Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные и микропроцессорные устройства. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
А.В. РОДЫГИН
ЭЛЕКТРОННЫЕ
И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ
УСТРОЙСТВА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2017
УДК 621.382:004.31-181.48(075.8)
Р 617
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент В.М. Кавешников
канд. техн. наук, доцент Д.А. Павлюченко
Работа подготовлена на кафедре электропривода
и автоматизации промышленных установок
для студентов III и IV курсов ФМА
Родыгин А.В.
Р 617 Электронные и микропроцессорные устройства: учебное по-
собие / А.В. Родыгин. – Новосибирск: Изд-во
НГТУ, 2017. –
75 с.
ISBN 978-5-7782-3376-8
В пособии рассмотрены основные элементы электронных схем, а
также принципы построения устройств информационной электроники. Предназначено для студентов направлений 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» всех форм обучения. Может быть
рекомендовано и студентам других технических направлений подготовки.
УДК 621.382:004.31-181.48(075.8)
ISBN 978-5-7782-3376-8 © Родыгин А.В., 2017
© Новосибирский государственный
технический университет, 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................................................................................. 5
I. Основные элементы электронных схем ....................................................... 7
1. Резисторы ........................................................................................................ 7
2. Конденсаторы ............................................................................................... 11
3. Катушки индуктивности .............................................................................. 13
II. Полупроводниковые приборы .................................................................... 15
1. Виды электрического пробоя p–n-перехода .............................................. 15
2. Полупроводниковые резисторы .................................................................. 16
3. Полупроводниковые диоды ......................................................................... 17
4. Транзисторы .................................................................................................. 21
5. Тиристоры ..................................................................................................... 29
III. Усилители ...................................................................................................... 32
1. Однокаскадные усилители .......................................................................... 33
1.1. Усилительный каскад с общим эмиттером ......................................... 33
1.2. Усилительный каскад с общим коллектором ..................................... 38
1.3. Усилительный каскад на составном транзисторе ............................... 39
1.4. Усилительный каскад с
1.5. Усилительный каскад с общим истоком ............................................. 40
1.6. Усилительный каскад с общим стоком ............................................... 41
1.7. Усилительный каскад с общим затвором ............................................ 41
Практическое задание 1 ............................................................................... 41
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 43
2. Усилители постоянного тока ....................................................................... 45
Практическое задание 2 ............................................................................... 48
Контрольные вопросы .................................................................................. 50
3. Операционные усилители ............................................................................ 51
общей базой ................................................... 40
3
3.1. Компаратор ............................................................................................ 51
3.2. Неинвертирующий усилитель .............................................................. 52
3.3. Инвертирующий усилитель .................................................................. 53
3.4. Преобразователь тока в напряжение ................................................... 54
3.5. Сумматор ................................................................................................ 54
3.6. Триггер Шмидта .................................................................................... 55
3.7. Мультивибраторы.................................................................................. 56
3.8. Интегратор ............................................................................................. 58
Практическое задание 3 ............................................................................... 59
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 64
IV. Интегральные микросхемы........................................................................ 65
1. Основные характеристики и параметры ИМС .......................................... 65
2. Типы логических микросхем ....................................................................... 67
2.1. РТЛ ......................................................................................................... 67
2.2. ДТЛ ......................................................................................................... 68
2.3. ТТЛ ......................................................................................................... 68
2.4. ЭСЛ ......................................................................................................... 71
2
Л .......................................................................................................... 71
2.5. И
2.6. МОП-логика ........................................................................................... 71
Библиографический список ................................................................................. 74
4
ВВЕДЕНИЕ
Промышленная электроника – часть электроники, занимающаяся
применением полупроводниковых, электронных и ионных приборов
в промышленности; рассматривает принципы построения электрических схем.
Промышленная электроника подразделяется на информационную
электронику, занимающуюся устройствами для передачи, обработки и
отображения информации, и энергетическую электронику, изучающую
вопросы преобразования одного вида электрической энергии в другой.
Настоящее пособие посвящено вопросам информационной элек
троники, при этом рассматриваются только базовые принципы построения, типовые решения, наиболее распространенные варианты.
Промышленная электроника – бурно изменяющаяся наука, поэтому
одна из задач курса – подготовка к чтению специальной литературы в
области схемотехнической электроники.
Первые разделы настоящего пособия являются обзорными и посвящены повторению ранее изученного материала. На лекциях этот
материал
краткой форме напомнить основные положения изученного студентами материала, необходимые для понимания данного курса.
не читается, но в учебном пособии автор счел уместным в
-
Краткий обзор ранее изученного материала
Вспомним основные понятия, касающиеся электронных схем.
