Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000
.pdfФ.А. Ткаченко
Техническая Электроника
Допущено Министерством образования Республики Беларусь
вкачестве учебного пособия для студентов специальности «Телекоммуникационные системы» высших учебных заведений
Минск Издательство «Дизайн ПРО»
2000
2
УДК 621.38 ББК 32.85я87
Т48
Рецензенты: кафедра электроники Военной академии Республики Беларусь; начальник кафедры Лямин П.М.; д.т.н., профессор
Конопелько В.К.
Т48 Ткаченко Ф.А. Техническая электроника. — Мн.: Дизайн ПРО, 2000. — 352 с: ил.
ISBN 985-6182-95-6
Рассмотрены устройства, характеристики и параметры пассивных элементов в дискретном и интегральном исполнениях.
Даны физические основы работы полупроводниковых приборов, устройство, принцип работы, параметры, характеристики и способы включения в электрическую цепь полупроводниковых диодов и транзисторов.
Имеются сведения о работе усилителей переменного и постоянного сигналов, операционных усилителей, логических схем и построении на их основе триггеров, компараторов, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.
Для студентов радиотехнических специальностей ВУЗов, инженернотехнических работников.
Гос. заказ |
УДК 621.38 |
ББК 32.85я7
ISBN 985-6182-95-6 |
© Ткаченко Ф.А., 2000 |
3
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................................ |
8 |
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. |
9 |
ГЛАВА 1. Пассивные компоненты электронных устройств.................. |
11 |
1.1. Резисторы............................................................................................... |
11 |
1.1.1. Система условных обозначений и маркировка резисторов.......... |
17 |
1.1.2. Специальные резисторы.................................................................... |
18 |
1.2. Конденсаторы........................................................................................ |
22 |
1.2.1. Система условных обозначений конденсаторов............................ |
25 |
1.2.2. Параметры постоянных конденсаторов.......................................... |
25 |
1.2.3. Конденсаторы переменной емкости................................................ |
25 |
1.3. Катушки индуктивности....................................................................... |
26 |
ГЛАВА 2. Полупроводниковые диоды..................................................... |
29 |
2.1. Физические основы полупроводниковых приборов......................... |
29 |
2.2. Примесные полупроводники............................................................... |
30 |
2.3. Электронно-дырочный переход.......................................................... |
34 |
2.4. Физические процессы в p–n переходе................................................ |
35 |
2.5. Контактная разность потенциалов...................................................... |
37 |
2.6. Прямое включение p–n перехода........................................................ |
38 |
2.7. Обратное включение p–n перехода..................................................... |
39 |
2.8. Вольт-амперная характеристика p–n перехода.................................. |
41 |
2.9. Пробой p–n перехода............................................................................ |
42 |
2.10. Емкостные свойства p–n перехода.................................................... |
44 |
2.11. Полупроводниковые диоды............................................................... |
45 |
2.12. Выпрямительные диоды..................................................................... |
46 |
2.13. Стабилитроны...................................................................................... |
48 |
2.14. Варикапы.............................................................................................. |
51 |
2.15. Импульсные диоды............................................................................. |
54 |
2.15.1. Диоды с накоплением заряда и диоды Шотки............................. |
56 |
2.16. Туннельные диоды.............................................................................. |
57 |
2.17. Обращенные диоды............................................................................ |
61 |
ГЛАВА 3. Биполярные транзисторы......................................................... |
62 |
3.1. Режимы работы биполярного транзистора........................................ |
63 |
3.2. Принцип действия транзистора........................................................... |
64 |
3.3. Токи в транзисторе................................................................................ |
67 |
3.4. Статические характеристики............................................................... |
67 |
3.4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ..................................... |
68 |
3.5. Статические характеристики в схеме с ОЭ........................................ |
70 |
3.6. Малосигнальные параметры. Дифференциальные параметры |
|
транзистора................................................................................................... |
73 |
3.7. Малосигнальная модель транзистора................................................. |
78 |
4
3.8. Моделирование транзистора................................................................ |
80 |
3.9. Частотные свойства транзисторов...................................................... |
82 |
3.10. Параметры биполярных транзисторов............................................. |
84 |
ГЛАВА 4. Полевые транзисторы............................................................... |
86 |
4.1. Статические характеристики............................................................... |
86 |
4.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором........................... |
90 |
4.2.1. МДП-транзисторы с индуцированным каналом............................ |
91 |
4.2.2. Статические характеристики МДП-транзистора с индуциро- |
|
ванным каналом........................................................................... |
92 |
4.3. Полевые транзисторы со встроенным каналом................................. |
94 |
4.4. Статические характеристики транзистора со встроенным кана- |
|
лом.......................................................................................................... |
95 |
4.5. Способы включения полевых транзисторов...................................... |
96 |
4.6. Полевой транзистор, как линейный четырехполюсник.................... |
98 |
4.7. Эквивалентная схема и частотные свойства полевых транзисто- |
|
ров................................................................................................. |
