Электротехника и электроника

Допущено Ученым советом Института 

информационных систем и технологий МАИ 

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по неэлектротехническим направлениям подготовки 

бакалавров и дипломированных специалистов

Москва
ИНФРА-М

2021

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

В ДВУХ ТОМАХ

Учебник

•

ТОМ ВТОРОЙ

ЭЛЕКТРОНИКА

А.Л. МАРЧЕНКО
Ю.Ф. ОПАДЧИЙ

УДК  621.3(075.8)
ББК 31.2я73
 
М30

Марченко А. Л.

Электротехника и электроника : учебник : в 2 т. Т. 2. Электроника / 

А. Л. Марченко, Ю. Ф. Опадчий. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 
391 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/textbook_5d2573fcd26f36.00961920.

ISBN 978-5-16-016221-8 (общий)
ISBN 978-5-16-014295-1 (т. 2, print)
ISBN 978-5-16-106791-8 (т. 2, online)
Настоящая книга является второй частью двухтомного учебника 

«Электротехника и электроника», написанного с учетом требований 
к результатам освоения базовой дисциплины «Электротехника и электроника», входящей в профессиональный цикл дисциплин основных 
образовательных программ федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования подготовки бакалавров неэлектротехнических направлений и инженеров неэлектротехнических специальностей. Рассматривается элементная база устройств полупроводниковой 
электроники, приведены классификация, вольт-амперные и частотные 
характеристики, особенности применения электронных приборов в различных режимах работы. Излагаются принципы построения и функционирования типовых аналоговых, импульсных и цифровых устройств.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по неэлек
тротехническим направлениям подготовки бакалавров и инженеров.

УДК 621.3(075.8)

ББК 31.2я73

М30

А в т о р ы:

А.Л. Марченко, кандидат технических наук, профессор, профессор 

Московского авиационного института (национального исследовательского университета);

Ю.Ф. Опадчий, доктор технических наук, профессор, профессор 

Московского авиационного института (национального исследовательского университета)

Р е ц е н з е н т ы:

М. В. Немцов, доктор технических наук, профессор Национального 

исследовательского ядерного университета «МИФИ»;

Ю. Е. Бабичев, кандидат технических наук, профессор Националь
ного исследовательского технологического университета «МИСиС»

ISBN 978-5-16-016221-8 (общий)
ISBN 978-5-16-014295-1 (т. 2, print)
ISBN 978-5-16-106791-8 (т. 2, online)

© Марченко А. Л., 

Опадчий Ю. Ф., 2019

Предисловие

Настоящая книга «Электроника» является второй частью двухтомного учебника «Электротехника и электроника», предназначенного для электротехнической подготовки бакалавров неэлектротехнических направлений и инженеров неэлектротехнических специальностей. Учебник написан с учетом требований к результатам 
освоения базовой дисциплины «Электротехника и электроника», 
входящей в профессиональный цикл дисциплин основных образовательных программ федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования (ООП ФГОС ВО) подготовки 
бакалавров и инженеров указанных направлений и специальностей.
Электроника — это отрасль науки и техники, связанная с исследованиями, разработкой, изготовлением и применением электронных устройств. Современная электроника стала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса в мире.
По мнению лауреата Нобелевской премии академика Ж. И. Алфе рова: «Важно заниматься научными и технологическими исследованиями в области электроники, потому что именно она определяет 
технологический и даже социальный прогресс. Без собственных современных электронных технологий любые наши другие (те же космические) быстро перейдут во второстепенные. Сейчас у нас два пути — 
либо становиться страной третьего мира, живущей за счет ресурсов, 
либо развивать наукоемкие отрасли».
С учетом непрекращающихся санкций в адрес нашей страны 
необходимо ускоренное развитие электронной отрасли. Для этого 
требуются специалисты не только по разработке и производству 
электронных приборов, интегральных схем, устройств и систем, 
но и те, которые способны эффективно их использовать в своей 
практической работе.
Успешная подготовка компетентных, приспособленных к рынку 
труда бакалавров и инженеров связана с необходимостью изучения 
комплекса процессов взаимодействия электронов и других носителей заряда с электромагнитными полями, происходящих в электронных приборах и устройствах, с целью построения типовых или 
создания новых электронных приборов и устройств, с помощью которых осуществляются формирование, передача, обработка и хранение информации, автоматизация производственных процессов.
Во введении приведен анализ структур электронных устройств, 
определены основные блоки преобразователей электрической 