Напряжение (U) между двумя точками – это энергия (или работа),
которая затрачивается на перемещение положительного единичного
заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом. Напряжение называют также разностью потенциалов или электродвижущей силой (ЭДС). Единицей измерения напряжения служит
вольт (В). Для того
между точками с разностью потенциалов в один вольт, необходимо
совершить работу в один джоуль.
чтобы переместить заряд величиной в один кулон
5
Ток (I) – это скорость перемещения электрического заряда в точке.
Единицей измерения тока служит ампер. Ток величиной в один ампер
создается перемещением заряда в один кулон за одну секунду. Условились считать, что ток в цепи протекает от точки с положительным
потенциалом к точке с отрицательным потенциалом, хотя электрон
перемещается в противоположном
направлении.
Запомните: напряжение всегда измеряется между двумя точками
схемы, ток всегда протекает через точку в схеме. Однако часто говорят
о напряжении в какой-либо точке схемы. При этом всегда подразумевают напряжение между этой точкой и «землей».
Напомним несколько простых правил для токов и напряжений,
именуемых законами Кирхгофа:
1) сумма токов
, втекающих в точку, равна сумме токов, вытекаю-
щих из нее;
2) сумма падений напряжений в любом замкнутом контуре схемы
равна нулю.
Мощность (P) (работа, совершенная за единицу времени), потреб-
ляемая схемой, определится произведением тока на напряжение. Единицей измерения мощности служит ватт. Один ватт – это работа в один
джоуль, совершенная за
одну секунду.
Виды и параметры электрических сигналов
Поясним некоторые термины, используемые в данном курсе, которые могут трактоваться неоднозначно. Говоря о постоянном напряжении, мы будем иметь в виду постоянное напряжение обоих полярностей или относительно медленно меняющееся напряжение. Термин
«переменное напряжение» будет использоваться для обозначения синусоидального напряжения. Основными параметрами последнего будут: амплитуда напряжения U
«импульсный сигнал», будем подразумевать прямоугольный импульсный сигнал, характеризующийся амплитудой U
, периодом следования импульсов T, частотой следования импуль-
са t
и
сов f = 1/T, коэффициентом заполнения = t
Термином «цифровой сигнал» обозначим прямоугольный импульсный
сигнал, имеющий два нормированных уровня: «высокий» и «низкий».
Более подробно об этом будет сказано в соответствующих разделах.
, частота f и фаза . Используя термин
m
, временем импуль-
m
/T, скважностью s = 1/.
и
6
I. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
1. РЕЗИСТОРЫ
Ток, протекающий через металлический проводник, прямо пропорционален напряжению, приложенному к проводнику. Это закон Ома:
I = U / R.
При последовательном соединении резисторов всегда получается
большее сопротивление, чем сопротивление одного из резисторов,
причем R = R1 + R2.
При параллельном соединении резисторов всегда получается
меньшее сопротивление, чем сопротивление отдельных резисторов,
причем
R = 1 / (1/R1 + 1/R
Делитель напряжения. Простейший делитель напряжения представлен на рис. 1 – это схема, которая создает на выходе напряжение,
являющееся некоторой частью входного. Причем выход всегда меньше
входа. Эту же роль выполняет потенциометр, средний вывод которого
может перемещаться, меняя соотношение сопротивлений R1, R2. Нетрудно вывести, что U
= Uвх R2 / (R1 + R2).
вых
2).
Рис. 1. Делитель напряжения
Обобщая сказанное о резисторах, необходимо отметить: последовательно включенный в цепь резистор при постоянном напряжении
задает в ней величину тока; если с резистора снимается напряжение, то
величина последнего определяется законом Ома.
7
Система условных обозначений резисторов
Резисторы являются самыми массовыми изделиями электронной
техники. По приближенным оценкам в мире насчитывается несколько
тысяч типов резисторов. Такое многообразие делает достаточно затруднительной унификацию различного типа резисторов. Поэтому
наряду с действующей системой условных обозначений существует
достаточно много других систем обозначений. Рассмотрим отечественную систему условных обозначений, которая соответствует требованиям Госстандарта
состоять из трех элементов.
Первый элемент – буква или сочетание букв, обозначающие подкласс резистора (Р – резисторы постоянные, РП – резисторы переменные, НР – набор резисторов).
Второй элемент – цифра, обозначающая группу резисторов по материалу резистивного элемента (1 – непроволочные, 2 – проволочные
или металлофольговые).
Третий элемент – регистрационный номер конкретного типа резистора. Между вторым и третьим элементом ставится дефис. Например,
РП1-46 – переменный непроволочный резистор с номером 46.
