Схемотехника радиоэлектронных устройств

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

А. В. КРАВЕЦ

СХЕМОТЕХНИКА 

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ 

УСТРОЙСТВ 

Учебное пособие

Ростов-на-Дону − Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2021

Оглавление

2

УДК 621.375(075.8)+621.382(075.8)
ББК 32.846+3285

К771

Печатается по решению кафедры 

встраиваемых и радиоприемных систем

Института радиотехнических систем и управления

Южного федерального университета
(протокол № 8 от 10 марта 2019 г.)

Рецензенты:

кандидат технических наук, заведующий кафедры радиотехнических 

систем Института радиотехнических систем и управления ЮФУ 

В. Т. Лобач

кандидат технических наук, заведующий отделом «Алгоритмического 

обеспечения систем автоматической обработки изображений»
«АО Научно-конструкторское бюро вычислительных систем» 

И. В. Сидько

Кравец, А. В.

К771
Схемотехника радиоэлектронных устройств : учебное пособие /

А. В. Кравец ; Южный федеральный университет. – Ростов-наДону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 156 с.

ISBN 978-5-9275-3746-4
Соответствует программе курса «Схемотехника радиоэлектронных уст
ройств» для студентов всех форм обучения по направлению «Радиотехника».

УДК 621.375(075.8)+621.382(075.8)

ББК 32.846+3285

ISBN 978-5-9275-3746-4

© Южный федеральный университет, 2021
© Кравец А. В., 2021
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2021

Оглавление

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………...………………………………………………...
7

Глава 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ ……
8

1. Проводники и диэлектрики ….……………………………………...
8

1.1. Металлы и неметаллы …………………………………………...
9

1.2. Полупроводники …………………………………………………
10

1.2.1. Кристаллическая решетка ……………………………………
11

1.2.2. Свободные электроны и дырки ………………………………
11

1.2.3. Проводимость в полупроводниках …………………………..
13

1.2.4. Температурная зависимость …………………………………
13

1.2.5. Примесные полупроводники …………………………………..
14

1.3. Электронно-дырочный переход (р–n-переход) ……………...
15

1.3.1. р–n-переход в равновесном состоянии ……………………….
15

1.3.2. Смещение р–n-перехода в прямом направлении …………...
17

1.3.3. Смещение р–n-перехода в обратном направлении ………..
18

1.4. Характеристики диода ………………………………………...
19

1.5. Полупроводниковые стабилитроны ………………………….
19

1.5.1. Характеристики стабилитрона …………………………….
21

1.5.2. Применение стабилитронов ………………………………….
22

1.6. Диоды Шоттки …………………………………………………
23

1.6.1. Кремниевые диоды Шоттки …………………………………
24

1.6.2. Диоды Шоттки из карбида кремния ……………………….
25

1.7. Фотодиоды ……………………………………………………..
27

1.8. Излучающие диоды ……………………………………………
28

1.9. Оптроны ………………………………………………………..
28

1.10. Варикапы ……………………………………………………...
29

1.11. Туннельные диоды …………………………………………...
30

1.12. Динистор ……………………………………………............
31

1.13. Диак …………………………………………………………...
35

1.14. Тиристор ………………………………………………………
38

1.15. Симистор ……………………………………………………...
43

1.16. Биполярный транзистор ……………………………………..
46

1.16.1. Переход база-эмиттер ………………………………………
48

Оглавление

4

1.16.2. Изготовление транзистора …………………………………
48

1.16.3. Работа транзистора …………………………………………
49

1.16.4. Коллекторный переход ……………………………………….
50

1.16.5. Эмиттерный переход базы ………………………………….
50

1.17. Полевые транзисторы ………………………………………..
51

1.17.1. Введение в полевые транзисторы …………………...
51

1.17.2. Структура полевого транзистора с управляющим р–n-переходом ……………………………………………………………………....
52

1.17.3. Принцип действия полевого транзистора с управляющим р–n-переходом ………………………….………………………....
53

1.17.4. Стоковые характеристики …….………………………..
55

1.17.5. Уравнение Шокли ……………………………………………...
57

1.17.6. Смещение полевого транзистора с управляющим р–n-переходом …………………………………………………….……………...
57

1.17.7. Анализ схемы с автоматическим смещением …………..
58

1.17.8. МОП-транзисторы …………………………………………...
59

1.17.9. МОП-транзисторы со встроенным каналом и с индуцированным каналом ……………………………………………..
61

