает все более важное место в современном мире; в
первую очередь это относится к беспроводным приемопередающим системам. Раньше
приемники и передатчики для таких систем представляли собой аналоговые устройства
и ориентировались на соответствующие способы модуляции сигнала. В отличие от прежних современные приемники и передатчики содержат высокочастотный аналоговый
блок (Frontend), схема которого почти не зависит от способа модуляции, и цифровой
блок, в состав которого входит процессор цифрового сигнала с соответствующим программным обеспечением. В этом блоке осуществляется модуляция или демодуляция
методами цифровой обработки сигналов.
Высокочастотную часть составляют усилители, смесители и фильтры. Свойства
этих компонентов на высокой частоте описываются особым образом: вместо полных
сопротивлений используются коэффициенты отражения, а четырехполюсники характеризуются Sпараметром. Сопротивления отдельных компонентов должны быть согласованы с волновым сопротивлением линий связи во избежание отражений на высоких частотах. Этим вопросам уделяется должное внимание в новом разделе,
посвященном схемам, применяемым в технике связи. Рассмотрение части основной полосы частот предваряется введением в аналоговые способы модуляции, используемые
в традиционных системах (например, в радиовещании с частотной модуляцией), и в
цифровые способы модуляции, применяемые в современных системах (в частности, в
мобильной связи).
Глава об усилителях дополнена разделом, посвященным шумам отдельных каскадов усиления и многокаскадных усилителей. Обновлено описание методики расчета
параметров многокаскадных усилителей при наличии отрицательной обратной связи.
Наряду с популярным программным продуктом PSpice для анализа аналоговых
схем приводится программа DesignExpert, помогающая проектировать цифровые схемы, а также дается перевод краткого руководства к ней.
Обновления и дополнения доступны на сайте авторов www.Springer.de/enginede/

tietzeschenk/. Ваши пожелания и замечания об ошибках просим высылать по адресу
электронной почты tietzeschenk@springer.de.
Мы выражаем признательность издательству SpringerVerlag, отдельное спасибо дру
Меркле (Merkle) за приятное сотрудничество и гну Соссна (Sossna), PTPBerlin, за
тщательный набор. Особой благодарности заслуживает гн Эберхард Гамм (Eberhard
Gamm) за его вклад в новую главу, посвященную технике связи. Мы также благодарим
читателей за сведения об ошибках и советы по улучшению книги: они тщательно проверяются и учитываются.

У. Титце, К. Шенк,
Эрланген и Мюнхен, январь 2002 г.

Ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ ñõåìîòåõíèêà
6

Èç ïðåäèñëîâèÿ ê 11-ìó èçäàíèþ

Элементы высокой степени интеграции все шире применяются в электронных
устройствах. В аналоговой технике интегральные усилители почти всюду вытеснили
своих предшественников, собранных из дискретных транзисторов. Подобная тенденция наблюдается также в высокочастотной и силовой полупроводниковой технике.
В цифровой технике все чаще используются программируемые логические устройства
(ПЛУ), заменяя логические схемы на базе вентилей и триггеров. Элементы высокой
степени интеграции позволяют сэкономить место, снизить расходы на комплектующие
и оснастку и повысить надежность устройств.
В связи с этим происходит разделение конструкторских разработок на две области:
создание устройств с использованием стандартных ИС (конструирование на уровне
монтажной платы) и разработка собственно микросхем (конструирование на уровне
транзисторов). Для правильного применения стандартных микросхем важно знать их
внутреннее устройство, однако подробности на уровне транзисторов явно излишни.
Напротив, конструктор интегральной схемы работает только на уровне транзисторов.
Поэтому в настоящее время развитие схемотехники на транзисторном уровне равнозначно проектированию ИС. Однако есть важные различия между схемотехникой с применением микросхем и дискретных транзисторов. Самыми характерными особенностями
являются масштабируемость транзисторов, использование схемы токового зеркала для
установки рабочей точки активных нагрузок вместо резисторов и непосредственная
связь между отдельными каскадами. Названным вопросам посвящены новые главы об
основах схемотехники.
Моделирование электронных схем приобретает все большее значение с развитием
схемотехники. Оно жизненно важно при конструировании ИС и разработке конкретных устройств. В наши дни схему реализуют лишь тогда, когда правильность ее функционирования проверена путем компьютерного моделирования, причем центральная
роль принадлежит здесь самой модели. При конструировании конкретных устройств
создаются макромодели стандартных микросхем, поставляемых изготовителями в законченном виде. Макромодели должны достаточно хорошо воспроизводить поведение
ИС, не касаясь их внутренней структуры.
При конструировании интегральных схем пользуются стандартными моделями диодов, биполярных и полевых транзисторов; особенности процессов изготовления учитываются параметрами модели, которые заменяют характеристики из спецификаций
одиночных транзисторов. Модели диодов и транзисторов вместе с их параметрами
описываются в главах, посвященных основам схемотехники, однако мы ограничимся
феноменологическим описанием, не углубляясь в фундаментальные вопросы физики
полупроводников.
Главы, содержащие сведения о диодах, биполярных и полевых транзисторах состоят каждая из четырех частей. В первой части вопросы излагаются столь же просто, как
и в предыдущих изданиях. Вторая часть посвящена внутреннему устройству диодов и

