Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина”

Нижнетагильский технологический институт (филиал)

ЭЛЕКТРОНИКА

Базовый курс лекций

Учебное пособие

Электронное издание

2013

УДК 621.38

ББК 32.85

Л 44

Электроника / Базовый курс лекций / И.И. Лемехова / Учебное пособие

Н. Тагил Изд. НТИ УрФУ, 2013

В учебном пособии представлены опорные материалы 18 лекций по 6 основным разделам курса «Электроника», а также тесты самоконтроля по каждой теме.

Предлагаемый краткий курс предназначен для бакалавров, обучающихся по направлению «Электротехника» и должен познакомить студентов с современной элементной базой, на основе которой реализуются средства автоматизации технологических процессов. Лекции позволят изучить принципы работы типовых узлов устройств автоматики, таких, как усилительные и генераторные устройства, вторичные источники питания, комбинационные и последовательностные схемы, аналого-цифровые преобразователи.

Содержание

	стр
Раздел 1. Введение	4
Лекция 1. Классификация электронных устройств. Структурные и принципиальные схемы
Раздел 2. Аналоговые устройства	5
Лекция 2. Транзисторные усилители
Лекция 3. Обратная связь в усилителях и ее влияние на параметры
Лекция 4. Операционные усилители
Лекция 5. Аналоговые устройства на ОУ
Лекция 6. Генераторы синусоидальных колебаний
Раздел 3. Вторичные источники питания
Лекция 7. Структурная схема. Выпрямители и фильтры
Лекция 8. Стабилизаторы
Раздел 4. Импульсные устройства
Лекция 9. Транзисторные ключи
Лекция 10. Генераторы прямоугольных импульсов
Лекция 11.Импульсные формирователи
Лекция 12. Генераторы линейно изменяющегося напряжения
Раздел 5. Основы цифровой схемотехники
Лекция 13. Логические элементы
Лекция 14. Комбинационные схемы
Лекция 15. Триггеры
Лекция 16. Последовательностные устройства: регистры и счетчики
Раздел 6. Преобразователи информации
Лекция 17. Цифро-аналоговые преобразователи
Лекция 18. Аналого-цифровые преобразователи
Библиографический список

Раздел 1. Введение

Электроника – область науки и техники, изучающая физические процессы, происходящие при протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле, принципы создания приборов на их основе, а также устройств на основе этих приборов.

Создание различных схем на основе полупроводниковых приборов и ИМС, объединяемых в электронные устройства, относится к вопросам технической электроники или схемотехники. Все электронные устройства по области применения можно разделить на три группы: информационные, энергетические и технологические. Информационные устройства предназначены для обработки, передачи и хранения информации, энергетическая электроника разрабатывает и эксплуатирует установки для преобразования электрической энергии (рода тока), а технологическая – для обработки материалов с помощью электронного луча.

Разработка любого радиоэлектронного устройства в настоящее время остается в значительной степени не техникой, а искусством, о чем свидетельствует и название одного из самых популярных трудов по данному вопросу [1]. Однако за полвека развития полупроводниковой электроники накоплено большое количество типовых решений отдельных узлов и блоков, разработаны методики их расчета. Знание таких схем для студента, изучающего электронику – основа мастерства, набор «техник», на котором базируется любое искусство. Обычно при проектировании электронного устройства любого назначения – контрольно-измерительного или управляющего, в нем можно выделить функциональные узлы и структурные блоки.

Под функциональным узлом понимается схема обозримой сложности, реализующая законченную функцию: генератор сигналов, усилитель, источник питания, селектор, компаратор и т.д. Для функциональных узлов характерна универсальность – различные устройства используют одни и те же узлы; это повышает важность их изучения и освоения методик расчета будущими инженерами.

В данном пособии последовательно описаны наиболее распространенные узлы электронных устройств: транзисторные и интегральные усилители различных видов, генераторы гармонических и импульсных сигналов, а также вторичные источники питания для этих блоков, реализованные на современной элементной базе: цифровых интегральных схемах, операционных усилителях, интегральном таймере, интегральных стабилизаторах напряжения. Поскольку пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Электротехника», специфические вопросы телевизионных, радиотехнических устройств и устройств связи в нем не рассматриваются.

Краткое описание принципа действия схемы служит основой для понимания методики расчета ее элементов при заданных параметрах устройства или (в некоторых случаях) расчета параметров блока при заданных номиналах элементов схемы.

Лекция 1. Классификация электронных устройств. Структурные и принципиальные схемы

Техническая электроника – область науки и производства, охватывающая исследование и разработку электронных средств различного применения.

Промышленное применение устройств электроники можно разделить на три направления: информационную электронику, занимающуюся устройствами для получения, передачи и обработки информации, обеспечивающей контроль и управление различными процессами, силовую ( энергетическую ) электронику, занимающуюся вопросами преобразования переменного и постоянного тока для нужд электроэнергетики , и технологическую, где электронный луч используется непосредственно для обработки материалов. В данном пособии рассматриваются только устройства информационной электроники, поскольку остальные разделы изучаются в специальных курсах.

Электронное устройство – электронное средство, представляющее собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции, реализующее функцию передачи, приема или преобразования информации или техническую задачу на их основе.

