Схемотехника аналоговых и цифровых устройств

В. А. ГАЛОЧКИН





                СХЕМОТЕХНИКА
                АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ




Учебник















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.38
ББК 32.844.1
    Г16

Рецензенты:
д. т. н., профессор А. И. Тяжев, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), г. Самара;
к. т. н., с. н. с. А. М. Плотников, Российский научно-исследовательский институт радио им. Кривошеева (НИИР) - Самарское отделение НИИ радио (СОНИИР), г. Самара




     Галочкин, В. А.
Г16 Схемотехника аналоговых и цифровых устройств : учебник / В. А. Галочкин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -312с.: ил., табл.
         ISBN978-5-9729-1367-1

          Рассматриваются принципы схемотехнических решений аналоговых и цифровых устройств полупроводниковой электроники, особенности их функционирования, методы анализа и расчетов.
          Для студентов телекоммуникационных и радиотехнических специальностей дневной и заочной формы обучения, а также для инженернотехнических работников, изучающих электронику и схемотехнику.

УДК 621.38
ББК32.844.1













ISBN978-5-9729-1367-1

     © Галочкин В. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                        Высшее образование -это совокупность систематизированных знаний и практических навыков, позволяющих решать теоретические и практические задачи по профилю подготовки, используя и творчески развивая современные достижения науки, техники и культуры.

                              Источник — Большая Советская Энциклопедия (БСЭ) — одна из крупнейших и наиболее авторитетных универсальных энциклопедий в мире

3

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Список сокращений и обозначений................................11
Предисловие....................................................13
Введение. Об особенностях аналоговой и цифровой электроники. Этапы развития электроники.....................................16
ЧАСТЬ I
     СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Тема 1. Определение, классификация, основные технические характеристики аналоговых электронных устройств..........20
1.1. Общая характеристика аналоговых электронных устройств.....20
1.2. Классификация аналоговых электронных устройств............21
1.3. Устройства на основе усилителей...........................22
1.4. Основные технические характеристики и показатели аналоговых электронных устройств (АЭУ)............22
    1.4.1. Стандартизация. Унификация..........................23
    1.4.2. Входное и выходное сопротивление....................23
    1.4.3. Коэффициенты усиления (передачи)....................23
    1.4.4. Коэффициент усиления (передачи) по мощности.........24
    1.4.5. Амплитудно- и фазочастотная характеристики..........25
    1.4.6. Переходная характеристика...........................27
    1.4.7. Нелинейные искажения................................27
    1.4.8. Коэффициент полезного действия......................29
    1.4.9. Собственные помехи..................................29
    1.4.10. Амплитудная характеристика. Динамический диапазон...30
    1.4.11. Специфические показатели АЭУ.......................30
    1.4.12. Стабильность показателей...........................31
1.5. Задания и вопросы для самоконтроля по теме................32

Тема 2. Схемотехника входных цепей транзисторного усилителя. Схемы стабилизации режима транзистора....................33
2.1. Цепи питания база-эмиттер. Рабочая точка на входной характеристике.................................................33
    2.1.1. Смещение фиксированным током базы...................34
    2.1.2. Смещение фиксированным напряжением база-эмиттер......35
2.2. Стабилизация режима транзистора...........................38
    2.2.1. Эмиттерная стабилизация.............................38
    2.2.2. Цепи смещения с температурной стабилизацией.........41
    2.2.3. Стабилизация схемы с непосредственной связью между усилительными элементами...................................43


4

2.3. Цепи смещения без стабилизации режимов работы полевых транзисторов......................................................44
2.4. Цепи смещения со стабилизацией режима работы полевых транзисторов......................................................45
2.5. Генераторы стабильного тока (ГСТ)............................46
    2.5.1. Принцип работы ГСТ.....................................46
    2.5.2. Схемы ГСТ..............................................48
2.6. Задания и вопросы для самоконтроля по теме...................51

