Электротехника и электроника

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА  
И ЭЛЕКТРОНИКА 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2021 

УДК 621.3(07) 
ББК 34.9я73 
Э455 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Н. П. Боярская, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники» Красноярского государственного аграрного университета; 
С. М. Плотников, доктор технических наук, профессор кафедры 
«Автоматизация производственных процессов» Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика 
М. Ф. Решетнева 
 
 
Э455 Электротехника и электроника : учеб. пособие / А. Ф. Синяговский, В. П. Довгун, В. В. Новиков, И. Г. Важенина. – Красноярск : 
Сиб. федер. ун-т, 2021. – 492 с. 
 
ISBN 978-5-7638-4519-8 
 
Рассмотрены методы анализа электронных цепей в установившемся  
и переходном режимах, элементная база современной микроэлектроники, основы аналоговой и цифровой схемотехники. Приведены примеры расчета аналоговых и цифровых электронных устройств. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника».   
 
 
 
 
 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.3(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 34.9я73 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-4519-8                               © Сибирский федеральный университет, 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
 
 
Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению подготовки 09.03.01 – «Информатика и вычислительная техника». Его основой являются лекции, которые 
авторы читают в Институте космических и информационных технологий 
Сибирского федерального университета. 
Пособие состоит из трех разделов. В первом  (гл. 1–7) даны основы 
теории электрических цепей в объеме, необходимом для изучения элементной базы электроники, основ аналоговой и цифровой схемотехники. 
При изложении материала  учитывался уровень подготовки студентов, не 
изучавших до этого дисциплины  электротехнического и радиотехнического профиля.  
Во втором разделе  (гл. 8–10) рассмотрены элементная база электроники, характеристики, параметры и схемы замещения диодов, биполярных и МОП-транзисторов. Сведения по физике полупроводниковых 
приборов даны в конспективной форме. Особое внимание уделено МОПтранзисторам как основным элементам современной микроэлектроники и 
принципам создания моделей реальных электронных компонентов. 
Представлены  как простейшие схемы замещения электронных приборов, 
используемые для приближенных ручных расчетов, так и глобальные 
модели, применяемые в современных программах схемотехнического 
моделирования. 
В третьем разделе (гл. 11–13) изложены основы аналоговой и цифровой схемотехники.  Рассмотрены усилительные каскады на биполярных и МОП-транзисторах, аналоговые фильтры и генераторы периодических колебаний, принципы функционирования таких устройств и вопросы их реализации на интегральных операционных усилителях, а также схемотехника базовых логических элементов на биполярных и МОПтранзисторах, реализация типовых комбинационных и последовательностных цифровых устройств, аналого-цифровых и цифроаналоговых 
преобразователей. Дано описание принципов работы и характеристик 
базовых логических элементов на комплементарных МОП-транзисторах.  
Теоретический материал иллюстрируется примерами расчета типовых устройств обработки аналоговых и цифровых сигналов – усилителей, фильтров, генераторов периодических колебаний, базовых логических элементов. Каждая глава содержит  контрольные вопросы для самопроверки. 

