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
2023

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. Электро-
ника / А. Л. Марченко, Ю. Ф. Опадчий. — Москва : ИНФРА-М, 
2023. — 391 с. — (Высшее образование). — 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 элект-
роника», входящей в профессиональный цикл дисциплин основных 
образовательных программ федеральных государственных образователь-
ных стандартов высшего образования подготовки бакалавров неэлектро-
технических направлений и инженеров неэлектротехнических специаль-
ностей. Рассматривается элементная база устройств полупроводниковой 
электроники, приведены классификация, вольт-амперные и частотные 
характеристики, особенности применения электронных приборов в раз-
личных режимах работы. Излагаются принципы построения и функцио-
нирования 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 исследова-
тельского университета);
Ю.Ф. Опадчий, доктор технических наук, профессор, профессор 
Московского авиационного института (национального исследова-
тельского 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 двух-
томного учебника «Электротехника и электроника», предназначен-
ного для электротехнической подготовки бакалавров неэлектротех-
нических направлений и инженеров неэлектротехнических специ-
альностей. Учебник написан с учетом требований к результатам 
освоения базовой дисциплины «Электротехника и электроника», 
входящей в профессиональный цикл дисциплин основных образо-
вательных программ федеральных государственных образователь-
ных стандартов высшего образования (ООП ФГОС ВО) подготовки 
бакалавров и инженеров указанных направлений и специальностей.
Электроника — это отрасль науки и техники, связанная с ис-
следованиями, разработкой, изготовлением и применением элект-
ронных устройств. Современная электроника стала одним из важ-
нейших направлений научно-технического прогресса в мире.
По мнению лауреата Нобелевской премии академика Ж. И. Ал-
фе рова: «Важно заниматься научными и технологическими исследо-
ваниями в области электроники, потому что именно она определяет 
технологический и даже социальный прогресс. Без собственных совре-
менных электронных технологий любые наши другие (те же космиче-
ские) 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 носите-
лей заряда с электромагнитными полями, происходящих в элект-
ронных приборах и устройствах, с целью построения типовых или 
создания новых электронных приборов и устройств, с помощью ко-
торых осуществляются формирование, передача, обработка и хра-
нение 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 управляе-
мый элемент, используя которые синтезируют три базовые схемы 
преобразователей: последовательную, параллельную и последова-
тельно-параллельную. Эти структуры являются основой для по-
строения многих электронных узлов. В зависимости от конкрет-
ного назначения преобразователей сигналов в их схемах изменяется 
только тип используемых управляемых элементов.
Изучение модуля «Электроника» дисциплины «Электротехника 
и электроника» направлено на формирование у студентов общекуль-
турных 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 об-
щества, гармонично взаимодействовать с электронной инфор-
мационной средой и быть в информационном обществе соци-
ально значимыми;
 
• готовность к проведению измерений и наблюдений, состав-
лению описания проводимых исследований типовых элект-
ронных 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 электро-
ники, 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 схемотех-
нического 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 кру-
глосуточный 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 ре-
цензированию второго тома «Электроника» дисциплины «Электро-
техника 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, начи-
ная 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 назна-
чение — обеспечить общение находящихся на значительном рас-
стоянии 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 про-
цесс, который, во-первых, отражает исходную информацию, и, 
во-вторых, преобразовывает ее в сигналы для передачи получа-
телю информации. Затем, в телефоне должен быть блок, посред-
ством которого сигналы передаются на необходимое расстояние, 
а на принимающей стороне должно быть устройство, которое вы-
полнит обратное преобразование, т.е. преобразует сигналы в чело-
веческую речь.
Рассмотрим еще один пример. При измерении температуры 
нашего тела иногда применяют электронный цифровой термо-
метр. 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, не-
обходим 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 об-
щего между всеми этими устройствами? Функционально они мо-
гут быть представлены в виде структуры, состоящей из трех блоков 
(рис. В1).
Первый блок (датчик) преобразует интересующую нас физиче-
скую 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 (ис-
полнительное 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 функцио-
нальной 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 интенсив-
ности свечения некоего объекта или процесс перемещения объ-
екта в пространстве, на основе которых построены соответственно 
оптическая или механическая системы. Наконец, могут быть ис-
пользованы 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 наи-
более широкое распространение получили электронные системы.
Решающим фактором, обусловившим их широкое использова-
ние, явилась, благодаря развитию микроэлектроники, возможность 
реализации требуемых алгоритмов обработки информации, пред-
ставленной в виде электрических сигналов, в минимальных физиче-
ских объемах при обеспечении высокого быстродействия и надеж-
ности 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 по-
строении блоков преобразования сигналов.
Под сигналом будем понимать физический процесс, с заданной 
точностью отображающий сведения о состоянии изучаемого про-
цесса или объекта и пригодный для обработки и передачи в соот-
ветствии 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 пе-
редачи сигналов подразделяют на два класса: аналоговые (непре-
рывные) и дискретные (прерывистые).
Аналоговыми электронными устройствами (АЭУ) называют 
электронные устройства, предназначенные для приема, преобра-
зования и передачи электрических сигналов, изменяющихся по за-
кону непрерывной (аналоговой) функции. В АЭУ каждому кон-
кретному значению физической величины на входе датчика соот-
ветствует однозначное, вполне определенное значение выбранного 
параметра электрического постоянного или переменного тока. Это 
может быть электрический потенциал узла (по отношению к зазем-
ленной точке, шине схемы), напряжение или ток в ветви элект-
ронной цепи, его частота, фаза и т.п.
В качестве примера рассмотрим отклонение маятника х(t) от по-
ложения равновесия (рис. В2, а), которое описывается кривой, по-
казанной на рис. В2, б, а напряжение u(t) на выходе АЭУ, постав-
ленное в соответствие этому отклонению, изменяется по кривой 
(рис. В2, в). В этом случае как сама физическая величина (откло-
нение 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 ре-
альном процессе х(t), хотя в общем случае моменты, когда реаль-
ная величина принимает некоторое значение и когда появляется ее 
электрический эквивалент, могут не совпадать, например, отста-
вать 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 напряже-
ние u, график которого (б) построен в относительных единицах: х / Х 
и u / U (рис. В3).
Достоинствами АЭУ являются:
 
• теоретически максимально достижимые точность и быстродей-
ствие;
 
• 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