Тема 3. Схемотехника отрицательной обратной связи.................52
3.1. Виды обратной связи..........................................52
    3.1.1. Параллельная по входу и выходу ОС......................52
    3.1.2. Последовательная по входу и выходу обратная связь......54
    3.1.3. Последовательная по входу и параллельная по выходу обратная связь.....................................55
    3.1.4. Параллельная по входу и последовательная по выходу ОС..57
3.2. Влияние ОС на коэффициенты усиления..........................58
3.3. Влияние отрицательной обратной связи на входные и выходные сопротивления (проводимости)...........................60
    3.3.1. Влияние отрицательной обратной связи на входное сопротивление.................................................60
    3.3.2. Влияние отрицательной обратной связи на выходное сопротивление.................................................63
3.4. Общий метод определения влияния ООС на входные и выходные сопротивления по формуле Блекмана......................65
3.5. Влияние ОС на амплитудно-фазочастотные и переходные характеристики.......................................66
    3.5.1. Частотно-независимая ОС................................66
    3.5.2. Частотно-зависимая ОС..................................69
3.6. Стабильность коэффициента усиления при обратной связи........70
3.7. Устойчивость усилителей с ОС. Критерии устойчивости. Запасы устойчивости...............................................72
3.8. Задания и вопросы для самоконтроля по теме...................75

Тема 4. Схемотехника выходных цепей транзисторного усилителя.
        Анализ работы резисторного каскада предварительного усиления напряжения.......................................77
4.1. Цепи питания коллектор-эмиттер. Рабочая точка на выходной характеристике. Принцип усиления......................77
4.2. Основные свойства схем с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором...............................................79
    4.2.1. Основные свойства схемы с общим эмиттером..............79
    4.2.2. Основные свойства схемы с общей базой..................80
    4.2.3. Основные свойства схемы с общим коллектором............82


5

4.3. Режимы работы усилительных элементов.......................85
4.4. Схемы межкаскадных связей..................................87
4.5. Резисторный апериодический предварительный усилитель напряжения......................................................89
    4.5.1. АЧХ резисторного каскада на биполярном транзисторе...90
    4.5.2. Фазочастотная характеристика резисторного каскада....93
4.6. Усилители на полевых транзисторах.
    Широкополосные (импульсные) усилители. Коррекция амплитудно-частотных характеристик................94
    4.6.1. Особенности анализа каскадов на полевых транзисторах..94
    4.6.2. Низкочастотная коррекция АЧХ.........................97
    4.6.3. Высокочастотная коррекция АЧХ.......................101
4.7. Задания и вопросы для самоконтроля по теме................106

Тема 5. Схемотехника выходных мощных каскадов усиления.........108
5.1. Требования к оконечным усилительным каскадам..............108
5.2. Схемы выходных каскадов...................................109
5.3. Трансформаторный каскад мощного усиления в режиме А.......110
    5.3.1. Общие соотношения, нагрузочные характеристики по постоянному и переменному току..........................110
    5.3.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме А........................................112
    5.3.3. Особенности расчета двухтактного каскада мощного усиления в режиме А.................................................114
    5.3.4. Трансформаторный каскад в режиме В..................116
    5.3.5. Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления...........................................118
    5.3.6. Расчет бестрансформаторных двухтактных каскадов.....120
5.4. Задания и контрольные вопросы по теме.....................122

Тема 6. Схемотехника операционных усилителей...................123
6.1. Операционные усилители. Определения. Структура............123
6.2. Схемотехника операционных усилителей......................127
    6.2.1. Элементарная (упрощенная) схема входного каскада ОУ.................................................127
    6.2.2. Упрощенная типовая схема входного каскада ОУ первого поколения..........................................127
    6.2.3. Схема входного каскада ОУ второго поколения.........128
    6.2.4. Схема входного каскада ОУ третьего поколения........129
    6.2.5. Схемотехника промежуточных каскадов ОУ..............130
    6.2.6. Схемотехника выходных каскадов ОУ...................130
6.3. Основные параметры ОУ.....................................131
6.4. Схемы сдвига уровней......................................133
6.5. Схемотехника аналоговых устройств на основе операционных усилителей..............................134


6

    6.5.1. Инвертирующий усилитель..........................134
    6.5.2. Неинвертирующий усилитель........................137
    6.5.3. Дифференциальный усилитель.......................138
    6.5.4. Схемотехника устройств суммирования и вычитания..139
    6.5.5. Интегрирующий усилитель..........................140
    6.5.6. Дифференцирующий усилитель.......................141
    6.5.7. Логарифмический и антилогарифмический усилители..143
    6.5.8. Схемотехника перемножителей и делителей на ОУ....145
    6.5.9. Повторитель напряжения на операционном усилителе.149
6.6. Задания и вопросы для самоконтроля по теме.............149