В конце учебного пособия приведен список литературы, которая 
может быть использована при углубленном изучении отдельных разделов курса. 
Первый раздел учебного пособия (главы 1–7) написан В. П. Довгуном, И. Г. Важениной и В. В. Новиковым, второй и третий раздел (гл. 8–
13) – А. Ф. Синяговским и В. П. Довгуном.   
Авторы благодарны рецензентам профессору С. М. Плотникову и 
доценту Н. П. Боярской, конструктивная критика которых способствовала улучшению содержания учебного пособия. 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
Дисциплина «Электротехника и электроника» занимает важное место в базовой подготовке специалистов в области информатики и вычислительной техники. Содержание дисциплины составляет изучение процессов, происходящих в различных электротехнических и электронных 
устройствах, а также принципов их построения и использования. 
Как наука электротехника начала формироваться в середине XIX века. Ее основы заложены в работах Г. Кирхгофа, Г. Ома, М. Фарадея, Дж. 
Максвелла, Г. Герца. Практическое использование электротехники связано с именами Т. Эдисона, Н. Теслы, П. Н. Яблочкова, М. О. ДоливоДобровольского. 
За прошедшие 150 лет электротехника коренным образом изменила 
жизнь человеческого общества. Электричество стало основой развития 
промышленности, транспорта, связи, без него невозможна автоматизация 
производственных процессов. Столь широкому распространению электрической энергии способс твовало удобство ее передачи на дальние расстояния и преобразования в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую и др. 
Первые десятилетия ХХ века ознаменовались развитием радиоэлектроники – области науки и техники, занимающейся разработкой 
устройств, предназначенных для передачи и обработки информации. 
Началом первого этапа развития радиоэлектроники считается  
1904 год, когда английским ученым Д. Флемингом была изготовлена первая электронная лампа – диод. Позднее был создан триод – лампа  
с управляющим электродом, способная усиливать и генерировать электрические сигналы. Триод стал первым управляемым электронным прибором. 
Второй этап развития радиоэлектроники начался в конце 1940-х годов с изобретения американскими учеными У. Браттейном, Д. Бардиным 
и В. Шокли биполярного транзистора. Новый прибор мог усиливать  
и генерировать электрические сигналы, а также выполнять функции 
электронного ключа. За это изобретение его создатели были удостоены 
Нобелевской премии.  
Первые транзисторы изготавливали на основе полупроводника германия. Рабочая температура таких приборов не превышала 70 °С. Во многих случаях этого было недостаточно. Во второй половине 1950-х годов 
вместо германия стали применять другой полупроводник – кремний. Рабочая температура кремниевых транзисторов составляет 120–150 °С. 

Кроме того, для них была разработана планарная технология, позволяющая создавать на одной пластине полупроводника миллионы транзисторов. 
Появление планарной технологии и совершенствование методов 
выращивания кристаллов кремния привело к созданию в 1960-е годы нового полупроводникового прибора – транзистора со структурой «металл – 
окисел – полупроводник» (МОП-транзистор).  
Третий этап развития электроники связан с появлением микроэлектроники – направления, охватывающего разработку и производство 
качественно нового типа приборов – интегральных микросхем или просто интегральных схем (ИС). Это совокупность большого числа электронных компонентов, изготовленных в едином технологическом цикле на 
кристалле полупроводникового материала, которые выполняют определенные функции преобразования и обработки сигналов.  
Первая цифровая интегральная схема была изготовлена в 1959 году 
и содержала всего 12 транзисторов. Но уже через несколько лет появились большие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи элементов. В настоящее время на кристалле сверхбольшой интегральной схемы 
(СБИС) расположены миллионы транзисторов, геометрические размеры 
которых составляют несколько нанометров.  
В эпоху микроэлектроники кардинально изменилась не только 
цифровая, но и аналоговая схемотехника. Создание интегральных операционных усилителей связано с именем Р. Видлара, определившего на 
многие годы структуру аналоговых интегральных схем. 
Начало 1970-х годов ознаменовалось созданием микропроцессоров. 
Они были разработаны в фирме Intel под руководством Ф. Фаггина  
и Т. Хоффа. Первый микропроцессор Intel 4004 содержал 2300 транзисторов и работал на частоте 750 кГц. Современные микропроцессоры содержат сотни миллионов транзисторов и работают на частотах, достигающих нескольких гигагерц. Они заменяют целые блоки и устройства радиоэлектронной аппаратуры предшествующих поколений. Благодаря 
микропроцессорам компьютеры стали массовым, общедоступным продуктом и широко используются для автоматизации технологических 
процессов и в быту. 
Любой электронный прибор представляет собой электромагнитное 
устройство, работу которого можно строго описать методами теории 
электромагнитного поля, которая оперирует векторными величинами, 
такими как напряженность электрического поля, магнитная индукция, 
плотность тока. Методы теории поля дают возможность изучать различные явления в любых электротехнических и электронных устройствах. 
Однако они сложны и трудоемки даже при решении простых задач. 