Ïðåäèñëîâèå
7

транзисторов. Модели и их параметры обсуждаются в третьей части. Четвертая часть
посвящена принципиальным схемам.
В главе об усилителях представлены важнейшие принципиальные схемы интегральной схемотехники, в том числе токовое зеркало, каскодные схемы, дифференциальные усилители, преобразователи внутреннего сопротивления и эталонные источники тока для установки рабочей точки. Главу завершает раздел об общих свойствах и
параметрах усилителей.
В главе, посвященной операционным усилителям, показано, что существует не
один, а четыре типа ОУ, и говорится об их наиболее эффективных применениях. При
расчете схем операционные усилители описываются простой моделью.

Ñîäåðæàíèå

1.
Диоды
17
1.1
Свойства диодов ...................................................................................................................... 18
1.1.1
Характеристики ......................................................................................................... 18
1.1.2
Описание диода с помощью уравнений............................................................. 19
1.1.3
Режим переключения ............................................................................................... 22
Режим переключения при омической нагрузке.......................................... 22
Режим переключения при омическоиндуктивной нагрузке ................ 24
1.1.4
Режим малых сигналов ............................................................................................ 25
1.1.5
Предельные параметры и токи запирания........................................................ 25
Предельные напряжения .................................................................................... 25
Предельные токи ................................................................................................... 26
Ток запирания......................................................................................................... 26
Максимальная мощность рассеяния .............................................................. 26
1.1.6
Тепловые свойства .................................................................................................... 27
1.1.7
Температурная зависимость параметров диодов ........................................... 27
1.2
Устройство диода .................................................................................................................... 28
1.2.1
Дискретные диоды .................................................................................................... 28
Внутренняя структура ......................................................................................... 29
Корпус ....................................................................................................................... 29
1.2.2
Интегральные диоды ................................................................................................ 30
Внутренняя структура ......................................................................................... 30
Диодподложка....................................................................................................... 30
Интегральный диод с pn переходом и диод Шоттки............................... 30
1.3
Модель диода ............................................................................................................................ 31
1.3.1
Статический режим .................................................................................................. 31
Диапазон средних значений прямых токов.................................................. 31
Дополнительные эффекты ................................................................................. 32
Эффект сильного тока ......................................................................................... 32
Ток утечки ................................................................................................................ 32
Пробой ....................................................................................................................... 33
Прямое сопротивление ........................................................................................ 34
1.3.2
Динамическая характеристика ............................................................................. 34
Барьерная емкость ................................................................................................ 35
Диффузионная емкость ...................................................................................... 36
Полная модель диода ........................................................................................... 36
1.3.3
Модель диода в режиме малых сигналов .......................................................... 38
Статическая модель режима малых сигналов ............................................. 38
Динамическая модель диода в режиме малых сигналов.......................... 40
1.4
Специальные диоды и их применение ............................................................................. 40
1.4.1
Стабилитроны............................................................................................................. 41
1.4.2
pinдиод ......................................................................................................................... 44
1.4.3
Варикапы ...................................................................................................................... 45
1.4.4
Мостовые выпрямители .......................................................................................... 48
1.4.5
Смесители .................................................................................................................... 49
Литература........................................................................................................................................... 51