энергии и сигналов. Показано, что любой преобразовательный блок 
должен содержать дополнительный источник энергии и управляемый элемент, используя которые синтезируют три базовые схемы 
преобразователей: последовательную, параллельную и последовательно-параллельную. Эти структуры являются основой для построения многих электронных узлов. В зависимости от конкретного назначения преобразователей сигналов в их схемах изменяется 
только тип используемых управляемых элементов.
Изучение модуля «Электроника» дисциплины «Электротехника 
и электроника» направлено на формирование у студентов общекультурных и профессиональных компетенций (в сочетании с изучением 
других дисциплин, включенных в соответствующие ООП ФГОС 
ВО), уровень освоения которых может быть выявлен на основе 
проявления студентами следующих способностей:
 
• умение, позволяющее адаптироваться в быстро изменяющихся 
условиях технологически развитого информационного общества, гармонично взаимодействовать с электронной информационной средой и быть в информационном обществе социально значимыми;
 
• готовность к проведению измерений и наблюдений, составлению описания проводимых исследований типовых электронных устройств, подготовке данных для составления обзоров, 
отчетов и научных публикаций;
 
• умение выбирать средства и методы измерений в соответствии 
с требуемой точностью и условиями эксплуатации;
 
• умение планировать и проводить измерения и исследования 
электронных устройств по заданной методике с выбором средств 
измерений и обработки результатов;
 
• навыки математического моделирования процессов и объектов 
на базе стандартных пакетов исследований;
 
• знание методов решения задач анализа и расчета характеристик 
электронных приборов и устройств.
В результате освоения модуля «Электроника» дисциплины 
«Электротехника и электроника» студент должен:
знать
 
• основные понятия и математические модели объектов электроники, возникающие в них электромагнитные процессы и результаты их анализа;
 
• принципы функционирования, свойства, области применения 
и потенциальные возможности основных электронных приборов и узлов;

уметь
 
• описывать и объяснять электромагнитные процессы в электронных цепях и устройствах;
 
• строить их модели, решать несложные задачи;
 
• читать и анализировать схемы электронных устройств;
 
• составлять простые схемы электронных цепей;
 
• экспериментальным способом и на основе каталожных данных 
определять параметры и характеристики типовых электронных 
устройств;
владеть навыками
 
• использования современных методов электроники к описанию, 
анализу, теоретическому и экспериментальному исследованию 
и моделированию электромагнитных явлений и процессов 
в объеме, необходимом для использования при изучении специальных дисциплин и в профессиональной деятельности;
 
• планирования и практического выполнения действий, составляющих указанные умения в отведенное на выполнение контрольного задания время;
 
• владеть методологическими знаниями и умениями, позволяющими использовать присущие современной электронике 
методы научного познания, основанные на компьютерном 
моделировании и вычислительном эксперименте, используя 
стандартные программные средства компьютерного схемотехнического проектирования и анализа электронных устройств 
типа Multisim, Labview, Маhtcad, Matlab и др.
При написании материала книги было уделено большое внимание концептуальным основам преобразования электрической 
энергии и алгоритмам функционирования типовых электронных 
устройств: источников вторичного электропитания, усилителей 
и в расширенном объеме импульсных и цифровых преобразователей напряжения (тока).
При подготовке второго тома было использовано учебное пособие А. Л. Марченко. Основы электроники. — М.: ДМК Пресс, 2008, 
а также материалы рукописи лекций доктора технических наук 
Ю. Ф. Опадчего по электронике, написанные им для студентов 
Московского авиационного института.
В приложении 1 к данной книге приведена унифицированная 
учебная программа дисциплины «Электротехника и электроника» 
трудоемкостью восемь зачетных единиц (288 ч), составленная авторами учебника с учетом требований ФГОС ВО к результатам ее 
освоения.

