Электроника и схемотехника

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  

Сибирский федеральный университет 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА 

 
 
 
 

Допущено учебно-методическим советом 
Сибирского федерального университета 

в качестве учебника для студентов, обучающихся по специальностям  

10.03.01 «Информационная безопасность»  
и 10.05.01 «Компьютерная безопасность», 

протокол № 01 от 24.01.2022 г. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 

СФУ 
2022 

УДК 
621.382(07) 

ББК 
32.85я73 
Э455 

 
 

 
Р е ц е н з е н т ы: 
Е. Б. Соловьева, доктор технических наук, заведующая кафедрой теоретических 
основ электротехники Санкт-Петербургского государственного 
электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина); 
С. М. Плотников, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации 
производственных процессов Сибирского государственного аэрокосмического 
университета им. М. Ф. Решетнева 

 
 
Э455 Электроника и схемотехника : учебник / В. П. Довгун, А. Ф. Синя-

говский, И. Г. Важенина, В. В. Новиков ; отв. ред. В. П. Довгун. – Красноярск : 
Сиб. федер. ун-т, 2022. – 580 c. 
ISBN 978-5-7638-4573-0 

 

Рассмотрены основы теории электронных цепей и сигналов, элементная база со-

временной микроэлектроники, основы аналоговой и цифровой схемотехники, методы 
компьютерного моделирования электронных устройств. Изложение теоретического 
материала сопровождается примерами расчета аналоговых и цифровых электронных 
устройств.  

Предназначен для аудиторной и самостоятельной работы студентов, обучающих-

ся по специальностям 10.03.01 «Информационная безопасность» и 10.05.01 «Компьютерная 
безопасность». 

 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.382(07) 

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 32.85я73 

 
 

Учебное издание 

 

Довгун Валерий Петрович, Синяговский Артем Феликсович 
Важенина Ирина Георгиевна, Новиков Виктор Валерьевич 

 

ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА 

 

Учебник 

 

Редактор Т. И. Тайгина 
Корректор В. Р. Наумова 

Компьютерная верстка Д. Р. Мазай 

 

Подписано в печать 20.06.2022. Печать плоская. Формат 70×100/16 
Бумага офсетная. Усл.-печ. л. 37,0. Тираж 500 экз. Заказ № 14523 

 

Библиотечно-издательский комплекс 

Сибирского федерального университета 
660041, Красноярск, пр. Свободный, 82а 
Тел. (391) 206-26-16; http://bik.sfu-kras.ru 

E-mail: publishing_house@sfu-kras.ru 

 
 
ISBN 978-5-7638-4573-0                             © Сибирский федеральный университет, 2022 

Памяти Платона Николаевича Матханова 

 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Учебник предназначен для самостоятельной работы студентов, 

изучающих дисциплины «Электроника и схемотехника», а также 
«Электротехника и электроника», «Электротехника, электроника, схе-
мотехника». Его основой является курс лекций, которые авторы читают 
в Сибирском федеральном университете для студентов института 
космических и информационных технологий. В учебнике развит единый 
подход к изучению процессов, лежащих в основе функционирования 
устройств аналоговой и цифровой обработки сигналов.   

Книга состоит из трех разделов: «Основы теории цепей», «Эле-

ментная база электроники», «Основы аналоговой и цифровой схемо-
техники». 

В первом разделе даны основы теории электрических цепей. Тра-

диционный базовый набор схемных элементов (резистивные, емкостные, 
индуктивные, независимые и управляемые источники), дополнен 
идеальными операционным усилителем и ключом. Это дает возможность 
уже в начале изучения дисциплины анализировать модели типовых 
аналоговых и цифровых устройств.  

Значительное внимание уделено изучению методов расчета пере-

ходных процессов – основному виду анализа при моделировании цифровых 
схем. Сформулированы параметры, определяющие быстродействие 
базовых логических элементов цифровых устройств: постоянная 
времени, задержка распространения, энергия переключения.  

