Электротехника и Схемотехника / 3-8-pravka (1)

8

Содержание

Введение…………………………………………………………………... Раздел I. Компоненты электронных устройств……………………... 1. Пассивные компоненты электронных устройств……………………. 1.1. Резисторы………………………………………………………….. 1.2. Конденсаторы……………………………………………………... 1.3. Катушки индуктивности………………………………………….. 1.4. Основные свойства, характеристики и параметры нелинейных элементов…………………………………………… 2. Физические основы работы полупроводниковых приборов……….. 2.1. Основы зонной теории твердого тела…………………………… 2.2. Электрофизические свойства полупроводников………………... 2.3. Электронно-дырочный переход………………………………….. 2.4. Свойства p-n-структуры при воздействии внешнего напряжения... 2.5. Емкости p-n перехода……………………………………………... 3. Полупроводниковые диоды…………………………………………… 3.1. Общие сведения…………………………………………………… 3.2. Выпрямительные диоды………………………………………….. 3.3. Импульсные диоды………………………………………………. 3.4. Стабилитроны и стабисторы……………………………………... 3.5. Варикапы………………………………………………………….. 3.6. Диоды других типов………………………………………………. 4. Биполярные и полевые транзисторы………………………………… 4.1. Биполярные транзисторы………………………………………… 4.2. Полевые транзисторы…………………………………………….. 5. Управляемые силовые приборы………………………………………. 5.1. Динисторы…………………………………………………………. 5.2. Тиристоры…………………………………………………………. 6. Элементы оптоэлектроники…………………………………………… 6.1. Основы использования электронных приборов в оптическом диапазоне………………………………………….. 6.2. Источники излучения…………………………………………….. 6.3. Приемники излучения…………………………………………….. 6.4. Оптроны…………………………………………………………… 6.5. Приборы с зарядовой связью…………………………………….. 7. Основные понятия микроэлектроники……………………………….. 7.1. Микроминиатюризация электронной аппаратуры……………… 7.2. Особенности компонентов электронных цепей в микроминиатюрном исполнении……………………………… 7.3. Классификация микросхем и их условные обозначения……….. Раздел II. Схемотехника цифровых электронных устройств……... 8. Основные понятия цифровой электроники…………………………... 9. Математические основы цифровой электроники……………………. 9.1. Позиционные системы счисления……………………………….. 9.2. Элементы анализа и синтеза логических структур……………... 10. Цифровые ИМС логической подгруппы……………………………. 10.1. Электронный ключ………………………………………………. 10.2. Базовые логические элементы цифровых устройств………….. 10.3. Особенности выходов и управление микросхемами………….. 10.4. Основные параметры цифровых ИМС…………………………. 10.5. Основные показатели цифровых ИМС различных технологий…. 11. Цифровые устройства комбинационного типа……………………... 11.1. Преобразователи кодов………………………………………….. 11.2. Мультиплексоры и демультиплексоры………………………… 11.3. Сумматоры и цифровые компараторы…………………………. 12. Цифровые устройства последовательностного типа……………….. 12.1. Триггеры………………………………………………………….. 12.2. Счетчики…………………………………………………………. 12.3. Регистры………………………………………………………….. 13. Полупроводниковые запоминающие устройства…………………... 14. Новые направления в микроэлектронике…………………………… 14.1. Микросхемы на основе арсенида галлия………………………. 14.2. Цифровые базовые матричные кристаллы (БМК)…………….. 14.3. Программируемые логические микросхемы (ПЛМ)………….. 15. Аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи……… 15.1. Цифроаналоговые преобразователи……………………………. 15.2. Аналого-цифровые преобразователи…………………………... 15.3. Системы сбора данных………………………………………….. 16. Микропроцессорные устройства…………………………………….. 17. Цифровая обработка сигналов……………………………………….. 17.1. Общие положения……………………………………………….. 17.2. Характеристики дискретных сигналов……………………………. 17.3. Быстрое преобразование Фурье………………………………… 17.4. Линейные дискретные цепи с постоянными параметрами…… 17.5. Цифровые фильтры……………………………………………… 17.6. Методы синтеза линейных дискретных цепей (цифровых фильтров)……………………………………………. Литература…………………………………………………………………

5 9 9 9 14 19 22 28 28 30 33 36 39 40 40 42 43 45 48 49 50 50 56 69 69 72 75 75 78 83 88 91 96 96 99 103 109 109 112 112 114 122 122 130 136 141 146 149 149 153 156 165 165 169 174 180 187 187 188 191 195 196 197 200 202 216 216 218 224 225 227 231 233

ВВЕДЕНИЕ

Электроникой называют раздел науки и техники, занимающийся:

– исследованием физических явлений и разработкой приборов, действие которых основано на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме или газе

– изучением электрических свойств, характеристик и параметров названных приборов

– практическим применением этих приборов в различных устройствах и системах.

