Введение в электронику и цифровую технику

А. Х. Султанов, А. Л. Тимофеев 
ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОНИКУ И ЦИФРОВУЮ ТЕХНИКУ 
Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию  
в области электроники и связи в качестве учебного пособия для группы направлений  
и специальностей 11.00.00 «Электроника, радиотехника 
и системы связи» 
Москва   Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 

УДК 621.37 
ББК 32.88 
С89 
Рецензенты:
к. т. н., доцент (УУНиТ) Мешков И. К.; 
к. т. н., доцент (УУНиТ) Гизатулин А. Р. 
Султанов, А. Х. 
С89  
Введение в электронику и цифровую технику : учебное пособие / 
А. Х. Султанов, А. Л. Тимофеев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2023. – 72 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1578-1 
Кратко изложены основы полупроводниковой электроники и цифровой техники. 
Для подготовки бакалавров и магистров по группе направлений и 
специальностей «Электроника, радиотехника и системы связи».  
УДК 621.37 
ББК 32.88 
ISBN 978-5-9729-1578-1 
© Султанов А. Х., Тимофеев А. Л., 2023
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5
Глава 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ........................................................................ 6
1.1. История развития радиоэлектроники 
............................................................. 6
1.2. Классификация и современное состояние электроники ............................ 13 
1.3. Электровакуумные приборы 
......................................................................... 14 
1.4. Полупроводниковая электроника ................................................................. 17 
1.4.1. Полупроводники. Два вида электропроводимости  
полупроводников 
............................................................................................... 17 
1.4.2. Электронно-дырочный переход (p-n переход) 
..................................... 20 
1.4.3. Полупроводниковые диоды ................................................................... 22 
1.4.4. Влияние температуры на обратный ток p-n перехода 
......................... 25 
1.4.5. Виды полупроводниковых диодов ........................................................ 26 
1.4.6. Выпрямители ........................................................................................... 27 
1.4.6.1. Структурная схема выпрямителя ....................................................... 27 
1.4.6.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель 
.............................. 28 
1.4.6.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней  
точкой ................................................................................................................. 30 
1.4.6.4. Однофазная мостовая схема 
................................................................ 31 
1.4.6.5. Сглаживающие фильтры ..................................................................... 32 
1.4.7. Транзисторы 
............................................................................................. 34 
1.4.7.1. Устройство биполярного транзистора. Основные физические 
процессы 
............................................................................................................. 35 
1.4.7.2. Три способа включения транзисторов ............................................... 39 
1.4.7.3. Полевые транзисторы .......................................................................... 40 
1.4.8. Фототранзисторы .................................................................................... 43 
1.5. Основы микроэлектроники ........................................................................... 45 
1.5.1. Микросхемы 
............................................................................................. 46 
1.5.2. Перспективы развития ............................................................................ 47 
Глава 2. ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ ТЕХНИКУ ................................................ 52 
2.1. Алгебра логики ............................................................................................... 53 
2.1.1. Аксиомы и основные элементы 
............................................................. 53 
2.1.2. Законы алгебры логики 
........................................................................... 57 
3 

2.2. Синтез цифровых комбинационных схем по произвольной таблице 
истинности ............................................................................................................. 61 
2.2.1. Совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ) ................ 62 
2.2.2. Совершенная конъюнктивная нормальная форма (СКНФ) 
................ 64 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 67 
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................... 68 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

