Конспект лекций по электронике В.А. Куликов
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»
(ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»)
В.А. Куликов
ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ БАКАЛАВРОВ
Рекомендовано учебно-методическим советом ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» в качестве
учебного пособия для студентов направления «Информатика и вычислительная техника»
Ижевск Издательство ИжГТУ
имени М.Т. Калашникова
2015
УДК 519.2
ББК
К
Рецензенты:
В.Б. Гитлин, доктор технических наук, профессор ИжГТУ имени М.Т. Калашикова;
С.Ю. Юран, доктор технических наук, профессор ИжГСХА
Куликов, В. А.
Электроника для бакалавров : учеб. пособие. – Ижевск : Изд-во ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, 2015. – 140 с.
ISBN
Учебное пособие рассчитано на студентов-бакалавров, изучающих курс «Электроника» в объеме программ направлений «Информатика и вычислительная техника» технического университета.
Рассмотрены физические основы электроники, электронные полупроводниковые компоненты, базовые электронные схемы, методы компьютерного моделирования и основы расчета схем, вопросы курсового проектирования.
Пособие может служить основой для изучения схемотехники ЭВМ и ана- лого-цифровых устройств, микропроцессорной техники и других схемотехнических дисциплин.
УДК 621.38
ББК
ISBN |
© Ижевский государственный |
|
технический университет |
|
имени М.Т. Калашникова, 2015 |
|
© Куликов В.А., 2015 |
Оглавление
|
Введение |
|
Часть I. |
Физические основы электроники, электрон- |
|
|
ные компоненты и схемы |
|
1 |
Физические основы электроники |
9 |
|
1.1. Основы зонной теории твердого тела |
9 |
|
1.2. Классификация твердых тел по электропроводности |
10 |
|
1.3. Собственная и примесная электропроводность по- |
|
|
лупроводников |
11 |
|
1.4. Эффект компенсации примесей |
14 |
|
1.5. Диапазон температур эксплуатации полупроводни- |
|
|
ковых приборов |
15 |
|
1.6. Законы электричества в полупроводниках |
16 |
|
Вопросы для контроля знаний |
17 |
2 |
Полупроводниковые диоды |
18 |
|
2.1. Основы функционирования p-n – перехода в равно- |
|
|
весном и неравновесном состояниях |
18 |
|
2.2. Контакты металл-полупроводник |
20 |
|
2.3. Вольт-амперная характеристика диода |
21 |
|
2.4. Параметры диодов |
23 |
|
Вопросы для контроля знаний |
24 |
3 |
Биполярные транзисторы и приборы на осно- |
25 |
|
ве биполярной технологии |
|
|
3.1. Общие сведения о биполярных транзисторах |
25 |
|
3.2. Режимы работы и схемы включения |
27 |
|
3.3. Физические процессы в биполярном транзисторе, |
29 |
|
принцип работы |
|
|
3.4. Нелинейная модель биполярного транзистора |
34 |
|
3.5. Статические вольт-амперные характеристики, мето- |
|
|
дика измерений |
35 |
|
3.6. Линейные модели биполярного транзистора |
38 |
|
3.7. Предельные параметры биполярного транзистора |
42 |
|
3.8. Биполярный транзистор с инжекционным питанием, |
|
|
принцип работы и применение |
42 |
|
3.9. Полупроводниковые биполярные приборы с поло- |
|
|
жительной обратной связью |
44 |
|
Вопросы для контроля знаний |
48 |
4 |
Полевые транзисторы |
49 |
|
4.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n- |
|
|
переходом. Принцип функционирования |
49 |
4.2. Характеристики, модели и применение полевых |
|
транзисторов с управляющим p-n-переходом |
51 |
4.3.Транзисторы со структурой металл-диэлектрик- |
|
полупроводник. Принцип функционирования |
53 |
4.4. Характеристики, модели и основы применения |