Тема 7. Схемотехника активных фильтров на основе операционных усилителей..............................151
7.1. Активные RC-фильтры нижних частот первого порядка. Обобщенное описание фильтра НЧ.............................151
7.2. Реализация ARC-фильтра нижних частот первого порядка...153
7.3. Реализация ARC-фильтра верхних частот первого порядка..154
7.4. Реализация ARC-фильтров НЧ и ВЧ второго порядка........154
    7.4.1. ARC-фильтр НЧ второго порядка со сложной ООС.....155
    7.4.2. ARC-фильтр НЧ второго порядка на основе положительно обратной связи.........................................155
7.5. ARC-фильтр ВЧ второго порядка на основе положительной обратной связи.............................................156
7.6. Реализация полосовых ARC-фильтров второго порядка......157
7.7. Задания и вопросы для самоконтроля по теме.............158

Тема 8. Схемотехника генераторов и компараторов на основе операционных усилителей....................159
8.1. RC-генератор на операционном усилителе.................159
8.2. Генератор сигналов прямоугольной формы.................162
8.3. Генератор сигналов треугольной формы...................163
8.4. Схемотехника компараторов напряжений на основе операционных усилителей..........................164
    8.4.1. Принцип функционирования компаратора.............164
    8.4.2. Положительная обратная связь в компараторе.......166
    8.4.3. Пороговые уровни компараторов....................167
    8.4.4. Детектор с «окном»...............................167
    8.4.5. Особенности схемотехники компараторов............168
8.5. Задания и вопросы для самоконтроля по теме.............169

ЧАСТЬ II
СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Тема 9. Современные базовые элементы цифровой техники (введение в цифровую технику). Цифровые сигналы и цифровые схемы......170


7

9.1. Цифровые сигналы и цифровые схемы.............................170
9.2. Современные базовые элементы цифровой техники.................173
    9.2.1. Логический элемент «И»..................................173
    9.2.2. Логический элемент «ИЛИ»................................176
    9.2.3. Логический элемент «НЕ» (инвертор)......................178
    9.2.4. Логическое двойное инвертирование.......................179
9.3. Логические элементы «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», «исключающее ИЛИ»....179
    9.3.1. Логический элемент «И-НЕ» (инвертированное «И»).........180
    9.3.2. Логический элемент «ИЛИ-НЕ» (отрицание «ИЛИ»)........181
    9.3.3. Логический элемент «исключающее ИЛИ»....................183

Тема 10. Современные базовые элементы цифровой техники
        (введение в цифровую технику). Свойства и характеристики цифровых схем....................186
10.1. Свойства и сравнительные характеристики современных
    базовых элементов. Требования к базовым цифровым схемам.....186
10.2. Способы представления информации.............................186
10.3. Основные требования к базовым логическим элементам...........187
    10.3.1. Совместимость уровней входных и выходных сигналов...188
    10.3.2. Нагрузочная способность логического элемента...........188
    10.3.3. Формирующее свойство логического элемента (квантование сигнала).......................................189
10.4. Помехоустойчивость логических элементов.
    Быстродействие логических элементов. Классификация логических устройств.............................190
    10.4.1. Помехоустойчивость логических элементов................190
    10.4.2. Быстродействие логического элемента....................191
10.5. Классификация логических устройств...........................192
    10.5.1. Классификация по способу ввода-вывода информации....192
    10.5.2. Классификация по принципу действия.....................193
    10.5.3. Классификация по схемотехническим решениям.............193
10.6. Задания и вопросы для самоконтроля по теме...................194

Тема 11. Схемотехника цифровых интегральных схем. Схемотехника логических элементов........................196
11.1. Ключ на биполярном транзисторе...............................196
11.2. Схемотехника транзисторной логики с непосредственными связями (НСТЛ)..................................................197
11.3. Схемотехника РТЛ (транзисторной логики с резистивной связью).198
11.4. СхемотехникаДТЛ (диодно-транзисторной логики)................199
11.5. Схемотехника ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики).........200
11.6. Схемотехника эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ)................201
11.7. Схемотехника логических элементов с инжекционным питанием (И²Л)..................................................202
11.8. Схемотехника логических элементов на полевых транзисторах....204


8

    11.8.1. Ключ на МДП-транзисторах с динамической нагрузкой....205
    11.8.2. Логические элементы на комплементарных МДП-транзисторах (КМДП)....................................206
    11.8.3. Схемотехника динамической логики на МДП-транзисторах.208
11.9. Сравнение параметров основных типов интегральных логических схем...............................................209
11.10. Задания и вопросы для самоконтроля по теме.............209

