Электроника и схемотехника

 
 
 
 
 
 
 
С. А. Микаева, А. Н. Брысин, Ю. А. Журавлева 
 
 
 
  
 
ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА  
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 
 

 
УДК 621.382 
ББК 32.844.1 
М59 
 
 
Рецензенты: 
профессор кафедры цифровых и аддитивных технологий  
Института перспективных технологий и индустриального программирования 
Российского технологического университета (МИРЭА)  
д-р техн. наук, проф. П. Н. Шкатов; 
заведующий базовой кафедрой источников света Института электроники  
и светотехники Национального исследовательского Мордовского  
государственного университета (ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева»)  
д-р техн. наук, доц. А. А. Ашрятов 
 
 
Микаева, С. А. 
М59  
 
Электроника и схемотехника : учебное пособие / С. А. Микаева, 
А. Н. Брысин, Ю. А. Журавлева. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2023. – 184 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1289-6 
 
Рассматривается элементная база электроники, полупроводниковые 
приборы и материалы, р-n-переход и его свойства, диоды, биполярные и 
полевые транзисторы, тиристоры, интегральные схемы, логические элементы, триггеры. Представлены основы аналоговой, цифровой схемотехники и микропроцессорной техники. 
Для студентов электротехнических направлений. Может быть полезно специалистам в области промышленной электроники, схемотехники, приборостроения. 
 
УДК  621.382 
ББК   32.844.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1289-6 
” Микаева С. А., Брысин А. Н., Журавлева Ю. А., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
2 
 

 
-¢ªŸ¡ª¤¬§¤
 
ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................................................ 5 
 
1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ ......................................................... 6 
1.1. Полупроводниковые приборы ......................................................................... 6 
1.1.1. Общие сведения .......................................................................................... 6 
1.1.2. Полупроводниковые материалы ............................................................... 7 
1.1.3. P-n-переход и его свойства ........................................................................ 9 
1.1.4. Полупроводниковые диоды ..................................................................... 14 
1.1.5. Биполярные транзисторы 
......................................................................... 23 
1.1.6. Полевые транзисторы ............................................................................... 29 
1.1.7. Тиристоры 
.................................................................................................. 33 
Контрольные вопросы ........................................................................................ 34 
1.2. Интегральные схемы 
....................................................................................... 35 
Контрольные вопросы ........................................................................................ 37 
1.3. Система обозначений полупроводниковых приборов и интегральных    
микросхем ............................................................................................................... 37 
Контрольные вопросы ........................................................................................ 39 
Тестовые задания ................................................................................................ 39 
Задачи ................................................................................................................... 40 
 
2. ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ 
........................................... 51 
2.1. Усилительные устройства .............................................................................. 51 
2.1.1. Классификация усилителей ..................................................................... 51 
2.1.2. Параметры и характеристики усилителей 
.............................................. 52 
2.1.3. Принцип работы усилителя ..................................................................... 55 
2.1.4. Усилители напряжения с общим эмиттером (усилительный каскад      
с коллекторной нагрузкой) 
................................................................................. 56 
2.1.5. Эмиттерный повторитель 
......................................................................... 62 
2.1.6. Усилительный каскад на полевом транзисторе 
..................................... 64 
2.1.7. Истоковый повторитель ........................................................................... 65 
2.1.8. Усилители мощности 
................................................................................ 66 
2.1.9. Многокаскадные усилители 
..................................................................... 69 
2.1.10. Усилитель постоянного тока ................................................................. 71 
2.1.11. Обратные связи в усилителях 
................................................................ 74 
2.1.12. Операционный усилитель ...................................................................... 75 
2.1.13. Избирательный усилитель ..................................................................... 78 
Контрольные вопросы ........................................................................................ 80 
2.2. Генераторы электрических сигналов ............................................................ 80 
Контрольные вопросы ........................................................................................ 84 
2.3. Источники питания электронных устройств 
................................................ 84 
2.3.1. Однополупериодный выпрямитель 
......................................................... 85 
2.3.2. Мостовая схема выпрямителя ................................................................. 86 
3 
 

 
2.3.3. Сглаживающие фильтры 
.......................................................................... 87 
2.3.4. Внешняя характеристика выпрямителя 
.................................................. 89 
2.3.5. Стабилизаторы напряжения 
..................................................................... 90 
Контрольные вопросы ........................................................................................ 91 
Тестовые задания ................................................................................................ 91 
Задачи ................................................................................................................... 94 
 
3. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ .............................................. 102 
3.1. Общие сведения 
............................................................................................. 102 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 105 
3.2. Электронные ключи и простейшие формирователи импульсов .............. 105 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 113 
3.3. Импульсный режим работы операционных усилителей 
........................... 113 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 117 
3.4. Логические элементы. Серии цифровых интегральных схем .................. 117 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 126 
3.5. Триггеры 
......................................................................................................... 127 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 130 
3.6. Счетчики импульсов ..................................................................................... 130 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 132 
3.7. Регистры, дешифраторы, мультиплексоры ................................................ 133 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 136 
3.8. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые                                                        
преобразователи (ЦАП и АЦП) .......................................................................... 136 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 141 
Тестовые задания .............................................................................................. 142 
Задачи ................................................................................................................. 145 
 
4. ОСНОВЫ МП-ТЕХНИКИ .............................................................................. 162 
4.1. Требования к микропроцессорной системе 
................................................ 162 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 165 
4.2. Что такое микропроцессор" ......................................................................... 165 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 167 
4.3. Шинная структура связей 
............................................................................. 167 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 172 
4.4. Режимы работы микропроцессорной системы .......................................... 172 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 176 
4.5. Архитектура микропроцессорных систем 
.................................................. 176 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 178 
4.6. Типы микропроцессорных систем 
............................................................... 179 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 180 
Тестовые задания .............................................................................................. 181 
Задачи ................................................................................................................. 182 
 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ....................................... 183 
4 
 

 
®¯¤£§°ª-¡§¤
  
Данное учебное пособие может быть рекомендовано для самостоятельного изучения студентами при очном и дистанционном формате обучения и 
самостоятельной подготовке к предметам «Электроника», «Микропроцессорная техника», «Электроника и схемотехника».  
Снижение фактического времени до формата шестнадцать часов лекций, 
шестнадцать часов практических занятий приводит к увеличению времени самостоятельной работы самих студентов и накладывает на них определенные 
требования к уровню самостоятельной работы. Короткие классические конспекты лекций в этих условиях не дают эффективности, а ссылки на многотомные пособия, в которых материал размещен на больших обьемах, значительно усложняют восприятие основополагающих вещей. В связи с этим возник вопрос реализации небольшого по обьему учебного пособия с размещенным отдельно дополнительным графическим материалом.  
В отличие от классических лекций, в дистанционной форме существенно 
снижена вербальная связь преподавателя с аудиторией, что может быть частично компенсировано различными техническими элементами, например, функцией «контроль активности». С другой стороны, формат видеолекций вносит повышенные требования к плотности изложения материала, существенные ограничения на время переноса графического материала в конспект. В связи с этим 
возникает потребность введения в очный формат обучения некоторых элементов интенсивных (инновационных) технологий обучения, широко применяемых 
при заочной и вечерней форме обучения.  
Учебное пособие разбито на четыре раздела – первые два посвящены 
аналоговой электронике, а третий и четвертый разделы охватывают цифровую 
схемотехнику и основы микропроцессорной техники. После каждого раздела 
авторами представлены контрольные вопросы и тестовые задания для проверки знаний изученного материала. 
5 
 

 
¼ª¤«¤¬±¬Ÿ¾ Ÿ¦Ÿ¼ª¤©±¯-¬§©§
  
®ÍÊÒÎÏÍÁÍÃÌÇÉÍÁÚÄÎÏÇÀÍÏÚ
 
-ÀØÇÄÐÁÄÃÄÌÇÞ
 
Электроника – область науки и техники, изучающая физические явле- 
ния в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, принципы построения и свойства 
устройств с их использованием. 
 В своем развитии электроника прошла несколько этапов. Первое электронное устройства (конец XIX – середина XX века) выполнялись на электровакуумных приборах (электронных лампах). С середины && века широкое 
применение нашли полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры), изготовляемые как отдельные, самостоятельные элементы, из которых 
собирались электронные устройства. В последнюю четверть && века основой 
многих электронных устройств стали интегральные микросхемы, представляющие пластинку полупроводника с размещенными на ней множеством тран- 
зисторов и других элементов электрических цепей. Со времени их изобрете- 
ния (США, 1959 г.), интегральные микросхемы, постоянно совершенствуются 
и усложняются. В современных сверхбольших интегральных схемах счет уже 
идет на десятки миллионов транзисторов и других элементов. 
В настоящее время для решения тех или иных задач (преобразования 
вида энергии, усиление сигналов, генерирование мощных излучений, управление электродвигателями, обработки цифровой информации, и ее отображение 
и т. п.) используются все виды электронных приборов, но явное преимуще- 
ство сохраняется за полупроводниковыми приборами и микросхемами. 
Элементарная база электроники включает в себя пассивные (не преобразующие электрическую энергию) и активные (преобразующие электрическую энергию) элементы. 
К пассивным элементам относятся сопротивления (R), емкости (C) и индуктивности (L). Реальные компоненты, отражающие свойства R, C и L, – резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности могут существенно отличаться от их идеальных моделей. Эти отличия зависят от технологии, материала и 
условий эксплуатации. 
Резисторы, помимо активного сопротивления, обладают ощутимой на 
высоких частотах проходной емкостью, включенной параллельно активному 
сопротивлению и составляющей от сотых долей до единиц пикофарад. Лакопленочные и иные резисторы, в которых используются сплошные слои проводящего материала, почти не имеют собственной индуктивности, и ею можно 
пренебречь вплоть до частот в сотни мегагерц, но между их проводящим слоем 
и другими частями схемы образуются паразитные конденсаторы с емкостями 
до несколько пикофарад. Как правило, эти емкости больше, чем проходные. 
6 
 

