Цифровая электроника. Часть 1. Основы

Оглавление 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
ЦИФРОВАЯ  ЭЛЕКТРОНИКА 
 
 
Учебное пособие 
 
В двух частях 
 
Часть 1 
 
ОСНОВЫ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2022 

 

Оглавление 
 

2 

УДК 621.38(07) 
 
ББК 34.9я73  
        Ц752 
 
 
 
А в т о р ы:  О. В. Непомнящий, М. С. Медведев, А. П. Яблонский, 
  
 
Д. А. Недорезов, К. В. Коршун, И. Е. Сазонов 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
В. Х. Ханов, кандидат технических наук, заведующий лабораторией 
малых космических аппаратов, доцент кафедры безопасности информационных технологий ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет 
науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнёва»; 
В. А. Хабаров, кандидат технических наук, ведущий инженерконструктор отдела систем управления АО «НПП “Радиосвязь”» 
 
 
 
 
Ц752          Цифровая электроника : учеб. пособие : в 2 ч. Ч. 1. Основы / 
О. В. Непомнящий, М. С. Медведев, А. П. Яблонский [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2022. – 236 c. 
ISBN 978-5-7638-4649-2 (ч. 1) 
ISBN 978-5-7638-4648-5  
 
Рассмотрены основы теории электрических цепей, элементы полупроводниковой и цифровой электроники, организация вторичных источников электропитания и интерфейсы цифровых устройств. Пособие включает курс практических работ, позволяющих освоить принципы проектирования элементов и узлов 
цифровой электроники на практике. 
Предназначено для бакалавров направления подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника». Может использоваться в качестве 
основной и дополнительной литературы при изучении дисциплин «ЭВМ и периферийные устройства», «Сети и телекоммуникации», «Схемотехника ЭВМ», 
«Цифровая электроника» и пр. 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.38(07) 
ББК 34.9я73 
 
ISBN 978-5-7638-4649-2 (ч. 1)                                                 © Сибирский федеральный  
ISBN 978-5-7638-4648-5                                                               университет, 2022 

 

Оглавление 

3 

 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 6 
 
1. ОСНОВЫ  ТЕОРИИ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  ЦЕПЕЙ .................................... 8 
1.1. Ток, сопротивление и напряжение ......................................................... 8 
1.2. Элементы электрической цепи ............................................................. 10 
1.2.1. Резистор ........................................................................................ 11 
1.2.2. Катушки индуктивности и трансформаторы ............................ 14 
1.2.3. Конденсатор ................................................................................. 18 
1.2.4. Активные элементы электрической цепи ................................. 20 
1.3. Основные законы электрических цепей .............................................. 22 
1.4. Методы расчета линейных электрических цепей ............................... 25 
1.4.1. Метод непосредственного применения закона Ома ................ 25 
1.4.2. Метод непосредственного применения законов Кирхгофа .... 26 
1.4.3. Метод контурных токов .............................................................. 27 
1.4.4. Метод узловых потенциалов ...................................................... 29 
1.4.5. Принцип и метод суперпозиции (наложения) .......................... 31 
1.4.6. Метод эквивалентного источника .............................................. 32 
Контрольные вопросы и задания  ................................................................ 34 
Список литературы к главе  ......................................................................... 35 
 
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ  ЭЛЕКТРОНИКА .......................................... 36 
2.1. Основы полупроводниковой электроники .......................................... 36 
2.2. Диоды ...................................................................................................... 38 
2.2.1. Выпрямительные диоды ............................................................. 39 
2.2.2. Фотодиоды ................................................................................... 42 
2.2.3. Светодиоды .................................................................................. 42 
2.2.4. Оптроны ........................................................................................ 43 
2.3. Биполярные транзисторы ...................................................................... 44 
2.3.1. Режимы работы биполярного транзистора ............................... 46 
2.3.2. Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов .... 48 
2.4. Полевые транзисторы ............................................................................ 51 
2.4.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом  ............. 51 
2.4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором ..................... 54 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 58 
Список литературы к главе .......................................................................... 59 

 

Оглавление 
 

4 

3. ЭЛЕМЕНТЫ  ЦИФРОВОЙ  ЭЛЕКТРОНИКИ .......................................... 60 
3.1. Цифровой и аналоговый сигнал ........................................................... 60 
3.2. Базовые логические элементы .............................................................. 62 
3.3. Логические элементы на основе транзисторов ................................... 66 
3.4. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) ...................................... 74 
3.4.1. Параллельные АЦП ..................................................................... 74 
3.4.2. АЦП последовательного приближения ..................................... 76 
3.4.3. Сигма-дельта АЦП ...................................................................... 78 
3.5. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) ....................................... 79 
3.5.1. ЦАП с суммированием весовых токов ...................................... 80 
3.5.2. ЦАП на основе резистивной матрицы ....................................... 81 
3.5.3. ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел ............ 83 
3.6. Генераторы сигналов ............................................................................. 84 
3.6.1. RC-генераторы гармонических колебаний ............................... 86 
3.6.2. Генераторы прямоугольных импульсов .................................... 87 
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 90 
Список литературы к главе .......................................................................... 90 
 
4. ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ .................................................. 92 
4.1. Стабилизаторы напряжения ................................................................. 92 
4.2. Источники опорного напряжения ........................................................ 97 
4.2.1. ИОН на стабилитронах ............................................................... 99 
4.2.2. ИОН на основе технологии BANDGAP ................................... 100 
4.2.3. ИОН на основе технологии XFET ............................................ 101 
4.3. Выпрямительные устройства ............................................................. 102 
4.4. Разделительные трансформаторы ...................................................... 107 
4.5. Фильтрация цепей питания ................................................................. 109 
Контрольные вопросы и задания .............................................................. 113 
Список литературы к главе ........................................................................ 114 
 
5. ИНТЕРФЕЙСЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ .......................................... 115 
5.1. Организация цифрового обмена данными ........................................ 115 
5.2. Последовательный интерфейс 1-Wire ............................................... 118 
5.3. Последовательный интерфейс SPI ..................................................... 123 
5.4. Организация скоростного обмена данными  
и борьба с помехами ........................................................................... 126 
5.5. Дифференциальные приемопередатчики .......................................... 129 
5.6. Двусторонняя линия связи ................................................................. 133 
Контрольные вопросы и задания .............................................................. 135 
Список литературы к главе ....................................................................... 136 
 

Оглавление 

5 

6. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ............................................................ 137 
6.1. Лабораторные стенды и лаборатория  
«Цифровая электроника» ................................................................... 137 
6.1.1. Персональный компьютер ....................................................... 138 
6.1.2. Мультиметр  .............................................................................. 138 
6.1.3. Цифровой источник питания ................................................... 139 
6.1.4. Цифровой осциллограф ............................................................ 141 
6.1.5. Комплект ЭРИ ........................................................................... 145 
6.2. Пакет OrCAD для сквозного проектирования  
электронной аппаратуры .................................................................... 145 
6.2.1. OrCAD Capture .......................................................................... 146 
6.2.2. OrCAD PSpice AD и Advanced Analysis ................................... 147 
6.2.3. Алгоритм анализа аналоговой схемы  
с использованием пакета OrCAD, приложение PSpice AD .. 152 
 
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ......................................................................... 158 
Лабораторная работа 1. Тема: «Электрические цепи» ........................... 158 
Лабораторная работа  2. Тема: «Выпрямительный диод  
и стабилитрон» ................................... 172 
Лабораторная работа  3. Тема: «Биполярный транзистор» .................... 183 
Лабораторная работа  4. Тема: «Полевой транзистор» ........................... 195 
Лабораторная работа  5. Тема: «Стабилизаторы напряжения» ............. 205 
Лабораторная работа  6. Тема: «Интегральный стабилизатор» ............. 208 
Требования к выполнению и защите лабораторных работ .................... 212 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 213 
 
ГЛОССАРИЙ ................................................................................................... 214 
 
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ  ЛИТЕРАТУРА ......................................................... 233

Введение 
 

6 

 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Целью преподавания дисциплины «Цифровая электроника» является 
получение необходимых и достаточных теоретических знаний, практических 
навыков для проектирования элементов, узлов цифровой электроники. 
В настоящее время направление, связанное с разработкой и созданием устройств цифровой электроники, встраиваемых и интеллектуальных 
цифровых систем, является приоритетным направлением в подготовке 
специалистов в области информатики и вычислительной техники. Предмет 
закладывает основы для подготовки высококвалифицированных кадров, 
способных комплексно решать задачи по разработке информационных 
систем, их программного и аппаратного обеспечения. 
Данное учебное пособие является первым в цикле пособий по предмету и представляет базовый объем информации, достаточной для 
получения представления об особенностях проектирования и архитектурной организации электронных устройств и систем, предназначенных для 
функционирования в составе вычислительных комплексов, компьютерных 
сетей и встраиваемых систем. 
В результате освоения дисциплины обучающийся будет знать основы 
теории электрических цепей и полупроводниковой электроники, основные 
методы и законы, применяемые при проектировании и анализе электрических 
цепей и устройств, а также принципы организации и функционирования 
систем преобразования и формирования электрических сигналов. Обучающийся будет уметь проектировать электрические схемы на базовом 
уровне, разрабатывать системы электропитания и организовывать коммуникационные интерфейсы цифровых систем, владеть практическими 
навыками применения САПР для сквозного проектирования электронной 
аппаратуры, базовыми навыками расчета и анализа элементов и узлов 
электронной аппаратуры. 
Учебное пособие состоит из введения, пяти глав, лабораторного 
практикума, заключения. Для каждой главы имеются контрольные вопросы 
и список литературы. Кроме того, приводятся общие вопросы по проверке 
остаточных знаний, дополнительная литература и глоссарий. 
В первой главе изложены основы теории электрических цепей от 
элементарных понятий тока и напряжения до методов расчета переходных 
процессов. Рассмотрены базовые элементы электрической цепи: резистор, 
катушки индуктивности, трансформаторы, конденсатор и активные элементы. 