Ñîäåðæàíèå
9

2.
Биполярные транзисторы
52
2.1
Свойства биполярных транзисторов ................................................................................ 53
2.1.1
Характеристики транзисторов .............................................................................. 53
2.1.2
Описание транзистора с помощью уравнений ................................................ 55
2.1.3
Зависимость усиления по току ............................................................................. 56
2.1.4
Рабочая точка и характеристики транзистора в режиме малых
сигналов ...................................................................................................................................... 58
Уравнения и параметры режима малых сигналов ..................................... 60
Эквивалентная схема режима малых сигналов .......................................... 62
Матрицы, описывающие четырехполюсники ............................................. 63
Границы применимости концепции режима малых сигналов .............. 64
2.1.5
Предельные параметры и обратные токи .......................................................... 64
Пробивные напряжения...................................................................................... 65
Пробой второго рода ............................................................................................ 66
Предельные токи ................................................................................................... 66
Токи отсечки ........................................................................................................... 66
Максимальная рассеиваемая мощность ........................................................ 67
Допустимый рабочий диапазон........................................................................ 67
2.1.6
Тепловые свойства транзисторов ........................................................................ 69
Тепловые характеристики в статическом режиме ..................................... 71
Тепловые характеристики в импульсном режиме ..................................... 71
2.1.7
Температурная зависимость параметров транзистора ................................. 73
2.2
Устройство биполярного транзистора ............................................................................. 74
2.2.1
Дискретные транзисторы........................................................................................ 74
2.2.2
Интегральные транзисторы ................................................................................... 76
2.3
Модели биполярных транзисторов ................................................................................... 78
2.3.1
Статические свойства .............................................................................................. 78
Модель Эберса–Молла........................................................................................ 78
Транспортная модель ........................................................................................... 81
Дополнительные эффекты ................................................................................. 82
Усиление по току в нормальном режиме ...................................................... 85
Диодыподложки ................................................................................................... 87
Объемные сопротивления .................................................................................. 87
2.3.2
Динамические характеристики ............................................................................ 89
Барьерные емкости ............................................................................................... 89
Диффузионные емкости ..................................................................................... 91
Модель Гуммеля–Пуна ....................................................................................... 93
2.3.3
Модель транзистора для режима малых сигналов ......................................... 96
Статическая модель транзистора для режима малых сигналов ............ 96
Динамическая модель транзистора для режима малых сигналов ........ 98
Граничные частоты в режиме малых сигналов ......................................... 100
Сводка параметров для режима малых сигналов ..................................... 104
2.3.4
Шумы ........................................................................................................................... 105
Спектральная плотность шумов..................................................................... 105
Источники шумов биполярного транзистора ........................................... 107
Эквивалентные источники шумов ................................................................ 108
Эквивалентный источник шума и коэффициент шума ......................... 109
Коэффициент шума биполярного транзистора ........................................ 111
Определение объемного сопротивления базы .......................................... 118
2.4
Типовые схемы ....................................................................................................................... 118
2.4.1
Схема с общим эмиттером .................................................................................... 119

Ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ ñõåìîòåõíèêà
10

Передаточная характеристика схемы с общим эмиттером ................... 120
Характеристики режима малых сигналов схемы с общим эмиттером .. 122
Отрицательная обратная связь по току в схеме с общим эмиттером ..... 125
Схема с общим эмиттером и ООС по напряжению ................................ 131
Частотная характеристика и верхняя граничная частота ..................... 147
Заключение............................................................................................................ 154
2.4.2
Схема усилителя с общим коллектором.......................................................... 156
Передаточная характеристика схемы с общим коллектором .............. 156
Характеристики схемы с общим коллектором в режиме малых
сигналов .................................................................................................................. 159
Установка рабочей точки .................................................................................. 163
Частотная характеристика и верхняя граничная частота ..................... 165
Преобразование импеданса посредством схемы с общим
коллектором .......................................................................................................... 172
2.4.3
Схема с общей базой ............................................................................................... 173
Передаточная характеристика схемы с общей базой .............................. 174
Режим малых сигналов схемы с общей базой ........................................... 177
Установка рабочей точки .................................................................................. 180
Частотная характеристика и верхняя граничная частота ..................... 182
2.4.4
Схема Дарлингтона ................................................................................................. 186
Характеристики транзистора Дарлингтона ............................................... 187
Описание с помощью уравнений ................................................................... 189
Зависимость усиления по току от тока коллектора ................................ 189
Параметры режима малых сигналов............................................................. 191
Режим коммутации ............................................................................................. 193
Литература......................................................................................................................................... 194

3.
Полевые транзисторы
196
3.1
Свойства полевых транзисторов ...................................................................................... 199
3.1.1
Характеристики ....................................................................................................... 199
3.1.2
Описание транзистора с помощью уравнений .............................................. 202
3.1.3
Полевой транзистор в качестве управляемого резистора ......................... 207
3.1.4
Рабочая точка и режим малых сигналов ......................................................... 209
Рабочая точка ........................................................................................................ 209
Уравнения и параметры режима малых сигналов ................................... 210
Эквивалентная схема полевого транзистора для режима малых
сигналов .................................................................................................................. 212
Матрицы, описывающие четырехполюсники ........................................... 212
Границы применимости концепции малых сигналов ............................ 213
3.1.5
Граничные параметры и обратные токи .......................................................... 213
Напряжения пробоя ........................................................................................... 214
Граничные токи .................................................................................................... 215
Обратные токи ...................................................................................................... 216
Максимальная мощность рассеяния ............................................................ 216
Область устойчивой работы ............................................................................ 217
3.1.6
Тепловые свойства .................................................................................................. 218
3.1.7
Температурная зависимость параметров полевых транзисторов........... 218
МОП транзистор ................................................................................................. 218
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом.............................. 220
3.2
Устройство полевого транзистора................................................................................... 221
3.2.1
Интегральные МОП транзисторы ..................................................................... 221
3.2.2
Дискретные МОП транзисторы ......................................................................... 223