 
Другой недостаток резисторов этих типов – сильная зависимость активного сопротивления от времени, температуры и влажности. Обычно сопротивление резисторов не выходят из пределов, оговоренных в технических условиях, но 
нельзя применить их в устройствах, рассчитанных на меньшие отклонения. 
Проволочные резисторы обладают значительно большей температурой и 
временной стабильностью, но у них большие паразитные емкости и значительны паразитные индуктивности. В цепях, где точность и стабильность активных 
элементов имеет решающее значение, проволочные резисторы незаменимы. 
Реальные конденсаторы еще больше отличаются от идеала, чем резисторы. Прежде всего, у них есть сопротивление утечки, шунтирующее емкость. 
Для высококачественных конденсаторов (например, слюдяных, фторопластовых, керамических и т. п.) собственные утечки составляют при малой влажности и нормальной температуре гигаомы (1 ГОм = 109 Ом) и в большей ме- 
ре зависят от состояния поверхности корпуса или монтажной платы, чем от 
диэлектрика. Конденсаты с большими емкостями, например, электролитические, имеют сопротивление утечки в сотни иногда десятки килоом, но зато могут иметь емкости до десятков и сотен тысяч мкФ. Промежуточное положение 
занимают бумажные и пленочные конденсаторы. 
Катушки индуктивности, не имеющие ферромагнитных сердечников, могут быть достаточно близки к идеальной индуктивности, но даже в них сопротивление провода играет роль. В дросселях с сердечниками нелинейность последних приводит к тому, что отличия от идеальной индуктивности оказываются очень существенными. Другая особенность, вносимая сердечниками, –  
потери энергии на их перемагничивание и на вихревые токи Фуко в них. Эта 
энергия в конечном счете обращается в тепловую и ведет к нагреву сердечника. 
Последнее обстоятельство во многом определяет КПД и качество трансформаторов.  
 
®ÍÊÒÎÏÍÁÍÃÌÇÉÍÁÚÄË¿ÑÄÏÇ¿ÊÚ
 
Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками. 
По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное электрическое сопротивление полупроводников при комнатной температуре лежит в пределах 
10–3–1010 Ом·см. В качестве полупроводниковых веществ используется кремний (Si), германий (Ge) (элементы IV группы периодической системы Менделеева), а также селен, арсенид галлия, фосфид галлия, и др. 
 Особенностью полупроводников отличительной от металлов и диэлектриков является их способность в широких пределах менять свою проводимость при изменении внешних энергетических воздействиях (температуры, 
света, электромагнитного поля, механических деформаций и т. д.). 
7 
 