Введение 
Электроника (от греч. ǾȜİțIJȡȩȞȚȠ – электрон) – наука о взаимодействии 
электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных 
приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для приёма, передачи, обработки и хранения информации. 
Возникновению электроники предшествовало изобретение радио. Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на 
кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием 
и изучением которой и занялась электроника. 
Предметом исследования в рамках электронной науки и техники является 
изучение законов взаимодействия электронов и других заряженных частиц с 
электромагнитными полями и разработка электронных приборов, в которых это 
взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии с 
целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производства, создания энергетических устройств, контрольно-измерительной аппаратуры и др.  
Результаты изучения электронных процессов, а также исследования и 
разработка методов создания электронных приборов и устройств приводят к созданию многообразных средств электронной техники, развитие которой происходит по двум, тесно переплетающимся направлениям.  
Первое направление связано с созданием электронных приборов различного назначения, технологией их производства и промышленным выпуском.  
Второе направление связано с созданием различных видов аппаратуры, 
систем и комплексов для решения сложнейших задач в области вычислительной техники, информатики, связи, радиолокации, телевидения и других областях научной и практической деятельности человека.  
Для лучшего понимания направлений и перспектив развития электроники 
необходимо познакомиться с историей её возникновения и формирования. 
5 

Г л а в а  1 
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
1.1. История развития радиоэлектроники 
 
Историю развития электроники можно условно разделить на пять этапов, 
которым предшествовала предыстория – изобретение телефона, фонографа, кинематографа. 
Со второй половины XIX века начинаются попытки создания телефона. С 
развитием теории электричества, в частности теории электромагнетизма, была 
создана научная база для его изобретения. Ещё в 1837 г. было установлено, что 
магнитная полоса может издавать звук, если её подвергнуть быстрому перемагничиванию. В 1849–1854 гг. теоретически сформулирован принцип устройства 
телефонного аппарата. 
Первым образцом телефонного аппарата был прибор, сконструированный 
немецким физиком Филиппом Рейсом в 1861 г. Телефон Рейса состоял из двух 
частей: передающего и приёмного аппарата, действие которых было взаимосвязано. В передающем аппарате при передаче происходило периодическое размыкание и замыкание цепи тока, чему в приёмном аппарате соответствовало 
дрожание металлического стержня, воспроизводившего звук. С помощью аппарата Рейса можно было передавать музыку, но передача речи была затруднена. 
В 1876 г. американский техник А. Белл (1847–1922) создал первую удовлетворительную конструкцию телефона. В этом же году он получил патент на 
его изобретение. Однако телефонные трубки Белла могли хорошо передавать 
речь лишь на сравнительно небольшом расстоянии и, кроме того, обладали целым рядом других недостатков, делавших невозможным их практическое применение. К этому времени идея создания телефона распространилась очень 
широко. Над усовершенствованием телефона работали многие изобретатели. 
Наиболее существенные усовершенствования в телефон в 1878 г. независимо 
друг от друга внесли англичанин Д. Юз (1831–1900) и американец Т. Эдисон. 
Они изобрели важнейшую часть телефонного аппарата – микрофон. Микрофон 
Юза-Эдисона являлся только передатчиком, который воспринимал звуковые 
колебания и усиливал индуктивный ток в катушке телефона Белла. С изобретением микрофона стало возможно разговаривать на больших расстояниях, а звук 
в телефоне получался чище. Затем Эдисон предложил использовать в телефоне 
6 

