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, схемотехника». 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 схемотехники». 

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 последовательностных 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 схемотехнического 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 нанометров.  

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 гигагерц. 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.