Рассмотрены методы анализа линейных цепей – символический, 

операторный и спектральный. Применение преобразований Лапласа и 
Фурье дано как обобщение символического метода на случай напряжений 
и токов несинусоидальной формы. Такое изложение материала 
позволяет сделать первый  раздел дисциплины более логичным и компактным. 


Второй раздел посвящен изучению принципов функционирова-

ния, характеристик и параметров электронных приборов: диодов, биполярных 
и МОП-транзисторов. Значительное внимание уделено 
МОП-транзисторам как основным элементам современной микроэлектроники.  

В третьем разделе изложены основы схемотехники аналоговых 

устройств: усилителей, фильтров, генераторов периодических колебаний, 
а также принципы их функционирования и  реализация на интегральных 
операционных усилителях. 

Описана схемотехника базовых логических элементов на бипо-

лярных и МОП-транзисторах, типовых комбинационных и последова-
тельностных цифровых устройств, аналого-цифровых и цифроаналоговых 
преобразователей. Подробно рассмотрены свойства и характеристики 
основных элементов современных цифровых интегральных 
схем – логических элементов на комплементарных МОП-транзисторах. 

Заключительная 18 глава учебника посвящена методам анализа 

электронных цепей, используемым в современных программах схемо-
технического моделирования (методы численного интегрирования 
уравнений состояния, решение уравнений нелинейных цепей, дискретные 
резистивные схемы замещения индуктивного и емкостного элементов). 
Приведено описание моделей электронных компонентов (полупроводникового 
диода, биполярного и МОП-транзистора), макромоделей 
аналоговых интегральных схем. Дана краткая характеристика 
программ схемотехнического моделирования.  

Материал главы может использоваться для знакомства с совре-

менными алгоритмами математического моделирования электронных 
цепей.    

Изложение теоретического материала сопровождается примерами 

расчета типовых устройств обработки аналоговых и цифровых сигналов – 
усилителей, фильтров, генераторов периодических колебаний, 
базовых логических элементов. В каждую главу учебника включены 
задачи для самостоятельного решения. 

Первый раздел учебника (главы 1–8) написан В. П. Довгуном,  

И. Г. Важениной и В. В. Новиковым. Второй и третий разделы (главы 9–
17) подготовлены А. Ф. Синяговским и В. П. Довгуном. Глава 18 написана 
В. П. Довгуном.  

Авторы благодарят рецензентов профессора Е. Б. Соловьеву и 

профессора С. М. Плотникова за конструктивные замечания, способствовавшие 
улучшению содержания книги. 

Авторы признательны редактору Издательства СФУ Т. И. Тайги-

ной за высокое мастерство и терпение, проявленное при работе над рукописью. 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В основе современных информационных технологий лежат достиже-

ния электроники – области науки и техники, занимающейся исследованием 
и разработкой устройств, предназначенных для передачи, обработки  
и хранения информации. Ее основы заложены в работах Г. Кирхгофа,  
Г. Ома, М. Фарадея, Дж. Максвелла, Г. Герца. Электроника возникла в начале 
20 века, после создания электродинамики Дж. Максвеллом и изобретения  
А. С. Поповым и Г. Маркони первых систем передачи и приема сигналов  
с помощью электромагнитных волн. 

Началом первого этапа развития электроники считается 1904 год, когда 

английским ученым Д. Флемингом была изготовлена первая электронная 
лампа – диод. Позднее был предложен триод – лампа с управляющим электродом, 
способная усиливать и генерировать электрические сигналы. Триод 
стал первым управляемым электронным прибором. До 1950-х годов электроника 
развивалась в основном по пути совершенствования электровакуумных 
приборов.  

Второй этап начался в 1947 году с изобретения биполярного транзи-

стора американскими учеными У. Браттейном, Д. Бардиным и В. Шокли. 
Новый прибор мог усиливать и генерировать электрические сигналы, а 
также выполнять функции электронного ключа. За это изобретение его создатели 
были удостоены в 1956 году Нобелевской премии по физике.  