 

Введение 

7 

Вторая глава посвящена полупроводниковой электронике. Изложены 
принципы функционирования полупроводников, рассматриваются основные 
полупроводниковые элементы: диоды, оптроны, биполярные и полевые 
транзисторы. Рассмотрены  принципы организации элементов, базовые методы их анализа в составе цифровых устройств. 
В третьей главе рассмотрен переход от аналогового к цифровому 
представлению сигналов. Изложены основные принципы организации 
и функционирования базовых логических элементов цифровой электроники. 
Рассмотрены аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. 
Отдельный раздел посвящен генераторам цифровых сигналов. 
В четвертой главе определены основные принципы организации питания цифровых устройств. Рассмотрены источники опорного напряжения, 
выпрямители и трансформаторы в цепях электропитания. Описываются 
методы фильтрации и способы организации стабильного электропитания.  
В пятой главе рассматриваются некоторые распространённые интерфейсы цифровых устройств. Изложены способы организации последовательной связи, в том числе технологии борьбы с помехами и обеспечения 
стабильной связи. Приведены основные сведения о стандартизированных 
интерфейсах 1-Wire, SPI, RS-485 и др. Рассмотрены дифференциальные 
линии связи. 
Лабораторный практикум состоит из разделов, посвященных описанию лабораторного оборудования и программной среды проектирования, 
а также включает разделы лабораторных работ, требований к подготовке, 
оформлению и защите выполненных заданий. 
Цель лабораторных работ – освоение инструментов и приемов для 
практического проектирования, анализа и отладки узлов цифровой электроники. 
Для успешного освоения курса необходимо иметь базовые знания по 
физике и математике, владеть навыками работы со средствами САПР. 
Учебное пособие может использоваться в качестве основной и дополнительной литературы по предметам: «Основы цифровой электроники», 
«ЭВМ и периферийные устройства», «Сети и телекоммуникации», «Схемотехника ЭВМ», «Цифровая электроника» и др. 
Кроме того, материал будет полезным при выполнении курсовых работ по означенным предметам, междисциплинарного курсового проекта 
и выпускной квалификационной работы. 

1. Основы теории электрических цепей 
 

8 

 
 

 
1. ОСНОВЫ  ТЕОРИИ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  ЦЕПЕЙ 
 
 
1.1. Ток, сопротивление и напряжение 
 
Из школьного курса физики мы знаем, что электрический ток – это 
упорядоченное движение заряженных частиц. Ток обозначается латинской 
буквой I [1]. Если частицы движутся в проводнике – то это электроны. 
Электроны – это отрицательно заряженные частицы, и к плюсу они притягиваются, поэтому направление тока принято обозначать против их 
движения – от плюса к минусу. Однако ток может переноситься не только 
электронами. Например, ионы тоже могут переносить ток, так возникает 
ток в жидкостях и газах. Но как заставить двигаться электроны в проводнике? Очень просто. Для этого нужно иметь различные потенциалы на 
концах провода, которые создадут электрическое поле, а также некоторое 
количество свободных носителей заряда в самом материале, из которого 
изготовлен проводник. Свободные носители начнут перемещаться в поле – 
и возникнет электрический ток, поскольку одноименные заряды будут отталкиваться, а разноименные притягиваться. 
Как электрическое поле можно ощутить? Ответ: никак – это же поле! 
Но его можно измерить, например, измерить его напряженность E [2]: 
E = Δφ,                                                (1.1) 
где Δφ = φ1 – φ2 – это разность потенциалов в электрическом поле (рис. 1.1). 
Как создать электрическое поле? Можно попробовать потереть расческу, эбонитовую палочку куском шерстяной ткани и пр. [3]. Поле мы получим, 
но на практике мы такие подходы использовать не можем. Поэтому человечество создало специальные устройства, формирующие разность 
потенциалов, например аккумуляторы, у которых имеется разность потенциалов между клеммами (контактами) [4]. 
Формула (1.1) описывает напряженность электрического поля, а напряженность есть не что иное, как разность потенциалов. Если измерить 
разность потенциалов, то мы получим напряженность или напряжение U [5].  
Таким образом, условно можно считать, что: 
U = Δφ = φ1 – φ2. 
Количество свободных носителей заряда не бесконечно, и, чем 
больше таких носителей, тем большей проводимостью обладает материал. 