Тема 12. Коды. Схемотехника преобразователей кодов, шифраторов, мультиплексоров...............................................210
12.1. Двоично-десятичный код 8421.............................210
12.2. Код с избытком 3........................................211
12.3. КодГрея.................................................211
12.4. Схемотехника преобразователей кодов.....................212
    12.4.1. Схемотехника шифраторов, дешифраторов.............212
    12.4.2. Схемотехника мультиплексоров и демультиплексоров..217
12.5. Задания и вопросы для самоконтроля по теме..............227

Тема 13. Схемотехникатриггерных устройств. Схемы фиксаторов. Запуск триггеров..............................................228
13.1. RS-триггер (асинхронный)................................229
13.2. RS-триггер (синхронный) ................................231
13.3. D-триггер (триггер с задержкой)........................ 234
13.4. D-триггеры с дополнительными входами....................235
13.5. JK-триггеры. Схемы фиксаторов. Запуск триггеров. JK-триггер (ждущий мультивибратор)............................236
13.6. JK-триггер с дополнительными входами....................237
13.7. Схемы фиксаторов........................................239
13.8. Запуск триггеров........................................240
    13.8.1. Триггеры с управлением (запуском) по фронту или по срезу тактового импульса...........................241
    13.8.2. Триггеры типа ведущий/ведомый (триггеры с динамическим управлением).....................242
13.9. Задания и вопросы для самоконтроля по теме..............243

Тема 14. Схемотехника счетчиков, регистров, сумматоров........245
14.1. Счетчики со сквозным переносом..........................245
14.2. Асинхронный счетчик по модулю 10........................247
14.3. Синхронные счетчики.....................................247
14.4. Вычитающие счетчики.....................................249
14.5. Асинхронный трехразрядный счетчик по модулю 8...........249
14.6. Самоостанавливающиеся счетчики..........................250
14.7. Регистры................................................254
    14.7.1. Последовательные регистры сдвига..................255
    14.7.2. Параллельные регистры сдвига......................257


9

    14.7.3. Классификация регистров............................259
14.8. Арифметические устройства. Сумматоры.....................259
    14.8.1. Двоичное сложение.................................259
    14.8.2. Сложение в разряде единиц (полусумматор)..........261
    14.8.3. Полные сумматоры..................................262
    14.8.4. 3-х разрядный сумматор............................263
14.9. Задания и вопросы для самоконтроля по теме..............233

Тема 15. Схемотехника запоминающих устройств..................265
15.1. Принципы работы ОЗУ. ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ)..266
15.2. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)................269
15.3. Статические ОЗУ на биполярных транзисторах..............272
15.4. Статические ОЗУ на основе полевых транзисторов..........273
15.5. Динамические ОЗУ........................................274
15.6. Постоянные ЗУ (ПЗУ; ROM-Read - Only Memory).............276
    15.6.1. Масочные ПЗУ......................................276
    15.6.2. Прожигаемые ПЗУ (однократно программируемые ППЗУ).277
    15.6.3. Репрограммируемые ПЗУ (стираемое ППЗУ - Erasable PROM, EPROM; РПЗУ)..............277
15.7. Задания и вопросы для самоконтроля по теме..............279

Тема 16. Схемотехника сопряжения цифровых и аналоговых устройств.
       Цифроаналоговые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи.......................281
16.1. Цифроаналоговые преобразователи.........................281
16.2. Общая структурная схема ЦАП.............................283
16.3. Основная схема простого ЦАП.............................284
16.4. Цифроаналоговый преобразователь лестничного типа........284
16.5. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)..................286
    16.5.1. Базовая структурная схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП).....................................287
    16.5.2. Структурная схема АЦП с динамической компенсацией.288
    16.5.3. Интегрирующий АЦП.................................289
    16.5.4. АЦП последовательного приближения.................290
16.6. Характеристики АЦП и ЦАП................................292
16.7. Задания и вопросы для самоконтроля по теме..............300
Списоклитературы............................................. 301
Глоссарий.....................................................306