Полное условное обозначение включает в себя дополнительные позиции в следующей последовательности. Для постоянных резисторов:
номинальная мощность рассеяния; номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения; допускаемое отклонение сопротивления в процентах; группа по температурному коэффициенту
сопротивления (ТКС).
Под номинальной мощностью понимается наибольшая мощность, которую резистор может рассеять в заданных условиях в течение гарантированного срока службы при сохранении параметров в
установленных пределах. Конкретные значения номинальных мощностей рассеяния в ваттах устанавливаются согласно ГОСТ 24013–80
и ГОСТ 10318–80 и выбираются из следующего ряда.
Ряд номинальных мощностей резисторов (Вт)
. Сокращенное условное обозначение должно
0,01 0,025 0,05 0,062 0,125 0,25 0,5 1 2 3 4 5
8 10 16 25 40 63 80 100 160 250 500 –
Номинальное сопротивление – электрическое сопротивление, значение которого обозначено на резисторе или указано в нормативной
8
документации и которое является исходным для расчета отклонений от
этого значения. Для каждой серии резисторов установлены свои границы возможных значений сопротивлений (от долей ома до тераом).
Согласно ГОСТ 2825–67 для постоянных резисторов установлено
шесть рядов: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Для переменных резисторов
согласно ГОСТ 10318–80 установлен ряд Е6. Цифра после
буквы Е
указывает число номинальных значений в десятичном интервале. Ниже приведен ряд Е24. Номинальные сопротивления должны соответствовать числам, перечисленным в ряду, умноженным на 10
n
, где n –
целое число, но обязательно с учетом границ, налагаемых на выбранный тип резисторов.
Номинальные сопротивления по ряду Е24
1 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,7 3
3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Принцип построения других рядов аналогичен приведенному ряду
Е24, в них возрастает или уменьшается число промежуточных значений. Так, например, ряд Е12 можно получить вычеркиванием каждого
второго элемента ряда Е24. Ряд Е6 – вычеркиванием каждого второго
элемента ряда Е12.
Действительные значения сопротивлений резисторов вследствие
погрешностей изготовления могут отличаться от номинальных. Разница
между номинальным и действительным сопротивлением, выраженная в процентах относительно номинального значения, называется допуском. Ряд допусков также стандартизирован. Далее приведен ряд
допусков в процентах согласно ГОСТ 9664–74.
Стандартный ряд допусков сопротивлений резисторов (%)
0,001 0,002 0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 0,25
0,5 1 2 5 10 20 30
Температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) называется
величина, характеризующая относительное изменение сопротивления
на один градус Кельвина (или Цельсия). Чем меньше ТКС, тем лучшей
температурной стабильностью обладает резистор.
9
–6
Стандартный ряд значений ТКС (10
1 3 5 10 25 50 80 100 150 200 250 500 1000
1/оС).
Маркировка на резисторах введена буквенно-цифровая. В зависимости от размеров маркируемых резисторов могут применяться полные и сокращенные (кодированные) обозначения номинальных сопротивлений и допусков.
Полное обозначение номинальных сопротивлений состоит из значения сопротивления и обозначения единицы измерения (Ом – омы,
кОм – килоомы, МОм – мегаомы, ГОм – гигаомы, ТОм – тераомы).
Кодированное
обозначение номинальных сопротивлений состоит из
двух-трех цифр и буквы. Буква кода обозначает множитель, составляющий сопротивление, и определяет положение запятой десятичного
знака. Буквы R, K, M, G, T обозначают соответственно множители 1,
3
10
, 106, 109, 1012.
Цвета знаков маркировки сопротивления и допусков
Цвет знака
Серебристый – – – 10–2
Золотистый – – – 10–1
Черный – 0 – 1 –
Коричневый 1 1 1 10
Красный 2 2 2 102
Оранжевый 3 3 3 103 –
Желтый 4 4 4 104 –
Зеленый 5 5 5 105
Голубой 6 6 6 106
Фиолетовый 7 7 7 107
Серый 8 8 8 108
Белый 9 9 9 109 –
Номинальное сопротивление, Ом
первая вторая третья множитель
Допуск, %
10
5
1
2
0,5
0,25
0,1
0,05
Пример. Кодировка сопротивления 2,2 МОм – 2М2; сопротивле-
ния 68 ГОм – 68G.
В соответствии с ГОСТ 17598–72 допускается маркировка цветным
кодом. Ее наносят знаками в виде кругов или полос. Маркировочные
знаки сдвигают к одному из торцов резистора и располагают слева
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]