Для инженерных расчетов применяют приближенные методы анализа, позволяющие с достаточной степенью точности определять поведение электронных и электротехнических устройств. Такие методы дает 
теория электрических цепей, в которой вместо векторных величин теории поля, зависящих от пространственных координат и времени, используют скалярные величины: ток и напряжение. Для приближенного учета 
процессов, происходящих в электронных устройствах, в теории цепей 
введены идеальные элементы. Соединяя между собой эти идеальные 
элементы, получают схему замещения или модель, приближенно отображающую процессы в реальном устройстве. 
Методы теории цепей менее универсальны, чем теории электромагнитного поля. В частности, их нельзя применять при действии высокочастотных сигналов, когда длина волны электромагнитного колебания 
сравнима с размерами исследуемого устройства. Тем не менее методы 
теории цепей широко используют как при ручных расчетах, так и в компьютерных программах моделирования электронных цепей. 
Таким образом, теория цепей дает инженерам эффективный инструмент для исследования и проектирования электротехнических  
и электронных устройств. По существу она является языком радиоэлектроники. Без знания основ теории цепей невозможно изучить электронику и схемотехнику, а также специальные дисциплины, связанные с передачей и обработкой сигналов.  
 
 
 

Э 

8 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
– Раздел I – 

ОСНОВЫ ТЕОРИИ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ 

 

 

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ 

9 

– Глава 1 – 
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ  
ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ 

 
 
 
1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ  
И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ 
 
 
Основными величинами, характеризующими состояние цепи, 
являются ток и напряжение. 
Ток в проводящей среде есть явление упорядоченного движения 
электрических зарядов под действием электрического поля. Как известно, ток проводимости в металлах представляет собой перемещение отрицательных зарядов (электронов), а в полупроводниках – перемещение 
как отрицательных (электроны), так и положительных (дырки) носителей 
заряда.  
В каждый момент времени t ток характеризуется мгновенным значением, равным скорости изменения заряда во времени: 
 

t
q

t
q
i
t
d
d
lim
0






,  
 (1.1) 

 
здесь Δq – заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за 
интервал времени, равный Δt. 
Единица измерения тока в системе СИ – ампер (А). В электронных 
устройствах ток может достигать нескольких десятков ампер. Часто используют кратные единицы измерения тока: миллиамперы, 1 мА = 10–3 А; 
микроамперы, 1 мА = 10–6 А; наноамперы, 1 нА = 10–9 А. 
Ток является скалярной алгебраической величиной, которая может 
принимать как отрицательные, так и положительные значения. Для однозначного определения тока необходимо задать 
его направление. За направление тока принимают направление движения положительных 
зарядов. Положительное направление тока 
выбирают произвольно и показывают стрелкой на выводах элемента или участка цепи 
(рис. 1.1).  
 
Рис. 1.1. Участок цепи

Раздел I. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ 

10 

Если в результате расчета величина тока оказывается положительной, то это означает, что его фактическое направление совпадает с выбранным положительным направлением. Если ток отрицателен, он 
направлен противоположно выбранному направлению. 
Перенос зарядов в цепи связан с преобразованием или потреблением 
энергии. Для определения энергии, затрачиваемой на перемещение заряда, 
используют другую величину – напряжение. Напряжение (разность потенциалов) между двумя точками цепи определяется количеством энергии, 
затрачиваемой на перемещение заряда из одной точки в другую: 
 

q
w
q
w
u
t
d
d
lim
0






.  
(1.2) 

 
Единица измерения напряжения в системе СИ – вольт (В). Напряжение различных электронных устройств варьируется в широких пределах. 
Например, для работы электронных устройств, предназначенных для преобразования электрической энергии, требуется напряжение, составляющее 
десятки киловольт, а для питания микропроцессоров – менее 3 В. 
Напряжение – скалярная величина, которая может принимать как 
положительные, так и отрицательные значения. Для однозначного определения знака напряжения выбирают положительное направление его 
отсчета, которое показывают стрелкой, направленной от одного зажима  
к другому, либо знаками «+» и «–» (рис. 1.1). 
Положительную полярность напряжения удобно выбирать согласованной с положительным направлением тока. В этом случае стрелки, 
обозначающие ток и напряжение, совпадают. 
Часто потенциалы напряжения всех точек цепи рассчитывают относительно общего узла, потенциал которого принимают равным нулю. 
Общий узел называют «землей» или общим проводом.  
Согласно (1.1) и (1.2) энергия, затрачиваемая на перемещение заряда к моменту времени t, определяется формулой 
 









q
t
ui
q
u
w

0
d
d
. 
 (1.3) 

 
В формуле (1.3) принято, что 
0

w
 при 


t
.  
Мгновенная мощность участка цепи равна производной энергии по 
времени: 
 

ui
t
w
p

 d
d
.