10

            СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ



    АЛУ - арифметическо-логическое устройство
    АПХ - амплитудная передаточная характеристика
    АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
    АХ - амплитудная характеристика
    АЦП - аналого-цифровой преобразователь
    АЭУ - аналоговое электронное устройство
    БИС - большая интегральная схема
    БМК - базовый матричный кристалл
    ВЧ - высокая частота
    ГСТ - генератор стабильного тока
    ДМДП - динамическая логика на МДП-транзисторах
    ДТЛ - диодно-транзисторная логика
    ДУ - дифференциальный усилитель
    ДК - дифференциальный каскад
    ЗУ - запоминающее устройство
    ЗУПВ - запоминающее устройство с произвольной выборкой
    ИИЛ или И²Л - инжекторно-интегральная логика
    ИМС - интегральная микросхема
    ИП - источник питания
    ИС - интегральная схема
    КМДП - логические элементы на комплементарных МДП-транзисторах
    КМОП - комплементарный полевой транзистор
    КПД - коэффициент полезного действия
    ЛПД - лавинно-пролетный диод
    МаБИС - матричная большая интегральная схема
    МБ - младший байт
    МДП - структура «металл - диэлектрик - полупроводник»
    МИС - малая интегральная схема
    МОП - структура «металл - окисел - полупроводник»
    МП - микропроцессор
    МПЦОС - микропроцессор цифровой обработки сигналов
    НСТЛ - транзисторная логика с непосредственными связями
    НЧ - низкая частота
    ОБ - общая база
    ОЗ - общий затвор
    ОЗУ - оперативное запоминающее устройство
    ОИ - общий исток
    ОК - общий коллектор
    ОС - общий сток
    ООС - отрицательная обратная связь

11

    ОЭ - общий эмиттер
    ПД - полупроводниковый диод
    ПЗУ - постоянное запоминающее устройство
    ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема
    ПЛМ - программируемая логическая матрица
    ПМЛ - программируемая матричная логика
    ППЗУ - постоянное запоминающее устройство с однократным программированием по заданной программе
    ПОС - положительная обратная связь
    ПТ - полевой транзистор
    ПУ - предварительный усилитель
    ПФ - полосовой фильтр
    ПХ - переходная характеристика
    РПЗУ - постоянное запоминающее устройство перепрограммируемое (ре-программируемое), с возможностью многократного электрического перепрограммирования
    РТЛ - резисторно-транзисторная логика
    СБ - старший байт
    СБИС - сверхбольшая интегральная схема
    СИС - средняя интегральная схема
    ССИС - сверхскоростная интегральная схема
    ТЛИП - транзисторные логические элементы с инжекционным питанием
    ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика
    ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с транзистором с диодом Шотки
    УПТ - усилитель постоянного тока
    УНЧ - усилитель низкой частоты
    УЭ - усилительный элемент
    ФВЧ - фильтр верхних частот
    ФНЧ - фильтр нижних частот
    ФЧХ - фазочастотная характеристика
    ФНЧ - фильтр нижних частот
    ФЯ - функциональная ячейка
    ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь
    ЦОС - цифровая обработка сигналов
    ША - шина адреса
    ШД - шина данных
    ШПУ - широкополосные усилители
    ЭЗУ - элементарное запоминающее устройство
    ЭЗЭ - элементарный запоминающий элемент
    ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика

12

            ПРЕДИСЛОВИЕ



      Схемотехника, как неотъемлемая, функциональная часть электроники, лежит в основе радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, телевидения, мультимедийных и связных систем, систем радиоуправления, систем радиоэлектронной борьбы и т. д. Схемотехника является базой электронного приборостроения, производства источников электропитания, техники высокочастотных измерений и др. Схемотехнические решения используются в различных системах дистанционного управления и контроля, для наблюдения за процессами, протекающими в условиях, недоступных для человека. Особыми разделами применения схемотехники являются приборы и устройства, необходимые для генерации СВЧ-колебаний. Можно сказать, что схемотехника «окружает» нас практически во всех сферах науки, техники, а также при использовании электроники в быту. Роль схемотехники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии.
    Учебник «Схемотехника аналоговых и цифровых устройств» написан на основе тридцатилетнего опыта работы автора в НИИ по разработке, внедрению и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры и более чем двадцатилетнего опыта преподавания радиотехнических дисциплин в ВУЗах.
    На основании анализа многолетней работы со студентами автором сделан акцент на основные вопросы, вызывающие трудности у студентов при освоении дисциплины по схемотехнике аналоговых и цифровых устройств - при выполнении курсовых проектов, лабораторных работ, при проведении практических занятий, при сдаче зачетов и экзаменов. для студентов очной и заочной форм обучения по дисциплинам направлений ФГОС ВО: 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.05.01 «Радиотехнические системы и комплексы», 27.03.04 «Управление в технических системах». При написании учебника использованы разработанные автором учебные, учебно-методические пособия [1...13]. Пособия [5, 6, 7, 8], включая учебное пособие «Схемотехника аналоговых и цифровых устройств», получили рекомендацию министерства высшего образования как учебные пособия для ВУЗов РФ.
    Материалы данного учебника дополнены и переработаны с учетом замечаний и предложений, выявленных за достаточно длительный срок учебного процесса, прошедший после публикации выше указанных учебных пособий. Материалы учебника могут использоваться (и используются) и при изучении других дисциплин, таких как «Схемотехника радиотехнических устройств», «Устройства приема и обработки сигналов», «Телевидение», «Технические средства автоматизации и управления», «Теория управления и радиоавтоматика» и др.