Ñîäåðæàíèå
11

3.2.3
Полевые транзисторы с управляющим pn переходом .............................. 226
3.2.4
Корпус ......................................................................................................................... 227
3.3
Модели полевых транзисторов......................................................................................... 227
3.3.1
Статические свойства ............................................................................................ 227
Модель МОП транзистора Уровня 1............................................................ 228
Объемные сопротивления ................................................................................ 233
Вертикальные мощные МОП транзисторы ............................................... 234
Полевые транзисторы с управляющим pn переходом .......................... 236
3.3.2
Динамический режим ............................................................................................ 237
Модель МОП транзистора Уровня 1............................................................ 241
Модель полевого транзистора с управляющим pn переходом ........... 246
3.3.3
Модель МОП транзистора для режима малых сигналов .......................... 247
Статическая модель МОП транзистора для режима малых
сигналов в области насыщения ...................................................................... 247
Динамическая модель МОП транзистора для режима малых
сигналов в области насыщения ...................................................................... 249
Граничные частоты при режиме малых сигналов .................................... 251
Сводный перечень параметров МОП транзистора для малых
сигналов .................................................................................................................. 253
3.3.4
Шумы ........................................................................................................................... 256
Источники шумов полевого транзистора ................................................... 256
Эквивалентные источники шумов ................................................................ 257
Коэффициент шума полевого транзистора ................................................ 258
Упрощенное описание ....................................................................................... 261
Сопоставление коэффициентов шума полевых и биполярных
транзисторов ......................................................................................................... 262
3.4
Типовые схемы ....................................................................................................................... 262
3.4.1
Схема с общим истоком ........................................................................................ 263
Передаточные характеристики схемы с общим истоком ...................... 264
Режим схемы с общим истоком для малых сигналов ............................. 265
Схема с общим истоком и отрицательной обратной связью по току ..... 268
Схема с общим истоком и обратной связью по напряжению .............. 272
Установка рабочей точки .................................................................................. 277
Частотная зависимость и граничная частота............................................. 279
Заключение............................................................................................................ 285
3.4.2
Схема с общим стоком ........................................................................................... 286
Передаточная характеристика схемы с общим стоком .......................... 286
Режим малых сигналов схемы с общим стоком........................................ 288
Установка рабочей точки .................................................................................. 290
Частотная зависимость и граничная частота............................................. 291
3.4.3
Схема с общим затвором ....................................................................................... 296
Передаточная характеристика схемы с общим затвором ...................... 297
Режим малых сигналов схемы с общим затвором ................................... 299
Установка рабочей точки .................................................................................. 301
Частотная характеристика и граничная частота ...................................... 301
Литература......................................................................................................................................... 304

4.
Усилители
305
4.1
Схемы ........................................................................................................................................ 308
4.1.1
Источники тока и токовое зеркало.................................................................... 314
Принцип действия токового зеркала............................................................ 314
Простые источники тока для схем на дискретных элементах ............. 318

Ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ ñõåìîòåõíèêà
12

Простые схемы токового зеркала .................................................................. 319
Токовое зеркало на основе каскодной схемы ............................................ 332
Каскодное токовое зеркало .............................................................................. 335
Токовое зеркало Вильсона ............................................................................... 342
Динамический режим ........................................................................................ 344
Токовые зеркала и источники тока других типов .................................... 345
4.1.2
Каскодная схема ....................................................................................................... 353
Режим малых сигналов каскодной схемы .................................................. 355
Частотная зависимость усиления и граничная частота каскодной
схемы........................................................................................................................ 358
4.1.3
Дифференциальный усилитель .......................................................................... 368
Передаточная характеристика n-p-n дифференциального
усилителя ............................................................................................................... 372
Дифференциальный усилитель с активной нагрузкой .......................... 383
Напряжение смещения нуля дифференциального усилителя ............ 385
Дифференциальный усилитель в режиме малых сигналов ................. 387
Установка рабочей точки .................................................................................. 406
Частотная характеристика и граничные частоты
дифференциального усилителя...................................................................... 415
Краткие выводы ................................................................................................... 432
4.1.4
Преобразователь полного сопротивления ...................................................... 433
Однокаскадный преобразователь полного сопротивления .................. 433
Многокаскадные преобразователи полного сопротивления ............... 434
Комплементарный преобразователь полного сопротивления ............ 438
4.1.5
Схемы для установки рабочей точки................................................................ 444
Источник опорного тока, использующий напряжение UBE ............... 445
Источник опорного тока, пропорционального температуре ................ 450
Температурно-независимые источники опорного тока ......................... 455
Источники опорного тока на МОП схемах ................................................ 456
Источники тока с насыщением ...................................................................... 457
Установка рабочей точки в интегральных схемах усилителей ........... 458
4.2
Свойства и параметры усилителя.................................................................................... 459
4.2.1
Характеристики усилителя .................................................................................. 460
4.2.2
Малосигнальные параметры................................................................................ 463
Рабочая точка ........................................................................................................ 463
Малосигнальные переменные ......................................................................... 464
Линеаризация ....................................................................................................... 464
Малосигнальные параметры ........................................................................... 464
Малосигнальная эквивалентная схема усилителя .................................. 465
Усилители с обратной связью......................................................................... 468
Расчет малосигнальных параметров с помощью малосигнальной
эквивалентной схемы ......................................................................................... 470
Последовательное включение усилителей ................................................. 473
4.2.3
Нелинейные параметры ........................................................................................ 478
Разложение передаточной характеристики в ряд в рабочей точке .... 479
Выходной сигнал при синусоидальном входном сигнале .................... 480
Коэффициент нелинейных искажений ....................................................... 483
Точка сжатия ......................................................................................................... 486
Интермодуляция и точки перехвата ............................................................. 486
Последовательное включение усилителей ................................................. 491
4.2.4
Шумы ........................................................................................................................... 495