|
МДПТ |
55 |
4.5. Особенности реализации электронных компонентов |
|
в интегральных схемах |
57 |
Вопросы для контроля знаний |
59 |
5 Ключи на биполярных транзисторах |
60 |
|
|
5.1. Общие сведения о ключах |
60 |
|
5.2. Способы обеспечения закрытого состояния ключа |
61 |
|
5.3. Открытое состояние ключа |
62 |
|
5.4. Процесс открывания (включения) ключа |
63 |
|
5.5. Процесс закрывания (выключения) ключа |
65 |
|
5.6. Способы повышения быстродействия ключа. Ключ |
|
|
с форсирующим конденсатором в цепи базы |
66 |
|
5.7. Ключ с нелинейной обратной связью. Транзистор |
|
|
Шоттки |
68 |
|
5.8. Работа ключа на емкостную нагрузку |
69 |
|
Вопросы для контроля знаний |
72 |
6 Общие сведения об усилителях |
73 |
|
|
6.1. Параметры и характеристики усилителей |
73 |
|
6.2. Нагрузочные характеристики, классы усиления |
77 |
|
6.3. Условия согласования усилителя с источником сиг- |
|
|
нала и нагрузкой |
81 |
|
Вопросы для контроля знаний |
83 |
7 |
Цепи смещения |
84 |
|
7.1 Цепи смещения БТ в схемах ОЭ, ОБ, ОК |
84 |
|
7.2. Термостабилизация рабочей точки БТ |
86 |
|
Вопросы для контроля знаний |
88 |
8 |
Усилители на БТ |
89 |
|
8.1. Усилитель по схеме ОЭ |
89 |
|
8.2. Усилитель по схеме ОБ |
95 |
|
8.3. Усилитель по схеме ОК |
99 |
|
8.4. Сравнительная оценка свойств усилителей по схе- |
|
|
мам ОЭ, ОБ, ОК |
101 |
|
Вопросы для контроля знаний |
102 |
9 Обратные связи в усилителях |
103 |
|
|
9.1 Определение и классификация обратных связей |
103 |
|
9.2. Примеры схем с отрицательной обратной связью |
105 |
|
9.3. Влияние ООС на коэффициент усиления по напря- |
|
|
жению |
107 |
|
9.4. Влияние ООС на входное сопротивление усилителя |
108 |
|
9.5. Влияние ООС на выходное сопротивление усилите- |
|
|
ля |
109 |
|
9.6. Влияние ООС на диапазон усиливаемых частот, |
|
|
частотные и нелинейные искажения |
110 |
|
Вопросы для контроля знаний |
111 |
10 |
Усилители мощности |
112 |
|
10.1. Структурная схема усилителя мощности |
112 |
|
10.2 Выходной каскад на БТ в классе В |
112 |
|
10.3. Выходной каскад на БТ в классе АВ |
114 |
|
10.4. Составные транзисторы |
115 |
|
10.5. УМ на операционном усилителе и составных БТ |
116 |
|
Вопросы для контроля знаний |
117 |
11 |
Источники вторичного электропитания |
118 |
|
11.1. Структурная схема источника питания |
118 |
|
11.2. Выпрямители и фильтры |
119 |
|
11.3. Классификация и система параметров стабилиза- |
|
|
торов напряжения |
121 |
|
11.4. Параметрический стабилизатор напряжения |
122 |
|
11.5. Компенсационный стабилизатор напряжения |
124 |
|
11.6. Защита компенсационного стабилизатора от ко- |
|
|
роткого замыкания |
128 |
|
11.7. Импульсный стабилизатор напряжения |
129 |
|
Вопросы для контроля знаний |
133 |
12 |
Мультивибраторы |
134 |
|
12.1. Мультивибратор на биполярных транзисторах |
134 |
|
12.2. Мультивибратор на основе операционного усили- |
135 |
|
теля |
|
|
Вопросы для контроля знаний |
138 |
13 |
Логические электронные схемы |
138 |
|
13.1. Диодная логическая схема |
138 |
|
13.2. Диодно-транзисторная логическая схема |
139 |
|
13.3.Транзисторно-транзисторная логическая схема |
139 |
|
Вопросы для контроля знаний |
140 |
Часть II. |
Моделирование электронных схем в среде |
|
|
Micro-Cap |
|
1 Порядок компьютерного моделирования |
141 |
|
|
полупроводниковых приборов и схем |
|
2 |
Диод и схемы с диодом |
144 |
|
|
2.1. |
Моделирование вольт-амперной характеристики |
|
|
(ВАХ) диода |
144 |
|
|
2.2 |