13

    Основные соотношения, приведенные в учебнике при анализе работы аналоговых электронных усилителей и устройств, взяты из материалов [14-20, 49-60]. По всем основным разделам учебника разработан лабораторный практикум, пособия по курсовому проектированию и практическим занятиям [1,2, 6, 9-12].
    В данном учебнике проверка основных положений анализа построения и работы основных узлов аналоговых и цифровых устройств предлагается выполнять путем моделирования с использованием прикладных программ «Elektroniks Workbench (EWB) и «Multisim» [21, 22, 23]. Такое решение наиболее полно приближает образовательный процесс к удовлетворению требований ФГОС ВО.
    При моделировании электронные схемы представляются математической моделью, под которой понимается система уравнений, описывающая процессы в схеме. Однако использование компьютеров при моделировании не освобождает студентов от анализа полученных материалов. Этот анализ, может быть, успешными только в том случае, если студент хорошо понимает физическую сущность процессов, происходящих в разрабатываемой схеме, и осознает технические ограничения ее реализации [20].
    Учитывая сложность дисциплины «Схемотехника» и особенности квалификации выпускников - специалистов и бакалавров, изложение материала учебника выполнено максимально простым для понимания языком; отобраны и приведены принципы работы наиболее важных, распространенных схем, составляющих основу современной аналоговой и цифровой электроники.
    Автор не ставил задачу рассмотрения конкретных схем конкретных устройств. Задача учебника - рассмотреть принципы построения аналоговых и цифровых электронных устройств, особенности их функционирования, методы анализа и расчетов.
    Автор считает, что до изучения дисциплины «Схемотехника» (любых направлений подготовки) студенты должны иметь представление об общем современном развитии, о прорывных, перспективных направлениях науки и техники. Это обусловлено тем, что схемотехника лежит в основе практически всех этих направлений. До изучения такой специальной дисциплины как «Схемотехника» должны быть уже освоены минимально необходимые (основные) знания по элементной базе электроники, основы усиления сигналов, виды модуляции и др. Освоено умение использования прикладных программ. И главное -специфика схемотехники - студенты должны уметь «думать», уметь анализировать, сопоставлять, уметь делать выводы при изучении схемотехнических решений. Это основополагающие требования, выполнение которых необходимо при изучении схемотехники.
    В связи с бурным современным развитием нанотехнологий разделы учебника необходимо было бы дополнить сведениями о новых материалах, о новой элементной базе наноэлектроники и наносхемотехники (о нанодиодах, нанотранзисторах, мемристорах, флэшристорах, нейрочипах и других устройствах). Однако, учитывая объемность этого нового материала и ограниченность объема

14

учебника, автор счел возможным ограничиться ссылкой на свою монографию «Наноэлектроника и наносхемотехника» [28] и другие работы [24-36].
    Автор надеется, что наиболее интересные сообщения по наноэлектронике и наносхемотехники могут стать темами научной работы студентов, будут стимулировать их к дальнейшему самостоятельному поиску, изучению и развитию новых направлений схемотехники устройств электроники.
    Автор выражает глубокую благодарность и признательность доктору технических наук, профессору Анатолию Ивановичу Тяжеву, за ценные советы и замечания, за большую поддержку на всем этапе совместной работы с ним, а также за большую помощь по данной работе и тяжкий труд по ее рецензированию.
    Автор выражает благодарность и признательность старшему научному сотруднику НИИР-СОНИИР, кандидату технических наук Александру Михайловичу Плотникову за важные замечания и большой труд по рецензированию данной работы.