Ñîäåðæàíèå
13

Источник и плотность шумов усилителя ................................................... 495
Эквивалентный источник шумов и коэффициент шума ...................... 496
Оптимальный коэффициент шума
и оптимальное внутреннее сопротивление источника ........................... 500
Коэффициент шума последовательной цепочки усилителей ............. 503
Оптимизация коэффициента шума .............................................................. 507
Эквивалентные источники шума типовых схем ...................................... 516
Средний коэффициент шума и отношение сигналшум ....................... 536
Литература......................................................................................................................................... 540

5.
Операционные усилители
541
5.1
Общие сведения ..................................................................................................................... 541
5.1.1
Типы операционных усилителей ....................................................................... 543
5.1.2
Принцип обратной связи ...................................................................................... 546
Неинвертирующий усилитель ........................................................................ 547
Инвертирующий усилитель ............................................................................ 549
5.2
Стандартные операционные усилители ........................................................................ 551
5.2.1
Принцип действия .................................................................................................. 552
5.2.2
Универсальный усилитель ................................................................................... 554
5.2.3
Напряжения питания ............................................................................................. 557
5.2.4
Усилитель с одним источником питания ....................................................... 558
Инверсия фазы ..................................................................................................... 559
5.2.5
Усилитель с размахом, равным напряжению питания .............................. 561
5.2.6
Широкополосные операционные усилители ................................................ 565
5.2.7
Коррекция частотной характеристики ............................................................ 571
Основные положения ........................................................................................ 571
Универсальная коррекция частотной характеристики.......................... 574
Расщепление полюсов ....................................................................................... 575
Согласованная коррекция частотной характеристики .......................... 577
Скорость нарастания выходного напряжения .......................................... 577
Емкостная нагрузка ............................................................................................ 581
Внутренняя коррекция нагрузки ................................................................... 584
Двухполюсная коррекция частотной характеристики........................... 585
5.2.8
Параметры операционных усилителей ............................................................ 586
Усиление разностного и синфазного сигналов ......................................... 589
Входное напряжение смещения нуля........................................................... 592
Входные токи ........................................................................................................ 594
Входные сопротивления ................................................................................... 596
Выходное сопротивление ................................................................................. 598
Примеры статических погрешностей ........................................................... 599
Ширина полосы пропускания ........................................................................ 601
Шумы....................................................................................................................... 603
5.3
Усилитель крутизны ............................................................................................................ 606
5.3.1
Внутреннее устройство.......................................................................................... 607
5.3.2
Типовые применения ............................................................................................. 610
5.4
Усилитель полного сопротивления ................................................................................ 611
5.4.1
Внутреннее устройство.......................................................................................... 611
5.4.2
Частотные характеристики .................................................................................. 615
5.4.3
Типовые применения ............................................................................................. 618
5.5
Усилитель тока ....................................................................................................................... 619
5.5.1
Внутреннее устройство.......................................................................................... 620

Ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ ñõåìîòåõíèêà
14

5.5.2
Типовые применения ............................................................................................. 622
Использование схем с обратной связью по току ...................................... 622
Использование обратной связи по напряжению...................................... 630
5.6
Сопоставления ....................................................................................................................... 633
5.6.1
Практические применения ................................................................................... 639
5.6.2
Разновидности операционных усилителей .................................................... 642
Классификация .................................................................................................... 657
Литература......................................................................................................................................... 659