индукционную катушку. С введением её в телефонный аппарат в основном закончилось его конструирование. Дальнейшая работа целого ряда изобретателей 
в различных странах сводилась к улучшению существующих конструкций. 
Телефон в отличие от других новейших технических изобретений весьма 
быстро вошёл в обиход почти во всех странах. Первая городская телефонная 
станция была введена в эксплуатацию в США в 1878 г. в Нью-Гаване. Первая 
телефонная станция в Париже была открыта в 1879 г., в Берлине – в 1881 г. 
Пионером телефонии в России был инженер П. М. Голубицкий  
(1845–1911), внёсший много существенных усовершенствований в конструкцию телефона. Он доказал возможность действия телефонов на расстоянии до 
350 км. 
В 1881 г. в России было учреждено Русское акционерное общество «для 
устройства и эксплуатации телефонных сообщений в различных городах Российской империи». Первые телефонные линии в России были построены в  
1881 г. одновременно в пяти городах – Петербурге, Москве, Варшаве, Риге и 
Одессе.  
Интереснейшим изобретением этого периода явился фонограф – аппарат 
для записи и воспроизведения звука. Этот прибор, изобретённый в 1877 г. Эдисоном, обладал способностью сохранять, а затем в любое время воспроизводить 
и повторять записанные на нем звуковые колебания, вызванные ранее голосом 
человека, музыкальными инструментами и т. п. 
Устройство и принцип действия фонографа сводятся к следующему. Звуковые колебания в фонографе передавались очень тонкой стеклянной или слюдяной пластинке, а при помощи, прикреплённой к ней пишущей иглы (резца с 
сапфировым наконечником) переносились на поверхность вращающегося валика, обёрнутого оловянной фольгой или покрытого особым восковым слоем. 
Пишущая игла была связана с мембраной, воспринимающей или излучающей 
звуковые колебания. Ось валика фонографа имела резьбу, и поэтому при каждом обороте валик смещался вдоль оси вращения на одну и ту же величину. В 
результате этого пишущая игла на восковом слое выдавливала винтовую канавку. При движении по этой канавке игла и связанная с ней мембрана совершали 
механические колебания, воспроизводя записанные звуки. На основе фонографа затем возникли граммофон и другие приборы, применяемые при механической звукозаписи. 
В 90-х годах XIX века появляется кинематограф. Аппарат, в котором сочетались все основные элементы кинематографа, был впервые изобретён во 
7 

Франции Луи Ж. Люмьером (1864–1948). В 1895 г. он совместно со своим братом Огюстом разработал конструкцию киноаппарата для съёмки. Люмьер 
назвал своё изобретение кинематографом. Опытная демонстрация фильма, заснятого на киноплёнке с помощью этого аппарата, состоялась в марте 1895 г., а 
в декабре этого же года в Париже начал функционировать первый кинотеатр. В 
90-е годы кинематограф появляется и в других странах, причём почти в каждой 
европейской стране был свой изобретатель этого аппарата.  
Одним из величайших открытий в области техники явилось изобретение радио. Честь его изобретения принадлежит великому русскому учёному А. С. Попову (1859–1906). Ещё в 1886 г. немецкий учёный Г. Герц (1857–1894) впервые 
экспериментально доказал факт излучения электромагнитных волн. Он установил, что электромагнитные волны подчиняются тем же основным законам, что и 
световые волны. Попов в 1889 г., работая в области исследования электромагнитных колебаний, впервые высказал мысль о возможности использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние. 
7 мая 1895 г. А С. Попов на заседании Русского физико-математического 
общества в Петербурге впервые продемонстрировал радиоприёмник. В работе 
над повышением чувствительности приборов для обнаружения электромагнитных колебаний Попов шёл своим оригинальным путём. Он впервые применил 
антенну и, видя несовершенство вибраторов как источников электромагнитных 
волн, приспособил приёмник для регистрации грозовых разрядов атмосферного 
электричества. Радиоприёмник, изобретённый Поповым, был назван им грозоотметчиком. 
Устройство грозоотметчика сводилось к следующему: в цепь батареи 
включалась трубка с металлическими опилками и реле. В обычных условиях сила тока в обмотке реле была слабой, и якорь реле не притягивался. Но во время 
грозы грозовые разряды вызывали появление электромагнитных волн. Это приводило к тому, что сопротивление опилок в трубке падало и реле срабатывало, 
подключая электрический звонок, который и подавал сигнал о поступлении 
электромагнитных волн. Грозоотметчик Попова позволял принимать радиоволны на расстоянии нескольких километров. Подробнее об этом см. в главе 3. 
Радиотехника, основы которой были заложены работами А. С. Попова, 
стала особенно быстро развиваться после первой мировой войны, во время которой радиосвязь становится важнейшей формой связи в армии и флоте. Радио 
получило широкое применение затем и для гражданских целей. Эти отрасли 
техники в рассматриваемый период не имели большого значения, но они яви8