Моделирование диода в динамическом режиме |
147 |
|
2.3 |
Моделирование однополупериодного выпрямителя |
|
|
с фильтром |
149 |
|
|
2.4 |
Задание на моделирование |
150 |
3 |
Биполярный транзистор |
150 |
|
|
3.1 |
Моделирование входных характеристик в схеме с |
|
|
общим эмиттером |
150 |
|
|
3.2 |
Моделирование выходных характеристик в схеме с |
|
|
общим эмиттером |
152 |
|
|
3.3 |
Задание на моделирование |
154 |
4 |
Ключи на биполярном транзисторе |
154 |
|
4.1Моделирование амплитудной передаточной харак154 теристики (АПХ) простейшего ключа
4.2Моделирование динамического режима простейшего
ключа |
155 |
4.3 Моделирование динамического режима ключа с |
|
форсирующим конденсатором |
157 |
4.4 Задание на моделирование |
158 |
5 Усилитель на биполярном транзисторе |
158 |
|
5.1 |
Настройка начальной рабочей точки |
158 |
5.2 Определение параметров усилителя по переменному |
|
|
току |
160 |
|
5.3 |
Моделирование амплитудно-частотной (АЧХ) и фа- |
|
зочастотной (ФЧХ) характеристик |
163 |
|
5.4 |
Задание на моделирование |
164 |
6 Компенсационный стабилизатор напряжения |
164 |
|
6.1 |
Моделирование амплитудной передаточной харак- |
|
теристики (АПХ) стабилизатора |
164 |
|
6.2 |
Определение параметров стабилизатора |
166 |
6.3 |
Задание на моделирование |
169 |
7 Схемы на операционных усилителях |
169 |
|
7.1 |
Моделирование инвертирующего усилителя |
169 |
7.2 |
Моделирование неинвертирующего усилителя |
171 |
7.3 |
Моделирование мультивибратора (релаксационного |
|
генератора) |
173 |
|
7.4 |
Задание на моделирование |
174 |
Часть |
Основы расчета электронных схем |
|
|
III. |
|
|
|
1 Расчет схем с применением метода эквива- |
175 |
||
|
|
лентных источников |
|
|
1.1 |
Краткая теория метода |
175 |
|
1.2 |
Примеры применения метода эквивалентных источ- |
|
|
ников |
177 |
|
|
1.3 |
Варианты заданий на расчет |
180 |
2Расчет схем с нелинейными элементами методом линеаризации вольтамперной характери-
стики
2.1Краткая теория метода
2.2Примеры расчета схем с диодами
2.3Варианты заданий на расчет
3 Расчет переходных процессов в цепях первого порядка
3.1 Краткая теория метода
3.2.Примеры анализа переходных процессов
3.3.Варианты заданий на расчет
182
182
183
186
187
187
189
194
Часть Курсовое проектирование по электрониIV. ке
Введение |
196 |
Исходные задания |
196 |
Базовые схемы для расчета |
199 |
Oсобенности расчета электронных схем |
201 |
Общая методика расчета схем |
201 |
Практические рекомендации по расчету |
202 |
Содержание и требования к оформлению поясни- |
|
тельной записки и графической части |
203 |
Заключение |
207 |
Методическая и справочная литература |
208 |
Введение
Учебное пособие состоит из четырех частей.
В первой части представлен теоретический материал.
Рассмотрены основные понятия физики твердого тела и основы полупроводниковой электроники, представлены полупроводниковые компоненты, изготавливаемые по биполярной и полевой технологии.
Рассматривается работа простейшего ключа и его модификации. Приведены основные сведения об усилителях и усилительных каска-
дах. Рассмотрены принципы реализации обратных связей и их влияние на свойства усилителей.
Представлен материал по источникам вторичного электропитания, мультивибраторам и логическим элементам.
Во второй части пособия рассматриваются вопросы моделирования электронных компонентов и схем в среде Micro-Cap. Приведены основные сведения о работе с моделирующей программой и примеры моделирования компонентов и схем.