101 |
4.8. Основные параметры полевых транзисторов.................................... |
102 |
ГЛАВА 5. Полупроводниковые переключающие приборы................... |
104 |
5.1. Диодный тиристор................................................................................ |
104 |
5.2. Триодный тиристор............................................................................... |
107 |
5.3. Симметричные тиристоры (симисторы)............................................ |
107 |
5.4. Параметры тиристоров......................................................................... |
108 |
ГЛАВА 6. Электронно-лучевые приборы................................................. |
110 |
6.1. Электростатическая система фокусировки луча............................... |
111 |
6.2. Электростатическая отключающая система...................................... |
113 |
6.3. Трубки с магнитным управлением электронным лучом.................. |
115 |
6.4. Экраны электронно-лучевых трубок.................................................. |
117 |
6.5. Системы обозначения электронно-лучевых трубок различного |
|
назначения..................................................................................................... |
119 |
6.6. Осциллографические трубки............................................................... |
119 |
6.7. Индикаторные трубки........................................................................... |
120 |
6.8. Кинескопы.............................................................................................. |
121 |
6.9. Цветные кинескопы.............................................................................. |
122 |
ГЛАВА 7. Элементы и устройства оптоэлектроники.............................. |
127 |
7.1. Источники оптического излучения..................................................... |
127 |
7.2. Характеристики светодиодов.............................................................. |
131 |
7.3. Основные параметры светодиодов..................................................... |
133 |
7.4. Полупроводниковые приемники излучения...................................... |
134 |
7.5. Фоторезисторы...................................................................................... |
135 |
7.6. Характеристики фоторезистора........................................................... |
136 |
7.7. Параметры фоторезистора................................................................... |
137 |
7.8. Фотодиоды............................................................................................. |
138 |
7.9. Характеристики и параметры фотодиода........................................... |
140 |
5
7.10. Фотоэлементы...................................................................................... |
141 |
7.11. Фототранзисторы................................................................................ |
144 |
7.12. Основные характеристики и параметры фототранзистора............ |
145 |
7.13. Фототиристоры.................................................................................... |
146 |
7.14. Оптопары............................................................................................. |
149 |
7.15. Входные и выходные параметры оптопар....................................... |
150 |
7.16. Жидкокристаллические индикаторы................................................ |
152 |
ГЛАВА 8. Элементы интегральных микросхем....................................... |
156 |
8.1. Пассивные элементы интегральных микросхем............................... |
156 |
8.1.1. Резисторы............................................................................................ |
157 |
8.1.2. Конденсаторы..................................................................................... |
160 |
8.1.3. Пленочные конденсаторы................................................................. |
162 |
8.2. Биполярные транзисторы..................................................................... |
163 |
8.3. Диоды полупроводниковых ИМС....................................................... |
167 |
8.4. Биполярные транзисторы с инжекционным питанием..................... |
168 |
8.5. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью........................... |
170 |
ГЛАВА 9. Основы цифровой техники...................................................... |
175 |
9.1. Электронные ключевые схемы............................................................ |
175 |
9.2. Ключи на биполярном транзисторе.................................................... |
176 |
9.3. Ключ с барьером Шотки...................................................................... |
182 |
9.4. Ключи на МДП-транзисторах.............................................................. |
183 |
9.5. Ключ на комплементарных транзисторах.......................................... |
186 |
9.6. Алгебра логики и основные ее законы............................................... |
188 |
9.7. Логические элементы и их классификация........................................ |
193 |
9.8. Базовые логические элементы цифровых интегральных микро- |
|
схем..................................................................................................... |
200 |
9.9. Диодно-транзисторная логика............................................................. |
200 |
9.10. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)..................................... |
202 |
9.11. Микросхемы ТТЛ серий с открытым коллектором........................ |
206 |
9.12. Правила схемного включения элементов......................................... |
208 |
9.13. Эмиттерно-связанная логика............................................................. |
210 |
9.14. Интегральная инжекционная логика (И2Л)...................................... |
214 |
9.15. Логические элементы на МДП-транзисторах.................................. |
215 |
9.16. Параметры цифровых ИС.................................................................. |
226 |
9.17. Триггеры............................................................................................... |
226 |
9.18. Мультивибраторы............................................................................... |
235 |
9.18.1. Мультивибраторы на логических интегральных элементах....... |
236 |
9.18.2. Автоколебательный мультивибратор с постоянным смещени- |
|
ем.................................................................................................... |
236 |
9.18.3. Автоколебательные мультивибраторы с автоуправляемым |