Первое из указанных направлений составляет область физической электроники. Второе и третье направления составляют область технической электроники.

Одним понятием «электроника» сегодня уже нельзя охватить все принципы, используемые для создания современных электронных приборов. Современная электроника включает в себя уже более десяти самостоятельных областей. Их границы определяются средой, в которой движутся электроны (электроника вакуумная, твердотельная и др.) способом компоновки элементов в схемы (дискретная электроника, интегральная электроника) новыми физическими принципами и эффектами (функциональная электроника, квантовая электроника) природой возбуждаемых волн (радиоэлектроника, акустоэлектроника, оптоэлектроника) диапазоном используемых частот (низкочастотная электроника, сверхвысокочастотная электроника, электроника волн оптического диапазона) областью применения (медицинская электроника, промышленная электроника, военная электроника…). Границы областей электроники чрезвычайно условны, потому что они, переплетаясь, взаимно дополняют друг друга, образуя сложный конгломерат.

Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, а с другой стороны, вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Схемотехника электронных устройств – это инженерное воплощение принципов электроники для практической реализации электронных схем, призванных выполнять конкретные функции генерирования, преобразования и хранения сигналов, несущих информацию в слаботочной электронике и функции преобразования энергии электрического тока в сильноточной электронике.

Различные варианты электронных схем порождают такое разнообразие сигналов, процессов, устройств и их назначений, что дел тут хватает для огромной армии ученых, инженеров-разработчиков, конструкторов, технологов, монтажников, регулировщиков, операторов. Причем численность этой армии от года к году растет.

Многообразие электроники и применяемых в ней технологий требует узкой специализации тех, кто ее производит. Поэтому даже среди людей, посвятивших себя электронике, трудно найти тех, кто знает об электронике все, не говоря уже о тех, кто использует ее как вспомогательное средство в работе. Десятки и сотни книг написаны по каждой из областей электроники.

Исторически электроника явилась следствием возникновения и быстрого развития радиотехники. Радиотехнику определяют как область науки и техники, занимающуюся исследованиями, разработкой, изготовлением и применением устройств и систем, предназначенных для передачи информации по радиочастотным каналам связи.

У истоков радиотехники лежат научные открытия XIX века: работы М. Фарадея (англ.), выяснившего закономерности взаимодействия электрического и магнитных полей; Дж. Максвелла (англ.), обобщившего элементарные законы электромагнетизма и создавшего систему уравнений, описывающих электромагнитное поле. Дж. Максвелл теоретически предсказал новый вид электромагнитных явлений – электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Г. Герц (нем.) экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн.

Первый радиоприемник был изобретен, сконструирован и успешно испытан в 1895 г. А.С. Поповым (рус.). Годом позже радиосвязь осуществил Г. Маркони (итал.), запатентовавший свое изобретение и ставший Нобелевским лауреатом в 1909 году.

С этих пор развитие радиотехники определялось развитием ее элементной базы, которая в основном определяется достижениями электроники. Интересно вкратце проследить за основными этапами развития ее элементной базы.

Простейший электронный прибор – вакуумный диод – был изобретен Т. Эдиссоном (амер.) в 1883 г., который вмонтировал металлический электрод в баллон электрической лампы накаливания и зарегистрировал ток одного направления во внешней цепи. В 1904 г. Дж. Флемминг (англ.) впервые применил вакуумный диод в качестве детектора в радиоприемнике. Усилительный электровакуумный прибор – триод – был изобретен Луи де Форестом (амер.) в 1906 г. С этих пор в течение первой четверти ХХ столетия в ряде научных лабораторий многих стран мира происходило медленное созревание технологий электровакуумных приборов. В России это направление возглавил руководитель Нижегородской лаборатории М.А. Бонч-Бруевич. Уже в 1922 г. сотрудники этой лаборатории построили в Москве первую в мире радиовещательную станцию им. Коминтерна мощностью 12 кВт. А к 1927 г. было построено 57 таких станций. В 1925 г. была создана генераторная лампа мощностью 100 кВт. В 1933 г. в России вступила в строй мощнейшая в мире (500 кВт) радиостанция. Первый телевизионный передатчик мощностью 15 кВт введен в строй в Москве в 1948 г. А.И. Берг в 1927-1929 гг. создал классическую теорию передатчиков. В.А. Котельниковым в период с 1933 по 1946 гг. доказана теорема квантования по времени, заложившая основу цифровых методов обработки сигналов, показана возможность радиосвязи на одной боковой полосе и опубликована теория потенциальной помехоустойчивости.