 

1.1. Ток, сопротивление и напряжение 

9 

Например, золото и прочие драгоценные металлы обладают очень хорошей 
проводимостью, в то время как резина практически не проводит электрический ток, потому что количество свободных носителей у этого материала 
минимально. Таким образом, материал может сопротивляться переносу зарядов в поле, т. е. прохождению тока. Это и есть сопротивление. 
Кроме того, имеется ряд дополнительных 
факторов, определяющих сопротивление и влияющих на ток, например, сопротивление материалов 
растет при повышении температуры. Если проводник очень тонкий, а ток очень большой, то 
множество заряженных частиц проходят через кристаллическую 
решетку, 
проводник 
начинает 
нагреваться. Как мы знаем, в этом случае элементы 
кристаллической решетки приходят в движение, 
известное как Броуновское [6], при котором выделяется тепло. В этом случае перенос заряда 
затруднен, поскольку электронам труднее «протискиваться» сквозь звенья кристаллической решетки 
материала. Чем сильнее расшатываются звенья решетки, тем больше выделяется тепла. В итоге при 
превышении порогового значения звенья распада- 

 

e

‐
+

2
1
‐

E

 
 
Рис. 1.1. Разность потенциалов в электрическом 
поле 

ются, т. е.  материал разрушается. Так перегорает предохранитель при 
слишком большом токе. Разумеется, что сопротивление зависит и от площади сечения проводника. Чем труба толще, тем больше воды через нее 
протечет. Сравнение, конечно, немного некорректное, но в целом отражает 
суть процесса. Таким образом, чем меньше удельное сопротивление проводника, тем меньше потери тока в проводнике. Соответственно, 
сопротивление проводника длиной L и площадью сечения S можно определить как: 

L
R
S
 
,  

где R – сопротивление проводника; ρ – удельное сопротивление материала; 
L – длина проводника; S – площадь его сечения [2]. 
Но как определить сопротивление на участке проводника? Закон Ома 
позволяет его рассчитать следующим образом [2]: 

U
I
R

, 

где I – сила тока (А); U – разность потенциалов – напряжение (В); R – сопротивление участка цепи (Ом). 

φ1 
φ2 

1. Основы теории электрических цепей 
 

10 

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока 
и участка цепи с определенным сопротивлением (рис. 1.2). 
В данном случае между точками 1 и 2 имеется разность потенциалов, 
которую можно определить как: 

φ1 – φ2 = IR, 

где I – ток, протекающий по данному участку цепи; R – сопротивление 
участка; (φ1 – φ2) – разность потенциалов на участке цепи. Мы уже знаем, 
что разность потенциалов – это напряжение, поэтому закон Ома можно переписать как: 

U = IR.                                                 (1.2) 

Формула (1.2) – это формула закона Ома для отдельного участка цепи [2]. Кроме этого участка никакие другие не рассматриваются. Если 
имеется несколько участков, то ток на всех участках будет один и тот же 
(сила тока равна на всех участках), а напряжение на участке будет зависеть 
от сопротивления участка (рис. 1.3). 
 

E

2
1
R

1
2
 

 
 

 
Рис. 1.2. Замкнутая  
электрическая цепь 

 
Рис. 1.3. Распределение напряжений по участкам цепи 

 
Для рис.1.3 напряжения определяются следующим образом: U1 = IR1, 
U2 = IR2, U1 = IR1, Un = IRn, U = I(R1 + R2 + … + Rn). 
При этом можно рассчитать суммарные составляющие: U = U1 + U2 + 
… + Un или  U1/U2/ … /Un = R1/R2/ … /Rn. 
Для более сложных цепей расчет выполняют различными методами, 
например с помощью законов Кирхгофа [7] (см. разд. 1.4). 
 
 
1.2. Элементы электрической цепи 
 
Перейдем к рассмотрению элементов, из которых строятся электрические цепи. Известны два основных класса таких элементов: пассивные 
и активные. Пассивными называют те элементы, которые не производят

Е 

φ1 
φ2 

2 
1 

R 

U1
U2
Uп 

U

Rп 
R2
R1