Первые транзисторы изготавливали на основе полупроводника герма-

ния. Рабочая температура таких приборов не превышала 70 °С. Во многих 
случаях этого было недостаточно. Во второй половине 1950-х годов место 
германия занял другой полупроводник – кремний. Рабочая температура 
кремниевых транзисторов составляет 120–150 °С. Для кремниевых приборов 
была разработана планарная технология, позволяющая разместить на 
одной пластине полупроводника миллионы транзисторов. 

Появление планарной технологии и совершенствование методов выра-

щивания 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 в конце 1950-х 

годов микроэлектроники и началом разработки и производства качественно 
нового типа приборов – интегральных микросхем. Интегральная микросхема, 
или просто интегральная схема (ИС), – совокупность большого 
числа электронных компонентов, изготовленных в едином технологическом 
цикле на кристалле полупроводникового материала, выполняющая 
функции преобразования и обработки сигналов. Использование ИС позволяет 
резко уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры, снизить 
энергопотребление и одновременно повысить ее надежность.  

Первая цифровая интегральная схема содержала всего 12 транзисто-

ров. 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 нано-
метров.  

В эпоху микроэлектроники кардинально изменилась не только цифро-

вая, 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. 

Первый микропроцессор Intel 4004, разработанный в фирме Intel под руководством 
Ф. Фаггина и Т. Хоффа, содержал 2300 транзисторов и работал 
на частоте 750 кГц. Современные микропроцессоры содержат миллиарды 
транзисторов и работают на частотах, достигающих нескольких ги-
гагерц. Они заменяют целые блоки и устройства радиоэлектронной аппаратуры 
предшествующих поколений. Благодаря микропроцессорам компьютеры 
стали массовым, общедоступным продуктом, широко используются 
для автоматизации технологических процессов и в быту. 

Развитие микроэлектроники привело к возникновению в 1970–80-е годы 

нового направления – наноэлектроники; ее цель – создание твердотельных 
приборов и устройств размером менее 100 нм. Технологии наноэлектроники 
существенно улучшают свойства и характеристики микроэлектронных 
приборов, а также позволяют создавать новые типы полупроводниковых 
устройств. Важную роль в создании наноэлектроники сыграли работы  
Ж. И. Алферова, Г. Кремера, У. Шокли. С дальнейшим развитием наноэлектроники 
связан прогресс в суперкомпьютерах, средствах телекоммуникаций, 
системах управления.  

Значительное влияние на теорию и практику проектирования анало-

говых и цифровых устройств оказало развитие методов математического 
моделирования электронных цепей. Современное программное обеспечение, 
использующее эти методы, избавляет специалистов-схемотехников от 
рутинной работы, позволяет автоматизировать основные этапы проектирования 
и значительно сократить сроки разработки электронных 
устройств. 

Необходимым условием для эффективного использования программ 

моделирования электронных цепей является понимание алгоритмов, используемых 
в этих программах, а также принципов построения моделей 
электронных компонентов. Неправильные выбор моделей, настройка и использование 
вычислительных алгоритмов могут дать ошибочные результаты. 
От будущих специалистов требуется понимание не только принципов 
действия и характеристик электронных устройств, но и методов математического 
моделирования таких устройств. 

ОСНОВЫ 
ТЕОРИИ  
ЦЕПЕЙ 

 
 
 

РАЗДЕЛ I

Глава 1 
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ЗАКОНЫ 
ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ 
 
 
1.1   ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ  

И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ 

 
Основными величинами, характеризующими состояние цепи, яв-

ляются 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 зна-

чением, равным скорости изменения заряда во времени: 

 

0

d
lim
,
d
t

q
q
i
t
t
 





                                      (1.1) 

 

здесь ∆q – заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за 
интервал времени, равный ∆t. 

Единица измерения тока в системе СИ – ампер (А). В устройствах 

информационной электроники ток редко превышает несколько ампер. 
Часто используют меньшие величины тока: миллиамперы, 1 мА = 10–3 А; 
микроамперы, 1 мкА = 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. 
Его выбирают произвольно и показывают 
стрелкой на выводах элемента или участка 
цепи (рис. 1.1).  