По применяемой элементной базе можно выделить 4 этапа в развитии электроники:

1. электровакуумные и газоразрядные приборы

2. дискретные полупроводниковые приборы

3. интегральные схемы ( микроэлектроника)

4. большие и сверхбольшие ИС

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие с высокой плотностью упаковки электрически соединенных элементов, выполняющие функции преобразования и обработки сигналов

Классификация электронных сигналов

Информация в электронных устройствах представлена сигналами.

Сигнал – физический процесс, с заданной точностью отображающий сведения о состоянии изучаемого процесса или объекта и пригодный для дальнейшей обработки и передачи на расстояние.

По виду обрабатываемого сигнала устройства информационной электроники делятся на аналоговые и дискретные ( импульсные и цифровые,), а также преобразовательные ( ЦАП и АЦП).

Аналоговые электронные устройства предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, В таком устройстве каждому значению реальной физической величины однозначно соответствует определенное значение сигнала, непрерывного во времени и способного принимать бесконечное множество значений. Достоинствами такого представления информации являются теоретически м максимально достижимая точность и быстродействие, простота устройства. А недостатками – сильная зависимость от дестабилизирующих факторов, низкая помехоустойчивость, низкая энергоэффективность, трудность долговременного хранения и передачи на большие расстояния. Информация в сигнал вводится путем изменения одного из параметров сигнала – модуляции. Аналоговые сигналы могут быть представлены сигналом постоянного тока и гармоническим ( синусоидальным) сигналом с амплитудной, частотной и, реже, фазовой модуляцией.

В свою очередь дискретные электронные устройства подразделяются на импульсные и цифровые.

Импульсом называется короткий электрический сигнал, длительность которого соизмерима с длительностью переходных процессов в цепи, на которую он воздействует.

В импульсных электронных устройствах применяются прерывистые во времени сигналы с различными видами модуляции (амплитудно-импульсная (АИМ), частотно-импульсная (ЧИМ), широтно-импульсная (ШИМ)). Обычно формируются импульсные последовательности.

Параметры импульсных сигналов

По форме условно различают прямоугольные или трапецеидальные импульсы; треугольные импульсы, а также импульсы пилообразного напряжения. Чаще всего в импульсной технике применяют сигналы прямоугольной формы.

Рис. 1.1. Основные параметры прямоугольных импульсов

Частота повторения импульсов f_м и их скважность Q определяются по формулам:

; .

U_max – установившееся значение амплитуды импульсов;

t_ф – длительность фронта импульса (снимается между уровнями 0,1 и 0,9 U_max);

t_с – длительность среза, измеряется между аналогичными уровнями;

t_и – длительность импульса, измеряется на уровне 0,5 амплитуды;

∆U_max – спад вершины – разность между максимальными установившимися значениями амплитуды;

T_п – период повторения (промежуток времени от начала одного до начала следующего импульса);

Рис. 1.2. График реального импульса

Импульсные устройства имеют следующие преимущества перед аналоговыми:

– точная и надежная обработка и передача информации, большая помехозащищенность;

– меньшие энергозатраты и более высокий КПД.

Цифровой (логический) сигнал – специально образом кодированный сигнал, которому приданы значения «0» или «1».

В зависимости от принятого способа кодирования различают несколько типов логических сигналов.

Таблица 1.1

Типы логических сигналов

Форма сигнала	Название и описание	Требования
	Положительная потенциальная логика: нулю соответствует низкий, а единице – высокий положительный уровень напряжения	Требуют больших энергетических затрат
	Отрицательная потенциальная логика: нулю соответствует высокий положительный уровень напряжения, а единице – низкий
	Импульсная логика: единице соответствует наличие импульса, нулю его отсутствие	Требуют синхронизации, т.е. введения в систему меток времени
	Динамическая логика: единице соответствует последовательность коротких импульсов, а нулю их отсутствие

Цифровые электронные устройства в настоящее время получили очень широкое распространение благодаря высокой надежности, высокой помехоустойчивости, возможности длительного хранения информации без ее потери; энергетической совместимости и интегральной технологичности элементной базы.

К аналоговым электронным устройствам относятся: электронные усилители, операционные усилители, коммутаторы, компараторы, перемножители напряжений, стабилизаторы напряжения непрерывного действия и т.д.

К импульсным электронным устройствам относятся: мультивибраторы, одновибраторы, триггеры, блокинг-генераторы, функциональные преобразователи, генераторы пилообразного напряжения, таймеры и т.д.

К цифровым электронным устройствам относятся: логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры и т.д.

К комбинированным электронным устройствам относятся: аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи.

Структурные и принципиальные схемы

Принципиальная схема (Э3) определяет полный состав элементов и связей между ними и дает детальное представление о принципах работы изделия.

Она служит основанием для разработки других конструкторских документов. Принципиальными схемами пользуются для изучения принципов работы изделия, а также при их наладке, контроле и ремонте.

Правила построения и выполнения принципиальных электрических схем установлены стандартами ЕСКД (ГОСТ 2.701-76, ГОСТ 2.705-75). Наглядность, удобочитаемость схемы – важные ее достоинства. Хаотичное расположение элементов схемы, неудачная трассировка линий связи между ними с большим числом поворотов и пересечений, нетрадиционное изображение типовых схем – все это делает схему труднопонимаемой. Напротив, схемы, у которых условные обозначения элементов, линий связи выровнены по горизонтали и вертикали, трассы линий связи проложены экономно, легко читаются и их действие постигается значительно быстрее.