Основы электроники. Аналоговая электроника

В.И. Крайний, А.Н. Семёнов

Основы электроники

Аналоговая электроника

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования  

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  

(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.3(075.8)
ББК 32.86
        К77

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/212/book1750.html

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»
Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Крайний, В. И.
Основы электроники. Аналоговая электроника : учебное пособие / В. И. Край- 
ний, А. Н. Семёнов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 
178, [4] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4806-7

Изложены основы аналоговой электроники. Рассмотрены базовые элементы электронных устройств: полупроводники, диоды, биполярные и полевые транзисторы. Даны основы усилительной техники на биполярных 
и полевых транзисторах, операционных усилителей, генераторов гармоничес- 
ких и импульсных сигналов, активных фильтров и вторичных источников 
питания.
Для студентов 3-го курса МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих основы 
электроники.

УДК 621.3(075.8)
ББК 32.86

ISBN 978-5-7038-4806-7 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

К77

ПРЕДИСЛОВИЕ

Электроника является универсальным и исключительно эффективным 
средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, 
выработки и преобразования энергии. Знания электроники востребованы 
почти во всех сферах производственной деятельности человека. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без 
использования электроники.
Цель учебного пособия — дать наиболее полное представление о принципах работы радиоэлектронных элементов и схем электронных устройств.
Пособие состоит из трех разделов. В первом разделе рассмотрены физические принципы работы основных полупроводниковых радиоэлементов 
(диодов, биполярных и полевых транзисторов), во втором разделе — характеристики и параметры усилителей, способы построения и анализа электронных схем, в основе которых лежат усилительные полупроводниковые приборы.
Третий раздел посвящен электронным устройствам, построенным с применением дискретной элементной базы, аналоговым и импульсным генераторам, вторичным источникам питания и фильтрам.
В конце каждого раздела пособия приведены контрольные вопросы 
и задания. 
При изучении данного пособия рекомендуется пользоваться литературой, 
представленной в конце этого издания.
В результате изучения материала пособия студенты получат знания об 
элементной базе электронных и микроэлектронных устройств, принципах 
действия электронных и микроэлектронных устройств, методах их анализа, 
овладеют методикой составления электрических схем, подбора и расчета 
радиоэлементов, а также способами исследования электронных устройств.

ВВЕДЕНИЕ

Некоторые представления об электронных устройствах имеет каждый: 
радиоприемники, магнитофоны, телевизоры, калькуляторы состоят в основном из электронных элементов.
Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю, которая 
составляет более 100 лет. Первый ее период связан с эпохой вакуумных ламп 
и появлением позже ионных приборов. На этой основе были разработаны 
первые электронные устройства, которые затем долгие годы совершенствовались. К концу Второй мировой войны масса электронного оборудования 
тяжелых самолетов приближалась к 1000 кг, и это без учета систем электропитания.
Основным показателем совершенства электронной аппаратуры является 
плотность упаковки, т. е. количество элементов схемы в одном кубическом 
сантиметре (эл./см3) действующего устройства. Если, например, основным 
элементом электронного устройства являются лампы, то можно достигнуть 
плотности 0,3 эл./см3. С учетом этого для размещения современной ЭВМ 
потребуется объем в несколько тысяч кубических метров и, кроме того, 
мощная энергетическая установка для питания такой машины.
Создание в конце 1940-х годов первых полупроводниковых элементов 
(диодов и транзисторов, 1948) привело к появлению нового принципа конструирования электронной аппаратуры — модульного. Модуль состоит из 
элементарных ячеек-модулей, стандартных по размерам, способу сборки 
и монтажу. При этом плотность упаковки возросла до 2,5 эл./см3.
Дальнейшее совершенствование полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов и других элементов, уменьшение их размеров привели к созданию микромодулей. Плотность упаковки при этом превысила 
10 эл./см3. Микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзисторной 
электроники и привели к возникновению интегральной электроники, или 
микроэлектроники.
В схемотехническом отношении интегральная электроника часто не отличается от транзисторной, так как в интегральной схеме можно выделить все 
элементы принципиальной схемы устройства, но размеры этих элементов очень 
малы (примерно 0,5...1 мкм). Технология изготовления интегральных схем 
позволила резко повысить плотность упаковки, доведя ее до 10 000 эл./см3 

(SOC-кристаллы).
Несмотря на то что электроника шагнула далеко вперед и уже отказывается от дискретной элементной базы, также называемой радиодеталями, до 

сих пор остается актуальной следующая классификация электронных приборов.
Электронные приборы подразделяют по способу действия в электрической цепи на активные и пассивные.
Пассивные элементы — это базовые элементы любой электрической схемы радиоэлектронной аппаратуры:

 • резисторы;
 • конденсаторы;
 • трансформаторы и дроссели, а на базе электромагнитов — соленоиды 
и реле.
Кроме того, к пассивным элементам относятся следующие элементы: для 
создания электрических цепей соединители и разъединители — ключи; для 
защиты от перенапряжения и короткого замыкания — предохранители; для 
восприятия человеком сигнала — лампы и динамики; для формирования сигнала — микрофон и видеокамера; для приема аналогового сигнала, передающегося по эфиру, — антенна; для работы вне сети электрического тока — 
аккумуляторы.
Активные радиоэлектронные элементы:
 • вакуумные приборы (электронные лампы, триод, пентод и др.);
 • полупроводниковые приборы (диоды, стабилитроны, транзисторы, 
тиристоры и более сложные комплексы на их основе);

 • интегральные микросхемы.
В зависимости от способа монтажа электронные элементы используют 
следующим образом:

 • для объемной (пространственной) пайки;
 • для поверхностного монтажа на печатные платы;
 • для установки в панель (радиолампы и др.) при наличии цоколя.
Рассмотрим идеализированную систему управления некоторым объектом, 
структурная схема которой представлена на рис. В1.

Рис. В1. Структурная идеализированная электронная система управления:

АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь

Электрические сигналы, содержащие информацию о контролируемых 
величинах, вырабатываются соответствующими датчиками. Эти сигналы 
фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровую форму с помощью 
аналого-цифровых преобразователей. Затем они обрабатываются микропро

цессором, который может взаимодействовать с ЭВМ. Формируемые микропроцессором сигналы управления преобразуются в аналоговую форму 
с помощью цифроаналоговых преобразователей, усиливаются и подаются на 
силовые электронные устройства, которые управляют исполнительными 
устройствами, воздействующими на объект.
Представленная система содержит аналоговые электронные устройства 
(фильтры, усилители, силовые электронные устройства), цифровые устройства 
(микропроцессор, ЭВМ), а также устройства, осуществляющие преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно.
Характеристики электронных устройств определяются прежде всего характеристиками составляющих их элементов, и вся современная электроника построена на полупроводниках. В пособии рассмотрены именно такие 
устройства.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ  ПРИБОРЫ

1.1. Общие сведения о полупроводниках

Современные электронные устройства, согласно требованиям миниатюризации и микроминиатюризации, строятся в основном на полупроводниковых приборах.
Характерной особенностью полупроводников является резко выраженная 
зависимость удельной электропроводности от температуры, от количества 
и природы вводимых примесей, а также от воздействия электрического поля, 
света, ионизирующего излучения и других факторов.

1.1.1. Проводники, полупроводники и диэлектрики

В твердых телах атомы вещества образуют кристаллическую решетку, 
когда соседние атомы удерживаются межатомными силами на определенном 
расстоянии друг от друга в точках равновесия этих сил, называемых узлами 
кристаллической решетки. Под действием теплоты атомы, не имея возможности перемещаться, совершают колебательные движения относительно 
положения равновесия.
Соседние атомы в твердых телах в отличие от газа так близко находятся 
друг к другу, что их внешние электронные оболочки соприкасаются или даже 
перекрываются. В результате этого в твердых телах происходит расщепление 
энергетических уровней электронов на большое количество почти сливающихся подуровней, которые называют разрешенными энергетическими зонами (рис. 1.1).
Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля все 
энергетические зоны заняты электронами, называется валентной. Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, называется зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная зона.
Ширина запрещенной зоны ∆W является основным параметром, характеризующим свойства твердого тела.
Вещества, у которых 0 01
3
,
<
<
∆W
 эВ, относятся к полупроводникам, 
при ∆W  >  3 эВ  — к диэлектрикам. У металлов (проводников) запрещенная 
зона отсутствует. В полупроводниковой электронике наибольшее применение 
получили германий Ge (∆W  = 0,67 эВ)  и кремний Si (
)
∆W  = 1,12 эВ  — элементы IV группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, 
а также арсенид галлия GaAs (
).
∆W  = 1,43 эВ

Подобно тому, как в отдельном атоме электроны могут переходить 
с одного энергетического уровня на другой свободный уровень, электроны 
в твердом теле могут совершать переходы внутри разрешенной зоны при наличии в ней свободных уровней, а также переходить из одной разрешенной 
зоны в другую. Плотность уровней в разрешенных зонах очень велика, поэтому для перемещения электрона с одного уровня на другой внутри разрешенной зоны требуется очень малая энергия, порядка 10–8…10–4 эВ, что 
может быть следствием тепловых колебаний атомов, ускорений электронов 
даже под действием слабых внешних электрических полей, попадания в атом 
кванта световой энергии — фотона, а также ряда других видов внешних воздействий.
При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт внешнее 
электрическое поле практически не может перевести электрон из валентной 
зоны в зону проводимости, так как энергия, приобретаемая электроном, 
движущимся ускоренно на длине свободного пробега, недостаточна для преодоления запрещенной зоны. Длиной свободного пробега является расстояние, 
проходимое электроном между двумя соударениями с атомами кристаллической решетки.
Таким образом, способность твердого тела проводить ток под действием 
электрического поля зависит от структуры энергетических зон и степени их 
заполнения электронами.
Необходимым условием возникновения электрической проводимости 
в твердом теле является наличие в разрешенной зоне свободных или не 
полностью занятых энергетических уровней. Так, в металлах зона проводимости частично заполнена и под действием температуры электроны могут 
переходить из полностью заполненных зон в зону проводимости. Однако их 
концентрация всегда мала по сравнению с концентрацией валентных электронов. Поэтому концентрация электронов в металлах практически не зависит 
от температуры и зависимость электропроводности металлов от температуры 