Материал книги размещен в электронно-библиотечной си стеме 
(ЭБС) znanium.com НИЦ ИНФРА-М, которая обеспечивает круглосуточный доступ к электронным ресурсам в режиме онлайн 
зарегистрированным в ЭБС пользователям по всей России и за ее 
пределами посредством сети Интернет при наличии на ПК или 
ноутбуке пользователя одного из браузеров: Opera, Mozila Firefox, 
Chrome, Яндекс, Safari.
Выражаем глубокую признательность за нелегкий труд по рецензированию второго тома «Электроника» дисциплины «Электротехника и электроника» доктору технических наук, профессору 
М. В. Немцову (МИФИ) и кандидату технических наук, профессору 
Ю. Е. Бабичеву (МИСиС), а также за рекомендации и критические 
замечания, учтенные при окончательной подготовке рукописи 
к изданию.

Введение

В1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ 
И СИГНАЛОВ

В1.1. Структура электронного устройства
Из истории развития человечества известно, что человек, начиная с самых древних времен, создавал различные приспособления 
и механизмы, предназначенные для решения конкретных задач 
своего существования. Рассмотрим с этих позиций окружающий 
нас мир и попробуем выявить общие принципы, положенные 
в основу окружающих нас устройств.
У многих из нас в кармане лежит сотовый телефон. Его назначение — обеспечить общение находящихся на значительном расстоянии людей. А каков принцип его работы, какие узлы и блоки 
он содержит? Очевидно, в нем должен присутствовать блок (типа 
микрофона), преобразующий нашу речь в некий физический процесс, который, во-первых, отражает исходную информацию, и, 
во-вторых, преобразовывает ее в сигналы для передачи получателю информации. Затем, в телефоне должен быть блок, посредством которого сигналы передаются на необходимое расстояние, 
а на принимающей стороне должно быть устройство, которое выполнит обратное преобразование, т.е. преобразует сигналы в человеческую речь.
Рассмотрим еще один пример. При измерении температуры 
нашего тела иногда применяют электронный цифровой термометр. Как он устроен? Наверняка в нем есть блок, преобразующий 
температуру тела в некоторый физический процесс, который, как 
в предыдущем случае, должен, во-первых, достоверно отображать 
исходную информацию, и, во-вторых, обеспечить дальнейшую ее 
обработку для подачи на графический индикатор. И наконец, необходим блок, преобразующий обработанный физический процесс 
в понятный нам цифровой образ.
Аналогичные блоки можно выделить, например, в домашнем 
кондиционере и в других окружающих нас устройствах. Что же общего между всеми этими устройствами? Функционально они могут быть представлены в виде структуры, состоящей из трех блоков 
(рис. В1).
Первый блок (датчик) преобразует интересующую нас физическую величину 1 в некий физический процесс, отвечающий двум 

сформулированным выше условиям: его адекватность исходному 
процессу и возможность полученной информации для дальнейшей 
обработки. Второй блок (преобразователь сигнала) предназначен 
для преобразования полученного физического процесса к виду, 
пригодному для дальнейшего его использования. Третий блок (исполнительное устройство) преобразует полученный физический 
процесс в необходимую нам физическую величину 2.
Итак, многие созданные человеком устройства или механизмы 
можно представить в виде изображенной на рис. В1 функциональной схемы.
Принципиально физическим процессом на входе датчика может 
быть любой из известных процессов, например процесс движения 
либо изменения давления жидкости или газа на входах гидро- или 
пневмосистемы. Это может быть процесс изменения интенсивности свечения некоего объекта или процесс перемещения объекта в пространстве, на основе которых построены соответственно 
оптическая или механическая системы. Наконец, могут быть использованы процессы, происходящие в электрических цепях: это 
изменение тока или напряжения в различных ветвях схемы. В этом 
случае создают электрическую или более сложную электронную 
систему.
Все перечисленные и другие физические процессы отвечают 
сформулированным требованиям и применяются при построении 
различных устройств. Однако на практике в настоящее время наиболее широкое распространение получили электронные системы.
Решающим фактором, обусловившим их широкое использование, явилась, благодаря развитию микроэлектроники, возможность 
реализации требуемых алгоритмов обработки информации, представленной в виде электрических сигналов, в минимальных физических объемах при обеспечении высокого быстродействия и надежности функционирования.
В настоящее время на одном кристалле получают свыше миллиарда активных полупроводниковых элементов. Так, чип графического процессора JК-110 фирмы М-Video при площади кристалла 
550 мм2 содержит 7,1 ⋅ 109 транзисторов (при расстоянии между 
транзисторами 28 нм), двухядерный процессор Intel Broadwell при 