Период с 1920 по 1955 гг. был эрой ламповой электроники.

Первый полупроводниковый триод – транзистор – создан в 1948 г. Дж. Бардиным и У. Браттейном (амер.). С 1955 г. начинается эра полупроводниковой электроники. Первые интегральные схемы появились в 1960-е годы. Первый микропроцессор датируется 1971 г.

Элементная база радиоэлектроники начала XXI века фантастически изменилась за истекшие 80 лет и уверенно завоевывает новые позиции (о некоторых достижениях и перспективах электроники см. раздел «Заключение» настоящего учебника).

Настоящий учебник в целях удобства использования разделен на две части:

• часть I. Элементы электроники. Схемотехника цифровых электронных устройств;

• часть II. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Обзор программных средств для расчета, разработки и моделирования электронных устройств.

Он адресован студентам ТУСУР, обучающимся по направлениям подготовки: 654600 – Информатика и вычислительная техника (220200 АОИ, 220300 КСУП, 220400 АСУ); 654300 - Проектирование и технология электронных средств (200800 КИПР, 220500 КИБЭВС); 651900 - Автоматизация и управление (210100 КСУП); 657900 - Автоматизированные технологии и производства (210200 ИИТ); 075000 – Области информационной безопасности (075500 КИБЭВС, 075300 РЗИ) для очной, заочной и дистанционной технологий образования.

Учебник может быть также полезен в рамках содержания ГОС по конкретной дисциплине студентам всех других специальностей ТУСУР, а также других вузов, осуществляющих подготовку по дисциплинам радиоэлектронного профиля.

Идея написания учебника данного профиля возникла в результате обсуждения и подведения итогов научно-методической конференции «Современное образование: качество и новые технологии», ТУСУР, Томск, 2000 г. Посылкой явился тот очевидный факт, что среди всех дисциплин, в частности общепрофессиональных и специальных, существуют группы дисциплин, близкие по направленности, например, дисциплины электротехнического, электронного и др. профилей. Поэтому желательно создание учебника, удовлетворяющего ГОС не по одному, а одновременно по целому ряду направлений обучения. Естественно, такой учебник будет содержать некоторую избыточность сведений по отношению к содержанию обучения в рамках одного конкретного направления, но данная концепция имеет немало привлекательных сторон. Такой учебник получил название «функционально полный».

Данный учебник разработан в рамках этой концепции. Он содержит материалы, соответствующие ГОС по пяти направлениям обучения среди общепрофессиональных дисциплин профиля «электроника» и «схемотехника», и предназначен для девяти специальностей подготовки, названных выше.

Следует также отметить, что с целью более связного и логичного построения содержания «функционально полного учебника» оказалось целесообразным несколько расширить перечень изучаемых вопросов по отношению к «суммарному» ГОС по названным направлениям обучения.

Изучение дисциплин «Электроника» и «Схемотехника» базируется на дисциплинах математического, естественнонаучного и общепрофессионального циклов учебного плана, изученных ранее («Высшая математика», «Физика» и др.). Особое место в этом ряду занимают дисциплины электротехнического плана.

При дневной форме обучения содержание и объем подлежащего освоению материала определяются календарным планом изучения конкретной дисциплины в учебном плане данной специальности в соответствии с требованиями ГОС.

При дистанционной форме обучения содержание и объем изучаемого материала, а также перечень контрольных работ и виртуальных лабораторных работ с указанием сроков их выполнения и формой отчетности определяются учебным методическим пособием к изучению данной дисциплины, полностью регламентирующим процесс обучения.

Авторами учебника являются доцент кафедры информационно-измерительной техники (ИИТ) Н.П. Денисов (главы 1-7, 27), профессор кафедры «Промышленная электроника» А.В. Шарапов (главы 8, 9, 11-13, 15, 16, 19, 20, 27) и доцент кафедры ИИТ А.А. Шибаев (Введение, главы 10, 14, 17, 18, 21- 26, 28, Заключение). Инициатива написания и компоновка содержания учебника принадлежат А.А. Шибаеву. Техническое редактирование выполнено Н.П. Денисовым и А.А. Шибаевым.

Авторы благодарны рецензенту доценту ТУСУР, к.т.н. Н.А. Каратаевой за сделанные ею ценные замечания, которые были учтены при окончательной редакции учебника.