Skhemotekhnika_1

УДК 621.37 ББК 32.844

Б43

Рецензенты:

С.А. Овчукова, профессор кафедры электротехники МГУП; Л.П. Ичкитидзе, доцент кафедры биомедицинских систем МИЭТ (технический университет)

Белодедов М.В., Михайлова О.М., Черных С.В.

Б43 Схемотехника. Часть I. Пассивные и активные элементы: учеб. пособие / М.В. Белодедов, О.М. Михайлова, С.В. Черных; Моск. гос. ун-т печати.

— МГУП, 2008, — 162 с.

ISBN 978-5-8122-0992-9

Учебное пособие содержит сведения об основных элементах электронных устройств, их структуре, параметрах и характеристиках, об их применениях в схемотехнике и методах анализа и проектирования схем, использующих эти элементы. В качестве нелинейных элементов рассмотрены полупроводниковые приборы, являющиеся базовыми элементами современной схемотехники.

Пособие предназначено для самостоятельной работы студентов специальностей 220201.65 (220201.62) — «Управление и информатика в технических системах» и 220301.65 (220301.62) — «Автоматизация технологических процессов и производств». Помимо теоретического материала, пособие содержит программы лабораторно-практических работ, предназначенных для закрепления сведений, полученных по каждой теме.

Пособие также может быть полезно аспирантам, научным сотрудникам и инжерено–техническим работникам.

Печатается в авторской редакции.

Михайлова О.М., Черных С.В., 2008

© Московский государственный университет печати, 2008

2

Введение

Развитие человечества в настоящее время все в бόльшей и бόльшей степени опирается на развитие электронных средств, которые играют первостепенную роль не только в области электроэнергетики, но и являются основой развития средств передачи, хранения и переработки информации.

На разных стадиях развития человечества использовалась самая различная база для построения устройств обработки информации. Это были шестеренки в вычислительных устройствах Бэббиджа, и электромеханические реле в «Z3», и электронные лампы в ЭВМ «Эниак», и полупроводниковые структуры в современной схемотехнике. Несмотря на разнообразие элементной базы, можно найти много общего в принципах построения схемотехнических устройств, разработанных с использованием различных элементов, поскольку все они предназначены для решения в первую очередь задач информационных технологий.

В настоящем учебном пособии, помимо пассивных линейных устройств, как дискретных, так и распределенных, рассматриваются основные элементы полупроводниковых устройств схемотехники, поскольку именно они используются в подавляющем большинстве современных устройств.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов технических специальностей, изучающих курсы «Электротехника и электроника», «Основы радиоэлектроники», «Схемотехника». Отдельные основополагающие вопросы упомянутых учебных дисциплин вынесены в настоящем пособии в отдельные темы. Изучать темы рекомендуется именно в той последовательности, в которой они представлены в пособии, поскольку, как правило, большинство тем предполагает знакомство с предыдущими.

Помимо основных теоретических сведений, касающихся конкретного элемента, его параметров и характеристик, методов анализа синтеза устройств с его использованием, каждая тема содержит конкретные практические примеры расчета схемотехнических устройств, контрольные вопросы и программу выполнения лабораторной работы

3

по данной теме. В начало каждой темы вынесены также ключевые понятия и термины, смысл которых раскрывается в данной теме.

Предлагаемые контрольные вопросы не рассчитаны на непосредственный поиск ответов на них в тексте теоретической части темы, ответ на них предполагает тщательное изучение и осознание разбираемого материала.

Авторы настоящего пособия считают, что самостоятельная работа студентов будет достигать наибольшей эффективности при самостоятельном выполнении студентами лабораторно-практических работ по основным изучаемым темам.

Программы выполнения лабораторных работ, которые есть в каждой теме пособия, не содержат конкретного описания лабораторной техники, необходимой для ее выполнения. Это связано с тем, что лабораторные работы могут выполняться как с использованием реальных электронных компонентов — резисторов, конденсаторов, осциллографов, генераторов и т.д. в учебных лабораториях, так и путем применения разнообразных эмулирующих программ, таких, напри-

мер, как Electronics Workbench, PSpice, Simulink и т.д. в компьютер-

ных классах и при домашней подготовке. Рекомендуется каждую лабораторную работу выполнять в сотрудничестве с преподавателем, ведущим соответствующий курс.

Успешность самостоятельной работы студентов оценивается путем их предварительного, промежуточного и итогового тестирования по тестам, разработанным в МГУП.

4

ТЕМА 1. ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

электрический потенциал, напряжение

сила тока резистор, сопротивление, проводимость

закон Ома, правило узлов

делитель напряжения идеальный источник напряжения идеальный источник тока

резистивный сумматор напряжения последовательное соединение резисторов параллельное соединение резисторов законы Кирхгофа метод контурных токов

метод эквивалентного генератора

Основными параметрами, описывающими электрические цепи,

являются потенциал электрического поля и сила тока.