1.17.10. Принцип действия МОП-транзистора ……………….
62

1.17.11. Схемы смещения МОП-транзисторов ………………..
62

Глава 2. УСИЛИТЕЛИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ
НА

ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ………………………………………..
64

2.1. Параметры и характеристики усилителей электрических 
сигналов ………………………………………………………………
64

2.2. Простейшие усилительные каскады, задание рабочей точки ...
70

2.3. Основные схемы усилительных каскадов на биполярном 
транзисторе ………………………………………………………….
75

2.3.1. Схема с общим эмиттером …………………………………..
75

2.3.1.1. Схема с общим эмиттером в области средних 
частот ……………………………………………………………….
75

2.3.1.2. Схема с общим эмиттером в области низких 
частот ……………………………………………………………….
78

2.3.1.3. Схема с общим эмиттером в области высоких 
частот ……………………………………………………………….
81

Оглавление

5

2.3.2. Схема с общей базой ……………………………………………
85

2.3.2.1. Схема с общей базой в области средних частот ……
85

2.3.2.2. Схема с общей базой в области низких частот ……..
87

2.3.2.3. Схема с общей базой в области высоких частот ……
87

2.3.3. Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) …
88

2.3.3.1. Схема с общим коллектором в области средних частот
88

2.3.3.2. Схема с общим коллектором в области низких частот ...
92

2.3.3.3. Схема с общим коллектором в области высоких частот
92

2.4. Обратная связь (ОС) …………………………………………….
92

2.4.1. Основные параметры и определения …………………………
92

2.4.2. Параллельная обратная связь по напряжению (Y-типа) …
95

2.4.3. Последовательная обратная связь по напряжению (Н-типа) ..
97

2.4.4. Последовательная обратная связь по току (Z-типа) …….
98

2.4.5. Параллельная обратная связь по току (G-типа) …………..
100

2.4.6. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и 
помехи ……………………………………………………………………….
102

2.4.7. Влияние последовательной OOC по напряжению на стабильность коэффициента усиления усилителя ………………………..
103

2.4.8. Расширение полосы рабочих частот в малосигнальном 
режиме с помощью обратной связи ………………………………….
104

2.4.9. Устойчивость усилителей с отрицательной обратной 
связью ……………………………………………………………………….
105

2.5. Токовое зеркало …………………………………………………
107

2.6. Дифференциальный каскад (ДК) ……………………………….
113

2.6.1. Общие сведения ……………………………………………………
113

2.6.2. Малосигнальные усилительные параметры ДК ……………
116

2.7. Широкополосные усилители …………………………………...
120

2.7.1. Общие сведения ……………………………………………………
120

2.7.2. Расширение полосы пропускания в области низких частот ...
120

2.7.3. Расширение полосы пропускания в области высоких частот ...
120

Глава 3. УСИЛИТЕЛИ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ ...
129

3.1. Основные сведения об операционных усилителях ……………
129

3.2. Основные параметры операционных усилителей …………….
131

3.3. Основные схемы включения операционных усилителей …….
141

3.3.1. Инвертирующий усилитель ……………………………………..
141

Оглавление

6

3.3.2. Неинвертирующий усилитель ………………………………….
144

3.3.3. Повторитель ………………………………………………………
144

3.3.4. Разностный усилитель …………………………………………..
145

3.4. Сумматоры ……………………………………………………….
147

3.4.1. Инвертирующий сумматор ……………………………………..
147

3.4.2. Неинвертирующий сумматор ………………………………….
148

3.5. Компараторы …………………………………………………….
149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………
153

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………..
154

Оглавление

3

ВВЕДЕНИЕ

В нашем «цифровом мире» иногда кажется, что аналоговым элек
тронным устройствам осталось место только в музее. Но в реальном мире большинство сигналов аналоговые по своей природе, поэтому даже в 
самых современных смартфонах, компьютерах, мониторах и любых других цифровых приборах есть часть схемы, построенная на аналоговых 
элементах.

Современная схемотехника радиоэлектронных устройств решает 

несколько основных задач.

Во-первых, усиление слабых сигналов до уровня, необходимого 

для работы аналогово-цифрового преобразователя.

Во-вторых, усиление сигналов с выхода цифро-аналогового преоб
разователя до необходимого уровня (усиление по мощности).

В-третьих, получение питающих напряжений для работы схемы. 

Устройства вторичного питания рассматриваются в отдельном предмете, 
поэтому речь в данном учебном пособии пойдет о различных усилительных устройствах и простейших устройствах преобразования сигнала.