Физическая
величина 1

Физическая
величина 2

Датчик
Преобразователь
сигнала

Исполнительное
устройство

Рис. В1

технологии 14 нм, с площадью кристалла 133 мм2 содержит 1,9 ⋅ 109 
транзисторов, а 18-ядерный серверный процессор Haswell при площади кристалла 662 мм2 и технологии 22 нм содержит 5,69 ⋅ 109 
транзисторов. Отметим, что ЧИП последнего iPAD при технологии 
20 нм содержит 3 ⋅ 109 транзисторов при суммарном потреблении 
энергии около 2,5 Вт ⋅ с.
Настоящая книга посвящена изучению принципов функционирования и построения электронных устройств, предназначенных 
для преобразования электрической энергии и передачи информации с целью контроля и управления различными физическими 
процессами, объектами и системами. При этом большое внимание 
уделено рассмотрению принципов работы, заложенных при построении блоков преобразования сигналов.
Под сигналом будем понимать физический процесс, с заданной 
точностью отображающий сведения о состоянии изучаемого процесса или объекта и пригодный для обработки и передачи в соответствии с заданным алгоритмом. Применительно к электронным 
системам это, как правило, ток или напряжение ветви схемы цепи.
Рассмотрим классификацию различных типов преобразователей 
сигналов, их основные свойства и принципы функционирования.

В1.2. Классификация электронных устройств
Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов подразделяют на два класса: аналоговые (непрерывные) и дискретные (прерывистые).
Аналоговыми электронными устройствами (АЭУ) называют 
электронные устройства, предназначенные для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, изменяющихся по закону непрерывной (аналоговой) функции. В АЭУ каждому конкретному значению физической величины на входе датчика соответствует однозначное, вполне определенное значение выбранного 
параметра электрического постоянного или переменного тока. Это 
может быть электрический потенциал узла (по отношению к заземленной точке, шине схемы), напряжение или ток в ветви электронной цепи, его частота, фаза и т.п.
В качестве примера рассмотрим отклонение маятника х(t) от положения равновесия (рис. В2, а), которое описывается кривой, показанной на рис. В2, б, а напряжение u(t) на выходе АЭУ, поставленное в соответствие этому отклонению, изменяется по кривой 
(рис. В2, в). В этом случае как сама физическая величина (отклонение маятника), так и ее электрический эквивалент (напряжение), 

принимая бесконечные значения, могут быть определены в любой 
момент времени.
Отметим, что напряжение u(t) несет в себе информацию о реальном процессе х(t), хотя в общем случае моменты, когда реальная величина принимает некоторое значение и когда появляется ее 
электрический эквивалент, могут не совпадать, например, отставать на время задержки τз (см. рис. В2, в).
Примером устройства аналогового отображения информации 
является обычный потенциометр, выполненный в виде угольного 
стержня (а), преобразующий линейное перемещение х в напряжение u, график которого (б) построен в относительных единицах: х / Х 
и u / U (рис. В3).
Достоинствами АЭУ являются:
 
• теоретически максимально достижимые точность и быстродействие;
 
• простота реализации.
К недостаткам АЭУ следует отнести:
 
• низкую помехоустойчивость и нестабильность параметров, 
что обусловлено сильной зависимостью свойств устройства 

x

а

x(t)

u(t)

t

t
τз

б

в

0

0

Рис. В2

U
u/U

1

1
0

–1

–1

x/X

X
x

а
б

u

–U

Рис. В3