Рис. 1.1. Положение энергетических зон:

а — в материалах; б — в проводниках; в — в полупроводниках; г — в диэлектриках;  1–4 — разрешенные зоны; 5 — запрещенные зоны; 1, 2 — свободные зоны; 2 — зона проводимости; 3 — валентная зона; W — энергия электрона; ∆W — ширина запрещенной зоны

обусловлена только подвижностью электронов, которая снижается с повышением температуры из-за увеличения амплитуды колебаний атомов в кристаллической решетке, что влечет за собой уменьшение длины свободного 
пробега электрона.
У диэлектриков и полупроводников в отличие от металлов нет частично 
заполненных зон. При температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости совершенно пуста, поэтому эти вещества не могут проводить ток. Однако если этому веществу сообщить достаточное количество энергии, то электроны, приобретая дополнительное 
количество энергии, могут преодолеть ширину запрещенной зоны и перейти 
в зону проводимости. В этом случае вещество приобретает некоторую электропроводность, которая возрастает с повышением температуры.

1.1.2. Распределение электронов по энергетическим уровням

При неизменном температурном состоянии полупроводника распределение электронов по энергетическим уровням подчиняется квантовой статистике Ферми — Дирака. С ее помощью можно определить концентрацию 
электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, а также найти 
зависимость удельной электропроводности полупроводника от температуры, 
наличия примесей и других факторов.
Вероятность заполнения электроном энергетического уровня W  при 
температуре T определяется функцией распределения Ферми

 
f W
n
W W
kT
F
(
)
,
=

+

−

1

1
e

 
(1.1)

где T  — температура, К; k  = 1,38·10–23 Дж/К — постоянная Больцмана; 
WF  — энергия уровня Ферми (средний энергетический уровень, вероятность 
заполнения которого равна 0,5 при T = 0 К).

Рис. 1.2. Распределение электронов по 
энергетическим уровням чистого полупроводника:

W — энергия электрона; WF — энергетический 
уровень Ферми; Wп и Wв — границы зоны 
проводимости и валентной зоны соответственно;  fп(W) — вероятность нахождения электрона на энергетическом уровне W

Соответственно функция 1− f W
n(
)  определяет вероятность того, что 
квантовое состояние с энергией W свободно от электрона, т. е. занято дыркой:

 
f (W)
f (W)
p
n
W W
kT
F
= −
=

+

−
1
1

1
e

.  
(1.2)

Вид функций распределения электронов (см. (1.1)) представлен на рис. 1.2. 
При температуре T = 0 К функция распределения Ферми имеет ступенчатый 
характер. Это означает, что при T = 0 К все энергетические уровни, находящиеся выше уровня Ферми, свободны.
При T > 0 К увеличивается вероятность заполнения электроном энергетического уровня, расположенного выше уровня Ферми. Поэтому ступенчатый характер функции распределения сменяется на более плавный в сравнительно узкой области энергий, близких к WF .

1.1.3. Собственная электропроводность полупроводников

Рассмотрим строение полупроводникового материала на основе кремния 
Si. В кристалле этого полупроводника атомы располагаются в узлах кристаллической решетки, а электроны наружной электронной оболочки образуют 
устойчивые ковалентные связи, когда каждая пара валентных электронов 
принадлежит одновременно двум соседним атомам и образует связывающую 
эти атомы силу. У элементов IV группы системы Д.И. Менделеева на наружной электронной оболочке располагается по четыре валентных электрона, 
и в идеальном кристалле полупроводника все ковалентные связи заполнены, 
а все электроны прочно связаны со своими атомами (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Структура связей атома кремния 
Si в кристаллической решетке:

1 — атом кремния Si; 2 — валентный электрон; 
3 — ковалентные связи атомов

Рис. 1.4. Генерация пары свободных носителей электрон — дырка:

1 — атом кремния Si; 2 — валентный электрон; 
3 — вакантное место (дырка); 4 — направление 
движения электрона при разрыве ковалентной 
связи; 5 — свободный электрон