Оглавление

8

Глава 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ

1. Проводники и диэлектрики

Химические элементы и соединения можно классифицировать по 

различным признакам. Одним из вариантов классификации является подразделение веществ на проводники и диэлектрики. Идеальный проводник 
не оказывает сопротивления электрическому току, а сопротивление диэлектрика равно бесконечности, т.е. через идеальный диэлектрик ток не 
протекает. Хотя идеальные проводники и диэлектрики в природе не существуют, материалы, близкие по свойствам к тому и другому виду, встречаются довольно часто.

Способность материала проводить электрический ток оценивается 

его удельным сопротивлением (р). Удельное сопротивление материала –
это сопротивление одного кубического сантиметра этого материала 
(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Удельное сопротивление материала

Удельные сопротивления некоторых материалов приведены в 

табл. 1.1. За единицу удельного сопротивления принят Ом∙см. Как видно 
из таблицы, хороший проводник имеет удельное сопротивление около 
2 ∙ 10 -6 Ом∙см, тогда как удельное сопротивление диэлектриков – около 
1014Ом∙см. Таким образом, разница между удельными сопротивлениями 
диэлектриков и проводников огромна ( ~ 1020 Ом см).

Таблица 1.1

Удельные сопротивления диэлектриков и проводников

Материал
р, Ом см

Проводники
Алюминий
2,63∙10-6

1.1. Металлы и неметаллы

9

Окончание табл. 1.1

Материал
р, Ом см

Медь
1,72∙10-6

Золото
2,44∙10-6

Железо
5,3∙10-6

Серебро
1,62∙10-6

Углерод
0,35

Полупроводники
Германий
45

Кремний
230 000

Янтарь
5∙1016

Диэлектрики
Слюда
1,3∙1014

Стекло
1014

Древесина
3∙1010

Сопротивление любого вещества, если известны его удельное со
противление и форма, может быть определено согласно уравнению (1.1):

,
A
pl
R =
(1.1)

где р–удельное сопротивление материала; l – длина образца (см); А – его 
площадь (см2).

Из (1.1) следует, что сопротивление между противоположными гра
нями кубического сантиметра меди равно ~ 10 -6 Ом, т.е. близко к нулю, 
тогда как сопротивление такого же кусочка слюды ~ 1,3∙1013 Ом, что можно 
рассматривать как бесконечно большое. Эти материалы имеют экстремальные различия. Поэтому медь является одним из лучших и наиболее широко 
используемых проводников, а слюда часто используется как изолятор.

1.1. Металлы и неметаллы

Атомы любого элемента состоят из протонов и нейтронов, образу
ющих ядро атома, вокруг которого движутся электроны, причем число 
электронов равно числу протонов. Электроны располагаются на орбитах,
или на энергетических уровнях, и самые удаленные уровни образуют валентную зону. Заполненная валентная зона содержит восемь электронов и 
весьма стабильна.

Металлы имеют заполненные энергетические уровни и один или 

два электрона во внешней, или валентной, зоне. На рис. 1.2 представлена 

Глава 1. Электронные материалы и компоненты

10

диаграмма атома меди, который имеет заполненные оболочки с 2, 8 и 
18 электронами, называемыми К-, L- и М-орбитами, и один дополнительный электрон на N-орбите, которая является валентной зоной. Электрон, 
расположенный на N-орбите, имеет очень слабую связь с ядром, поэтому он 
легко покидает зону своего атома и свободно перемещается между другими 
атомами. Таким образом, каждый атом меди испускает свободный электрон, который движется произвольно. Под действием электрического поля 
движение свободных электронов становится направленным. Этим объясняется высокая проводимость меди и других металлов.

Рис. 1.2. Простейшая модель атома меди

Элементы-неметаллы и их соединения обычно имеют частично за
полненную валентную зону, в которой недостает одного или двух электронов. И в неметаллах, и в их химических соединениях электроны имеют 
сильную связь с ядром. Поэтому лучшими проводниками являются металлы. Например, золото является хорошим проводником и не окисляется, 
но оно весьма дорого. Иногда оно используется при изготовлении печатных плат, особенно на печатных контактах, которые обеспечивают подключение к внешним соединителям. Медь много дешевле и широко используется в качестве проводника.

1.2. Полупроводники

Использование полупроводников обеспечило прогресс электронной 

промышленности благодаря созданию таких твердотельных приборов, как 
диоды, транзисторы и интегральные схемы. Атомы углерода, германия и