В третьей части изложены основные наиболее часто применяемые методы расчета электронных схем – методы эквивалентных источников, линеаризации вольтамперных характеристик и расчета переходных процессов в схемах первого порядка. Рассмотрены примеры расчета схем, представлены задания для самостоятельной работы.
Четвертая часть пособия посвящена курсовому проектированию в области электроники. В качестве объектов проектирования (расчета) рассматриваются базовые электронные схемы усилителей, стабилизаторов напряжения, мультивибратора и логического элемента. Даны рекомендации по расчету схем, указаны требования к содержанию и оформлению отчетных документов.
Пособие содержит обширный список литературы по разделам электроники, что может быть полезным при освоении курса.
Часть I. Физические основы электроники, электронные компоненты и схемы
1 Физические основы электроники
1.1Основы зонной теории твердого тела
Втвердом теле вместо системы отдельных, разрешенных для электронов уровней энергии (рис. 1.1, а), как у одиночного атома, существует система разрешенных энергетических зон (рис. 1.1, б). Это обусловлено взаимодействием близко расположенных атомов. Разрешенные зоны (РЗ) разделены запрещенными зонами (ЗЗ).
, эВ
рз
зз
рз
зз
рз
а) |
б) |
Рис. 1.1
На электропроводящие свойства твердого тела влияют степень заполнения электронами двух верхних РЗ и межзонные переходы электронов.
На рис. 1.2 показана выделенная на рис. 1.1, б часть зонной диаграммы, отвечающая за электропроводность.
,эВ ЗП
дзп
зз
пвз
ВЗ
Рис. 1.2
На этой диаграмме верхняя РЗ носит название зоны проводимости (ЗП). Ей соответствуют свободные электроны, находящиеся в межатомном пространстве и способные создавать электрический ток (электроны проводимости). Нижняя РЗ называется валентной зоной (ВЗ), ей соответствуют электроны, образующие ковалентные связи между атомами (валентные), жестко связанные с атомами и неспособные создавать ток.
Важным с точки зрения электропроводности параметром твердого тела является ширина запрещенной зоны (ЗЗ) зз между ЗП и ВЗ. На рис. 1.2
также показаны Ɛ ДЗП – энергия дна ЗП и Ɛ ПВЗ – энергия потолка ВЗ. Считается, что при переходе электрона из одной разрешенной зоны в другую его энергия изменяется на зз , то есть от Ɛ ДЗП до Ɛ ПВЗ или наоборот.
1.2 Классификация твердых тел по электропроводности
По электропроводности твердые тела делятся на три группы: металлы, диэлектрики и полупроводники.
В металлах ЗП и ВЗ перекрываются (рис. 1.3), поэтому валентные электроны без значительных энергетических воздействий легко переходят в ЗП и становятся электронами проводимости. Концентрация электронов проводимости в металлах достаточно большая, что обеспечивает их высокую электропроводность.
Рис. 1.3
При увеличении температуры концентрация растет, однако электропроводность металлов падает, так как более значительно снижается подвижность электронов. Степень зависимости электропроводности от температуры выражается температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления
ТКС |
|
|
1 |
. |
(1.1) |
|
|
||||
|
T |
|
|||
Здесь - изменение удельного сопротивления при изменении температуры на T ; - значение удельного сопротивления, относительно которого происходят малые изменения . Таким образом, при повышении температуры сопротивление металлов увеличивается, т.е. ТКС металлов имеет положительный знак.
Диэлектрики имеют зонную диаграмму, как показано на рис. 1.2. При температуре абсолютного нуля (T 0К) все валентные электроны связаны с атомами и находятся в ВЗ. Электронов проводимости нет, ЗП пуста. При повышении температуры за счет колебаний атомов часть связей разрывается, электроны переходят в межатомное пространство и становятся электронами проводимости. Появляется электропроводность. В рабочем диапазоне температур (-60…+125 °С) электропроводность проявляется слабо, так как концентрация свободных электронов мала. Однако электропроводность растет с температурой в связи с повышением концентрации электронов проводимо-