6.
Релаксационные схемы
660
6.1
Транзистор как элемент цифровой схемы .................................................................... 660
Динамические свойства .................................................................................... 662
6.2
Релаксационные схемы с насыщенными транзисторами ....................................... 663
6.2.1
Бистабильные релаксационные схемы ............................................................ 664
Триггер .................................................................................................................... 664
Триггер Шмитта................................................................................................... 666
6.2.2
Моностабильные релаксационные схемы ...................................................... 667
6.2.3
Астабильная релаксационная схема ................................................................. 668
6.3
Релаксационные схемы на транзисторах с эмиттерной связью ............................ 669
6.3.1
Триггер Шмитта с эмиттерной связью ............................................................ 669
6.3.2
Мультивибратор с эмиттерной связью ............................................................ 670
6.4
Релаксационные схемы на логических элементах ..................................................... 671
6.4.1
Триггеры ..................................................................................................................... 672
6.4.2
Одновибратор ........................................................................................................... 672
6.4.3
Мультивибратор ...................................................................................................... 673
6.5
Релаксационные схемы на компараторах ..................................................................... 675
6.5.1
Компараторы ............................................................................................................. 675
Двухпороговый компаратор ............................................................................ 677
6.5.2
Триггер Шмитта ....................................................................................................... 677
Инвертирующий триггер Шмитта ................................................................ 677
Неинвертирующий триггер Шмитта ............................................................ 678
Прецизионный триггер Шмитта .................................................................... 680
6.5.3
Мультивибраторы ................................................................................................... 680
Мультивибратор с прецизионным триггером Шмитта ......................... 682
6.5.4
Одновибраторы ........................................................................................................ 683
Одновибратор с послезапуском ..................................................................... 684
Литература......................................................................................................................................... 685

7.
Основы цифровой техники
686
7.1
Основные логические функции ....................................................................................... 686
7.2
Составление логических функций .................................................................................. 689
7.2.1
Таблица Карно .......................................................................................................... 691
7.3
Основные производные функции ................................................................................... 693
7.4
Схемотехническая реализация основных логических функций .......................... 694
7.4.1
Резисторнотранзисторная логика .................................................................... 696
7.4.2
Диоднотранзисторная логика ............................................................................ 697
7.4.3
Медленнодействующая помехоустойчивая логика..................................... 697
7.4.4
Транзисторнотранзисторная логика ............................................................... 698
Выходы с открытым коллектором................................................................. 699
Трехстабильные выходы ................................................................................... 701
7.4.5
Эмиттерносвязанная логика .............................................................................. 702
Функция «монтажное» ИЛИ .......................................................................... 705

Ñîäåðæàíèå
15

7.4.6
Комплементарная МОП логика ......................................................................... 706
Меры предосторожности при работе с КМОП схемами ....................... 708
Логические КМОП элементы ......................................................................... 709
Логический ключ ................................................................................................. 709
7.4.7
nканальная МОП логика ..................................................................................... 710
7.4.8
Заключительный обзор ......................................................................................... 711
7.5
Межсоединения ..................................................................................................................... 713
Литература......................................................................................................................................... 715

8.
Комбинационные логические схемы
716
8.1
Представление чисел............................................................................................................ 718
8.1.1
Положительные целые числа в двоичном коде............................................. 718
Восьмеричный код .............................................................................................. 718
Шестнадцатеричный код .................................................................................. 718
8.1.2
Положительные целые числа в двоичнодесятичном коде....................... 719
8.1.3
Целые двоичные числа с произвольным знаком .......................................... 719
Представление модуля и знака ....................................................................... 719
Представление с поразрядным дополнением до двух ............................ 720
Расширение знакового разряда ...................................................................... 721
Смещенный двоичный код............................................................................... 722
8.1.4
Двоичные числа с фиксированной запятой ................................................... 722
8.1.5
Двоичные числа с плавающей запятой ............................................................ 723
8.2
Мультиплексор ...................................................................................................................... 726
8.2.1
Дешифратор «один из n» ...................................................................................... 726
8.2.2
Демультиплексор ..................................................................................................... 727
8.2.3
Мультиплексоры ..................................................................................................... 728
8.3
Приоритетный дешифратор .............................................................................................. 729
8.4
Регистры сдвига ..................................................................................................................... 730
8.5
Компараторы ........................................................................................................................... 732
8.6
Сумматоры............................................................................................................................... 734
8.6.1
Полусумматоры ....................................................................................................... 734
8.6.2
Полный сумматор .................................................................................................... 735
8.6.3
Логика параллельного переноса ......................................................................... 736
8.6.4
Вычитание .................................................................................................................. 738
8.6.5
Переполнение при сложении чисел в дополнительном коде ................... 739
8.6.6
Сложение и вычитание чисел с плавающей запятой .................................. 740
8.7
Умножители ............................................................................................................................ 740
8.7.1
Умножение чисел с фиксированной запятой ................................................ 740
8.7.2
Умножение чисел с плавающей запятой ......................................................... 743
Литература......................................................................................................................................... 743