|
смещением.................................................................................................... |
238 |
9.18.4. Ждущие мультивибраторы.............................................................. |
239 |
ГЛАВА 10. Аналоговые устройства.......................................................... |
241 |
6
10.1. Классификация аналоговых электронных устройств..................... |
241 |
10.2. Основные технические показатели и характеристики аналого- |
|
вых устройств.................................................................................. |
244 |
10.3. Методы обеспечения режима работы транзистора в каскадах |
|
усиления........................................................................................................ |
251 |
10.3.1. Схема с фиксированным током базы............................................. |
251 |
10.3.2. Схема с фиксированным напряжением база-эмиттер.................. |
252 |
10.3.3. Схемы с температурной стабилизацией........................................ |
253 |
10.4. Стабильность рабочей точки............................................................. |
254 |
10.5. Способы задания режима покоя в усилительных каскадах на |
|
полевых транзисторах.................................................................................. |
256 |
10.6. Обратные связи в усилителях............................................................ |
257 |
10.6.1. Последовательная обратная связь по напряжению...................... |
260 |
10.6.2. Последовательная обратная связь по току.................................... |
263 |
10.7. Режим работы усилительных каскадов............................................ |
265 |
10.8. Работа активных элементов с нагрузкой.......................................... |
268 |
10.9. Усилительный каскад с общим эмиттером...................................... |
271 |
10.10. Усилительный каскад по схеме с общей базой............................. |
276 |
10.11. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный по- |
|
вторитель)................................................................................................. |
278 |
10.12. Усилительный каскад на полевых транзисторах........................... |
280 |
10.12.1. Усилительный каскад с ОИ........................................................... |
281 |
10.12.2. Усилительный каскад с общим стоком (истоковый повтори- |
|
тель)................................................................................................. |
283 |
10.13. Усилители постоянного тока........................................................... |
284 |
ГЛАВА 11. Дифференциальные и операционные усилители................ |
289 |
11.1. Дифференциальные усилители.......................................................... |
289 |
11.2. Операционные усилители.................................................................. |
296 |
11.3. Параметры операционных усилителей............................................. |
296 |
11.4. Амплитудно и фазочастотные характеристики ОУ........................ |
299 |
11.5. Устройство операционных усилителей............................................ |
301 |
11.6. ОУ общего применения...................................................................... |
304 |
11.7. Инвертирующий усилитель............................................................... |
306 |
11.8. Неинвертирующий усилитель........................................................... |
309 |
11.9. Суммирующие схемы......................................................................... |
310 |
11.9.1. Инвертирующий сумматор............................................................. |
310 |
11.9.2. Неинвертирующий сумматор......................................................... |
311 |
11.9.3. Интегрирующий усилитель............................................................. |
312 |
11.9.4. Дифференцирующий усилитель..................................................... |
313 |
11.9.5. Логарифмические схемы................................................................. |
318 |
11.9.6. Антилогарифмирующий усилитель............................................... |
318 |
ГЛАВА 12. Компараторы напряжения...................................................... |
319 |
ГЛАВА 13. Цифро-аналоговые преобразователи.................................... |
324 |
7
13.1. Параметры ЦАП.................................................................................. |
324 |
13.2. Устройство ЦАП................................................................................. |
327 |
ГЛАВА 14. Аналого-цифровые преобразователи.................................... |
333 |
14.1. Параметры АЦП.................................................................................. |
333 |
14.2. Классификация АЦП.......................................................................... |
335 |
14.3. АЦП последовательного приближения............................................ |
337 |
ЛИТЕРАТУРА............................................................................................ |
339 |
8
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данное учебное пособие написано в соответствии с новой учебной программой дисциплины "Техническая электроника" для телекоммуникационных
ирадиотехнических специальностей.
Впособии рассматриваются пассивные и активные элементы электронных устройств, элементы интегральных микросхем, основы цифровой и аналоговой техники. Изучение материала начинается с пассивных, а затем активных полупроводниковых приборов. Рассматриваются физические основы и принцип работы, характеристики и параметры элементов в дискретном и интегральном исполнении. Излагаются основы усилительных устройств и цифровой техники: ключевые схемы, современные логические элементы на биполярных и полевых транзисторах, триггерные и мультивибраторные устройства.
Рассмотрены технические показатели устройств, способы обеспечения режима работы активных элементов (транзисторов), принципы построения цифровых и усилительных устройств на современной элементной базе (транзисторах и интегральных микросхемах), операционных усилителей, компараторов, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.
Автор стремился в доступной форме изложить рассматриваемый материал с учетом методических принципов, сложившихся в процессе преподавания дисциплин "Электронные приборы", "Цифровые и аналоговые устройства". Для закрепления изучаемого материала рекомендуются следующие пособия "Задачник по электронным приборам" В.А. Терехова и "Расчет электронных схем" Г.И. Изьюровой и др.