15

            ВВЕДЕНИЕ


    ОБ ОСОБЕННОСТЯХ АНАЛОГОВОЙ И ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.
    ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

    Физические процессы в аналоговом электронном устройстве или схеме ничем не отличаются от процессов в цифровой электронной схеме. Отличие состоит только в методах кодирования и обработки информации. Аналоговая электроника использует фактические физические параметры (ток, напряжения, частота, фаза). Цифровая электроника использует кодирование физических величин с привязкой их ко времени. Использование кодирования позволяет добиться лучших качественных показателей устройств и каналов передачи информации
    Цифровые (дискретные) схемы проще в разработке и наладке, требуют относительно меньше трудозатрат. Аналоговые схемы отличаются тем, что практически любой процесс можно рассчитать, проанализировать, скорректировать. Но их создание и настройка является достаточно сложным процессом и требует больших временных и физических затрат. Специалисты считают, что, для выпускников вузов, решивших специализироваться в области аналоговой техники, необходим срок 5-10 лет, в то время как для аналогичного уровня освоения цифровой техники достаточно одного года [14].
    В настоящее время в обществе, особенно среди молодежи, создано мнение о «всеобщей цифровизации», о повсеместном преобладании применения цифровой техники. В основном это можно объяснить маркетингом торговых фирм.
    Как правило, большинство электронных устройств являются комбинацией аналоговых и цифровых компонентов. Датчики, первичные исходные сигналы являются в большинстве случаев аналоговыми, требующими предварительную обработку, усиление, преобразование [6, 13]. Последующая цифровая обработка, улучшает показатели устройства или системы. Но затем, как правило, идет возврат к аналоговому процессу - печать, воспроизведение, исполнительный механизм и т. д. Все это стимулирует ежегодное появление в мире многих десятков новых моделей аналоговых, цифровых и аналого-цифровых интегральных микросхем (ИМС) - гибридных и монолитных.
    Несмотря на доминирование цифровых электронных компонентов, процентная доля аналоговых устройств на рынке электроники составляет 20...25%. Это означает, что квалифицированные специалисты по аналоговой схемотехнике будут востребованы еще многие годы [14].

О развитии электроники

    В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития электроники, а вместе с ней, соответственно, и электронных устройств [37, 38, 39].


16

    I поколение (1904-1950 г.) - дискретная электроника на вакуумных приборах - характеризуется тем, что роль активных элементов в электронных устройствах выполняли различные электровакуумные приборы. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяются на электронные и ионные.
    II поколение (1950 - начало 60-х годов) - дискретная электроника на полупроводниковых приборах - характеризовалось применением в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.). Начало этого этапа связано с изобретением в 1948 году транзисторов. Разработка в 1957-1958 г. планарной технологии создала современную базу широкого производства транзисторов и использования их в радиоэлектронной аппаратуре.
    III поколение (1960-1980 г.) - интегральная микроэлектроника на интегральных микросхемах - связано с появлением плёночной технологии, которая в сочетании с планарной технологией дала возможность в микрообъёмах твёрдого тела изготовлять огромное количество активных приборов. Это поколение характеризуется бурным развитием микроэлектроники. Основой элементной базы третьего поколения электронных устройств стали интегральные схемы и микросборки.
    IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) - интегральная микроэлектроника на функциональных приборах - характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на базе применения больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), когда уже отдельные функциональные блоки выполняются в одной интегральной схеме, представляющей собой готовое электронное устройство приёма, преобразования или передачи информации. Такие электронные устройства, выполненные в виде СБИС, в ряде случаев позволяют полностью обеспечить требуемый алгоритм обработки исходной информации и существенно повысить надёжность их функционирования.
    В структуре электронных приборов четвёртого поколения трудно или невозможно выделить элементы, эквивалентные традиционным дискретным компонентам (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и др.). Здесь производится интеграция различных объёмных и поверхностных физических явлений, благодаря чему может быть преодолён барьер конструктивной сложности современных интегральных схем.
    Рассмотрим кратко развитие электроники во взаимосвязи с развитием нанотехнологий [24, 28].
    1931 г., немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
    1959 г., американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Он научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.

17