9.
Переключающие схемы
744
9.1
Интегральные триггеры ...................................................................................................... 744
9.1.1
Статические триггеры ............................................................................................ 744
Синхронный RSтриггер................................................................................... 745
Синхронный Dтриггер ..................................................................................... 746
9.1.2
Триггеры с вреЏменным запоминанием ......................................................... 746
Триггеры, срабатывающие по двум фронтам импульса ........................ 747
Триггеры, срабатывающие по одному фронту импульса ...................... 749
9.2
Двоичные счетчики............................................................................................................... 752
9.2.1
Асинхронный двоичный счетчик....................................................................... 753
9.2.2
Синхронный двоичный счетчик......................................................................... 754

Ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ ñõåìîòåõíèêà
16

9.2.3
Реверсивные счетчики ........................................................................................... 756
Счетчики с переключаемым направлением счета .................................... 757
Счетчики с входами прямого и обратного счета ...................................... 758
Устранение совпадений .................................................................................... 758
Метод вычитания ................................................................................................ 760
9.3
Двоичнодесятичный счетчик в коде 8421 ................................................................... 760
9.3.1
Асинхронный двоичнодесятичный счетчик................................................. 761
9.3.2
Синхронный двоичнодесятичный счетчик................................................... 762
9.4
Счетчики групп ...................................................................................................................... 763
9.5
Регистры сдвига ..................................................................................................................... 765
9.5.1
Принципиальная схема ......................................................................................... 765
9.5.2
Регистр сдвига с параллельным вводом .......................................................... 766
9.6
Обработка асинхронных сигналов .................................................................................. 766
9.6.1
Устранение вибраций механических контактов .......................................... 767
9.6.2
RSтриггер с запуском по фронту импульса .................................................. 768
9.6.3
Синхронизация импульсов .................................................................................. 768
9.6.4
Синхронный одновибратор.................................................................................. 769
9.6.5
Синхронный детектор изменений ..................................................................... 771
9.6.6
Синхронный тактовый переключатель............................................................ 771
9.7
Системное проектирование последовательностных схем ...................................... 772
9.7.1
Диаграмма состояний ............................................................................................ 772
9.7.2
Пример проектирования счетчика групп ........................................................ 774
9.7.3
Сокращение потребности в объеме памяти .................................................... 777
Входной мультиплексор ................................................................................... 778
9.8
Обозначения зависимостей ............................................................................................... 780
Литература......................................................................................................................................... 783

10. Полупроводниковые запоминающие устройства
784
10.1 Оперативные запоминающие устройства..................................................................... 786
10.1.1 Статические ОЗУ .................................................................................................... 786
ВременныЏе условия ......................................................................................... 789
10.1.2 Динамические ОЗУ ................................................................................................ 792
Контроллер динамического ОЗУ .................................................................. 792
10.2 Расширение возможностей ОЗУ ..................................................................................... 796
10.2.1 Двухпортовые ОЗУ ................................................................................................ 796
10.2.2 ОЗУ в качестве регистра сдвига ......................................................................... 797
10.2.3 Память FIFO ............................................................................................................. 798
Реализация памяти FIFO на стандартных ОЗУ ...................................... 800
10.2.4 Распознавание и коррекция ошибок................................................................. 802
Бит четности ......................................................................................................... 802
Код Хэмминга ....................................................................................................... 804
10.3 Постоянные ЗУ ...................................................................................................................... 806
10.3.1 ПЗУ, программируемое фотошаблоном.......................................................... 807
10.3.2 Программируемое ПЗУ......................................................................................... 807
10.3.3 Постоянное ЗУ с УФ стиранием ....................................................................... 809
10.3.4 Электрически стираемое программируемое ПЗУ ....................................... 812
10.4 Программируемые логические устройства .................................................................. 814
10.4.1 Программируемая матричная логика ............................................................... 818
10.4.2 Компьютерное проектирование ПЛУ .............................................................. 819
10.4.3 Обзор типов ПЛУ .................................................................................................... 821
10.4.4 Матрицы логических элементов, программируемые пользователем ... 825
Литература......................................................................................................................................... 827

Глава 1
Диоды

Диод представляет собой полупроводниковый элемент с двумя выводами, один из
которых называют анодом (А), а другой – катодом (К). Различают дискретные диоды
в виде отдельного элемента, предназначенного для монтажа на плате и заключенного
в собственный корпус, и интегральные диоды, которые вместе с другими элементами
схемы изготавливаются на общей полупроводниковой подложке. У интегральных
диодов имеется третий вывод, необходимый для соединения с общей подложкой.
Иногда его называют субстратом (S), но он играет второстепенную роль в функционировании самого диода.
Устройство. Диоды представляют собой электроннодырочный переход pn или
переход металл–полупроводник и называются соответственно диодами с pn переходом или диодами Шоттки. Зона p обогащена дырками, а зона n – электронами. Условное графическое обозначение и структура диода показаны на рис. 1.1. Обычно зоны p
и n диода с pn переходом изготавливаются из кремния. Кроме этого существуют дискретные диоды на основе германия. Им свойственно низкое прямое падение напряжения, однако они устарели. В диодах Шоттки зона p заменена слоем металла, что также
приводит к низкому прямому падению напряжения, поэтому они часто используются
вместо германиевых диодов с pn переходом.