Если в результате расчета величина 

тока оказывается положительной, то это 
означает, что его направление совпадает  

Рис. 1.1. Обозначения 

направлений тока и напряжения

с выбранным положительным направлением. Если ток отрицателен, он 
направлен противоположно выбранному направлению. 

Перенос зарядов в цепи связан с преобразованием или потребле-

нием 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: 

 

0

d
lim
d
t

w
w
u
q
q
 





.                                      (1.2) 

 
Единица измерения напряжения в системе СИ – вольт (В). Напря-

жение различных электронных устройств варьируется в широких пределах. 
Например, для работы цветного кинескопа требуется напряжение 
около 20 000 В (20 кВ), а для питания микропроцессоров – менее 3 В. 

Напряжение – скалярная величина, может принимать как положи-

тельные, 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 «+», «–» (рис. 1.1). 

В теории электрических цепей используется термин падение 

напряжения. Он характеризует напряжение на зажимах участка цепи, 
через которые проходит ток. 

Положительную полярность напряжения удобно выбирать согла-

сованной с положительным направлением тока. В этом случае стрелки, 
обозначающие ток и напряжение, совпадают.  

Важно понимать, что стрелками на схемах обозначают не направле-

ния физических величин, а положительные направления, которые выбирают 
произвольно. Если токи и напряжения являются переменными величинами, 
изменяющими с течением времени свои направления на обратные, 
то положительным будет одно из этих направлений. В те промежутки 
времени, когда токи и напряжения направлены в сторону положительных 
значений, их мгновенные значения считаются положительными. 

Согласно (1.1) и (1.2) энергия, затрачиваемая на перемещение за-

ряда, определяется формулой 

 

0

d
d

q
t

w
u q
ui








.                                     (1.3) 

 
В (1.3) принято, что при t = –∞ энергия w = 0.  

Мгновенная мощность участка цепи равна производной энергии 

по времени: 

 

d
d
w
p
ui
t


. 

 
Мощность измеряется в ваттах (Вт) и является алгебраической ве-

личиной. При согласованном направлении тока и напряжения мощность 
положительна (p > 0), т.е. она потребляется участком цепи. При 
встречном направлении мощность отрицательна (p < 0), т.е. этот участок 
цепи является источником энергии. 

По характеру изменения во времени различают постоянные, пери-

одические и непериодические токи и напряжения.  

Для обозначения электрических величин используют прописные и 

строчные буквы. Прописными буквами обозначают постоянные напряжения, 
токи и мощности: U, I, P. Мгновенные значения переменных величин 
обозначают малыми (строчными) буквами: u, i, p. 

 
 
1.2   ДВУХПОЛЮСНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ 
 
Исследование процессов, происходящих в реальных цепях, осно-

вано на идеализации элементов, составляющих цепь. Под элементами  
в теории цепей понимают не реальные устройства, а их идеализированные 
модели, обладающие определенными свойствами физических 
прототипов. Такими идеализированными элементами являются резистивный, 
индуктивный и емкостный элементы, а также независимые  
и управляемые источники напряжения и тока. Соединяя между собой 
идеализированные элементы, получают модель, или схему замещения, 
приближенно отображающую процессы в реальном электронном 
устройстве. Чем сложнее схема замещения, тем точнее она отражает 
свойства реальной электронной цепи. 

Таким образом, идеализированные элементы являются «кирпичика-

ми», из которых строятся модели реальных электронных устройств. 

 
РЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ. Это двухполюсный элемент (рис. 1.2, а, б), 

свойства которого определяются его вольт-амперной характеристикой 
(ВАХ) – зависимостью тока от напряжения или напряжения от тока. 
Резистивный элемент моделирует процесс необратимого преобразования 
электромагнитной энергии в тепло и другие виды энергии, при 
этом запасание энергии в электромагнитном поле отсутствует.