Автор выражает признательность рецензентам учебного пособия проф. А.П. Булычеву, проф. В.К. Конопелько, коллективу преподавателей кафедры радиоэлектроники Военной Академии РБ, начальнику этой кафедры Лямину П.М. за замечания и неоценимую помощь при подготовке работы, к. т. н. Дроботу С.В. за оформление и ряд предложений по улучшению рукописи, студенту Городко В. за выполнение графического материала.
9
ВВЕДЕНИЕ
Современная электроника появилась в результате поисков способов использования электрических явлений для передачи информации. Первые попытки были предприняты сразу после изобретения итальянским физиком и физиологом А. Вольта в 1800 г. электрохимического источника тока. В 1801 г. испанский инженер Ф. Сольва предпринял попытку применить электрохимическое действие тока для телеграфирования, а в 1809 г. немецкий врач С.Т. Земмеринг построил такой телеграф. Русский электротехник и ученый П.Л. Шиллинг изобрел первый электромагнитный телеграф и продемонстрировал его в действии в 1832 г.
Вконце ХIX в. начались поиски путей создания электрической связи без проводов. Американец Д. Юз, английский инженер В. Пирс, знаменитый американский изобретатель Т.А. Эдисон применили для этой цели принципы электростатической и электромагнитной индукции. Дальность действия оказалась небольшой, и она не получила распространения. Беспроволочная связь могла появиться только в результате исследований электромагнитного поля. Начало представлений о нем положил английский физик М. Фарадей.
Английский физик Дж. Максвелл разработал теорию электромагнитного поля. Г. Герц в Германии классическими опытами в 1888 г. подтвердил реальное существование электромагнитного поля.
Опираясь на теоретические разработки Фарадея и Максвелла, русский ученый А.С. Попов создал устройство для регистрации электромагнитных волн. Демонстрация первого в мире радиоприемного устройства состоялась 7 мая 1895 г. Радиоимпульсный режим работы стал широко использоваться для радиотелеграфной передачи информации.
Изобретение радио вызвало необходимость создания чувствительных индикаторов электрических колебаний и устройств для их усиления.
В1904 г. английский ученый Д.Э. Флеминг, используя разработки А.Н. Лодыгина и Т.А. Эдисона, изготовил первую электронную лампу – диод, который начали использовать в приемниках вместо кристадинов.
В1916 г. русским ученым М.П. Бонч-Бруевичем было установлено, что двухкаскадный реостатный усилитель с положительной обратной связью может создавать скачки напряжений и токов. Это открытие явилось основой для разработки регенеративных импульсных устройств. В 1919 г. американскими учеными Х. Абрагамом, Е. Блохом, Ф. Джордоном, В. Икклзом были разработаны схемы мультивибратора и триггера.
Развитие средств связи в послевоенные годы тесно связано с появлением полупроводниковой электроники.
В1947 г. американские исследователи Дж. Бардин и У. Бреттеин из группы исследователей У. Шокли создали и испытали первый германиевый то-
10
чечный транзистор. В 1949 г. советские ученые А.В. Красилов и С.Г. Мадоян изготовили в бывшем СССР первые отечественные образцы точечных транзисторов. В 1952 г. У. Шокли выдвинул идею создания полевого транзистора. Идею Шокли реализовал в 1958 г. польский ученый С. Тешнер, работавший во Франции. В 1960 г. Д. Кинг и М. Аттала создали МОП–транзистор. В 1960 г. Колби и Нойс (США) сообщили об изобретении интегральных схем, составляющих основу современной микроэлектроники.
Малые габариты и потребление энергии, высокая надежность интегральных микросхем позволили использовать их для создания высококачественных устройств телекоммуникационных и радиотехнических систем и массового производства различных радиотехнических устройств.
Использование интегральных микросхем обеспечивает улучшение характеристик, разрабатываемых устройств, их надежность, малое потребление энергии, расширяет их функциональные возможности, что позволяет использовать их во всех сферах человеческой деятельности.
Эффективное применение интегральных аналоговых и цифровых микросхем невозможно без знания принципов их действия и основных параметров. Независимо от степени сложности микросхем и многообразия выполняемых ими функций основу их структуры составляют элементарные схемы. Физические принципы и особенности работы микросхем наиболее доступно объясняются при моделировании с помощью дискретных элементов и схем.
В связи с этим изучению курса "Техническая электроника" уделяется повышенное внимание. Данное пособие ориентировано на использование в учебном процессе при подготовке инженеров в области телекоммуникационных и радиотехнических систем, студентам радиотехнического профиля и других родственных специальностей.