На практике кремниевые диоды с pn переходом называют просто диодами. За исключением ряда диодов особого типа, все они изображаются на схемах одним
и тем же графическим символом. Диоды разного типа различают лишь по маркировке
на корпусе и техническим данным.
Режимы работы. В процессе работы диод может находиться в областях проводимости, запирания и пробоя, подробное описание которых дается в следующем разделе.
Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными; они попеременно работают в областях проводимости и запирания. Диоды, сконструированные для работы в области пробоя – стабилитроны (диоды Зенера)
применяют для стабилизации напряжения. Еще один важный класс диодов составляРис. 1.1. Условное графическое обозначение и устройство диода: а – графический символ; б – диод с pn переходом; в – диод Шоттки

а)
б)
в)

Глава 1. Диоды
18

ют варикапы. Они функционируют в режиме запирания и благодаря зависимости емкости запорного слоя (барьерной емкости) от приложенного напряжения могут использоваться для настройки колебательных контуров на нужную частоту. Существует
также множество специальных диодов, которые здесь не рассматриваются.

1.1
Свойства диодов

Поведение диода проще всего представить с помощью его вольтамперной характеристики, описывающей зависимость тока, протекающего через диод от приложенного
к нему напряжения в случае, когда все величины постоянны или медленно меняются
во времени. Для расчетов необходимы уравнения, строго описывающие поведение прибора. Чаще всего достаточно простых соотношений. Кроме того, имеется модель, хорошо
воспроизводящая динамическое поведение диода под воздействием синусоидальных или
импульсных сигналов. Эта модель рассматривается в разделе 1.3 и не требуется для изучения основных понятий. А теперь обратимся к поведению кремниевого диода с pn переходом.

1.1.1
Характеристики

Если к диоду приложить напряжение UD = UAK и измерить ток ID, полагая, что на анод
относительно катода поступает напряжение, мы получим характеристики, представленные на рис. 1.2. Обратите внимание на гораздо более крупный масштаб в области положительных напряжений. При UD > 0 В диод работает в области проводимости. Здесь ток
растет экспоненциально с напряжением. У диодов с pn переходом заметный ток течет
при UD > 0,4 В. При –UBR < UD < 0 В диод заперт, и ток становится пренебрежимо малым.
Этот участок называют областью запирания. Напряжение пробоя UBR зависит от типа

Рис. 1.2. Характеристики маломощных диодов

1.1. Свойства диодов
19

элемента и у выпрямительных диодов составляет от –50 до –1000 В. При UD < –UBR наступает пробой диода и возникает обратный ток. В этой области способны работать длительное время только стабилитроны и варикапы. Для диодов других типов наличие обратного тока при отрицательном напряжении нежелательно. В случае германиевых
диодов или диодов Шоттки заметный ток в области проводимости возникает уже при
UD > 0,2 В, а напряжение пробоя UBR составляет от –10 до –200 В.
В области проводимости диода при средних токах напряжение оказывается почти
постоянным благодаря крутому подъему характеристики. Это напряжение UF называется прямым. Для германиевых диодов и диодов Шоттки оно имеет величину UF,Gе
≈ UF,Шотки ≈ 0,3…0,4 В, а у кремниевых диодов UF,Si ≈ 0,6…0,7 В. У силовых диодов при
токах в несколько ампер оно бывает существенно выше, так как в дополнение к внутреннему прямому напряжению появляется заметное падение напряжения на прямом
сопротивлении и сопротивлении вводов диода: UF = UF,I + +IDRB. В предельном случае ID → ∞ диод ведет себя, как очень малое сопротивление RB ≈ 0,01…10 Ом.
Область запирания в увеличенном масштабе представлена на рис. 1.3. Ток в запирающем направлении (обратный ток) IR = –ID весьма мал при запирающем напряжении UR = –UD и с приближением к напряжению пробоя сначала медленно увеличивается, а затем резко возрастает.

1.1.2
Описание диода с помощью уравнений

Характеристика диода в области UD > 0 в полулогарифмическом масштабе почти линейна (рис. 1.4). Следовательно, в силу ln ID ~ UD (пропорционально) между ID и UD
действует экспоненциальная зависимость. Исходя из закономерностей физики полупроводников [1.1], имеем:

(
)

⎛
⎞
⎜
⎟
=
−
⎜
⎟
⎝
⎠
1

D

T

U
U
D
D
S
I
U
I
e
 для UD ≥ 0.

Рис. 1.3. Характеристика маломощного диода в области запирания