Потенциал электрического поля ϕA произвольной точки A иногда определяется как работа, которая совершается силами электрического поля по переносу единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность. Потенциал электрического поля (или просто потенциал) измеряется в вольтах (В). Абсолютное значение потенциала никакого физического смысла не имеет, как не имеет его абсолютное значение координаты точки в пространстве. Физический смысл имеет только разность потенциалов двух различных точек или одной и той же точки в разные моменты времени (точно так же, как физический смысл имеет разность координат). По определению, если электрический заряд q имел потенциал ϕ1 , который затем изменился до значения ϕ2 , то его потенциальная энергия изменилась на величину q(ϕ2 − ϕ1 ). Один вольт соответствует разности потенциалов, при которой заряд в один кулон (Kл) приобретает энергию в один джоуль (Дж). Другое название разности потенциалов — электрическое на-

пряжение или напряжение.

Идеальные проводники обладают тем свойством, что все точки

5

идеального проводника имеют один и тот же потенциал. На электрических схемах идеальные проводники изображаются сплошными линиями. Пересечение двух проводников обозначается жирной точкой в случае, если проводники соединены, т.е. имеют одинаковые потенциалы (рис. 1.1). Разветвление проводников также обозначается жирной точкой. В некоторых зарубежных стандартах разветвление проводников принято обозначать так, как это показано на нижней схеме рис. 1.2.

кулон.

зический смысл имеет не потенциал сам по себе, а разность потенциалов.

В проводниках, не являющихся идеальными, ток может течь только в том случае, если между двумя точками проводника есть некоторая отличная от нуля разность потенциалов. Причем в этом случае для одного и того же проводника сила тока, протекающего в проводнике от точки A к точке B оказывается пропорциональной разности потенциалов между точками проводника: I AB ~ ϕA − ϕB = U AB . Коэффициент пропорциональности носит название сопротивление проводника. Соотношение I = UR называется «закон Ома». Едини-

6

цей измерения сопротивления является Ом, 1Ом =1В1А . Иногда используют величину, обратную сопротивлению — проводимость G = 1R , измеряемую в сименсах. Закон Ома в этом случае приобретает вид I = UG .

Одним из главных элементов цепей постоянного тока является резистор. Это двухполюсник, т.е. устройство с двумя клеммами, к которым можно присоединять внешние проводники. Резистор полностью характеризуется своим сопротивлением. Обозначение резистора

то алгебраическая сумма токов, втекающих в узел, равна нулю:

åIn = 0 .

n

Направления течения токов в проводниках при этом можно выбирать произвольным образом, например, все втекающие — со знаком «+», а все вытекающие — со знаком «–». Другая формулировка первого закона Кирхгофа: сумма втекающих токов равняется сумме вытекающих. Для расчета любой цепи постоянного тока достаточно применить к каждому резистору закон Ома, а к каждому узлу — первый закон Кирхгофа.

мы ничего не подключено.

Решение. В верхнем узле схемы ток, вытекающий из схемы, от-

7

сутствует. Поэтому ток I, протекающий через резистор R1, протекает и через резистор R2.

Разность потенциалов на резисторе R2 (падение напряжения на резисторе R2), равная по закону Ома величине IR2, является выходным напряжением схемы. Сумма падений напряжений на обоих резисторах представляет собой входное напряжение. Таким образом,

ны обозначения, используемые для обозначения нулевой точки (для названия которой применяется также термин «земля»).

ЭДС. Направление стрелки соответствует направлению ЭДС. Аналогично идеальный источник тока — это двухполюсник,

между клеммами которого протекает неизменный ток. Этот ток будет протекать через любой двухполюсник, подключенный к идеальному источнику тока.

Если идеальный проводник ( R = 0 ) подключить к идеальному источнику напряжения, то через него потечет бесконечно большой

8

ток: I = UR = U0 = ¥ . Если идеальный изолятор ( R = ¥ ) подключить к идеальному источнику тока, то падение напряжения на нем будет равно бесконечности: U = IR = I ´ ¥ = ¥ .

Пример 1.2. Несколько источников напряжения подключаются через резисторы к одной точке (рис. 1.7) Найти потенциал этой точки.

Решение. Обозначим токи, текущие через резисторы, как I1 , I2 и I3 . По закону Ома найдем их значения:

При выводе последних выражений учтено, что

U1 = j1 - j0 = j1 - 0 = j1 ,

и, аналогично

U2 = j2 , U3 = j3 , Uвых = j4 .

Все токи сходятся в одном узле, поэтому по правилу узлов их сумма равна нулю:

Решая последнее уравнение относительно Uвых , получим:

9

Выходной потенциал схемы оказывается равным взвешенной сумме входных потенциалов, поэтому схема носит название рези-

пользоваться эквивалентными схемами, приведенными на рис. 1.8, 1.9, 1.10. При последовательном соединении резисторов их сопротив-

= (R1 + R2 )R1R2 , т.е. складываются их проводимости G = G1 + G2 .

Произвольное соединение резисторов в общем случае не удается представить в виде комбинации параллельного и последовательного соединений. Однако подавляющее большинство практических схем можно свести к совокупности таких соединений. Некоторые схемы, которые невозможно представить в этом виде, можно рассчитать, используя эквивалентную замену соединения трех резисторов «звезда» (правая схема на рис. 1.10) на соединение «треугольник» (левая схема на рис. 1.10). Эквивалентность замены состоит в том, что величины токов I1, I2, I3 (рис. 1.10) при этом не изменяются. Пересчет «звезды» в «треугольник» и наоборот следует осуществлять по формулам:

10