 
Электропроводимость чистых однородных полупроводников при температуре, отличной от абсолютного нуля, обусловлена по парным образованием 
(генерацией) свободных носителей заряда – электронов и дырок. 
При сообщении полупроводнику определенной энергии один из электронов вырывает из узла связи кристаллической решетки и становится свободным, 
а освободившееся в узле решетки место приобретает положительный заряд, 
равный заряду электрона. Это вакантное для электронов место кристаллической 
решетки получило название дырки. Наряду с генерацией носителей заряда при 
их хаотичном движении происходит процесс рекомбинации – воссоединение 
(исчезновение) пары носителей заряда при встрече свободного электрона с дыркой. Устанавливается динамическое равновесие между количеством возникающих и исчезающих пар, и при неизменной температуре общее количество 
свободных носителей заряда остается постоянным. 
При приложении к проводнику внешнего электрического поля движение 
свободных зарядов упорядочивается, электроны и дырки движутся во взаимно 
противоположных направлениях вдоль силовой линии электрического поля. 
Электропроводность чистого проводника называется собственной. 
При обычных температурах количество свободных электронов и дырок 
в чистом полупроводнике невелико и составляет 1016–1018 в 1 см3 вещества. 
Такой полупроводник по своим электрическим свойствам приближается к диэлектрикам. 
Электрические свойства полупроводников существенно изменяются при 
введении в них определенных примесей. В качестве примесей используются 
элементы III и V групп периодической системы Менделеева. Введение, например, в кремний (элемент IV группы) в качестве примеси атомов мышьяка (элемент V группы) создает избыток свободных электронов за счет пятого валентного электрона на внешней оболочке атомов примеси. Удельное электрическое 
сопротивление такого полупроводника значительно уменьшается, в нем будет 
преобладать электронная электропроводность, а сам полупроводник называется полупроводником n-типа. Носители заряда, концентрация которых выше 
(в данном случае это электроны), называется основными носителями, а с меньшей концентрацией (дырки) – неосновными. 
Введение атомов примеси III группы (например, индия) создает дырочную электропроводность, в результате чего образуется полупроводник p-типа, здесь дырки – основные носители заряда, а электроны – неосновные. Примеси элементов V группы называют донорными, а примеси элементов III группы – акцепторными. 
На практике важное значение имеет область на границе соприкосновения 
двух полупроводников p- и n-типа. Эта область называется электронно-дырочным переходом, или p-n-переходом. Такой p-n-переход получают введением в 
примесный полупроводник дополнительной примеси. Например, при введении 
донорной примеси в определенную часть полупроводника p-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, граничащая с полупроводником p-типа. 
8 
 

 
На основе использования полупроводниковых материалов с различным 
типом электропроводности создают полупроводниковые диоды, транзисторы, 
тиристоры и другие приборы. В частности, из полупроводника, равномерно легированного примесями, изготовляют полупроводниковые резисторы. В зависимости от типа примесей и конструкции получаются линейные резисторы, сопротивление которых остается практически постоянным в широком диапазоне 
напряжений и токов, либо резисторы, сопротивление которых зависит от таких 
управляющих параметров, как напряжение (варисторы), температура (терморезисторы), освещенность (фоторезисторы), механические деформации (тензорезисторы), магнитное поле (магниторезисторы) и др. 
Основными материалами при производстве полупроводниковых приборов являются кремний и германий. Из-за различий по физическим свойствам 
этих материалов, приборы, изготовленые на основе Si, – более стойкие к воздействию, к изменению внешней температуры, но обладают меньшем быстродействием. Приборы на основе Ge, более чувствительны к изменению внешней 
температуры, но обладают большим быстродействием.  
 
3QÎÄÏÄÔÍÃÇÄÂÍÐÁÍÈÐÑÁ¿
 
В p-n-переходе концентрация основных носителей заряда в p- и n-областях могут быть равными или существенно различаться. В первом случае 
p-n-переход называется симметричным, во втором – несимметричным. Чаще 
используются несимметричные переходы. 
Пусть концентрация акцептной примеси в p-области больше, чем концентрация донорной примеси в n-области (рис. 1.1). Соответственно, и концентрация дырок (светлые кружки) в p-области будет больше, чем концентрация 
электронов (черные кружки) в n-области. 
За счет диффузии дырок из p-области и электронов из n-области они 
стремятся равномерно распределится по всему объему. Если бы электроны и 
дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентрации по всему объему кристалла. Однако этого не происходит. Дырки, переходя из p-области в n-область, рекомбинирую 
с частью электронов, принадлежащих атомам донорной примеси. В результа- 
те оставшиеся без электронов положительно заряженные ионы донорной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом. В то же время 
уход этих дырок из p-области приводит к тому, что атомы акцепторной примеси, захватившие соседний электрон, образуют нескомпенсированный отрицательный заряд ионов в приграничной области. Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область, приводящее к то- 
му же эффекту. 
 
9 
 

 
 
Рис. 1.1. Р-n-структура в равновесном состоянии 
 
В результате на границе, разделяющей n-область и p-область, образуется 
узкий, в доли микрона, приграничный слой l, одна сторона которого заряжена 
отрицательно (p-область), а другая – положительно (n-область). 
Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов UК (рис. 1.1) или потенциальным 
барьером, преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие 
к границе со стороны p-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из n-области, – отрицательным зарядом. Контактной разностью потенциалов UК соответствует электрическое поле напряженностью ЕК. Таким образом, образуется p-n-переход шириной l, представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей – так 
называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление RК. 
Свойства p-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение Uпр. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной 
разности потенциалов и напряженность внешнего поля Епр противоположна ЕК 
(рис. 1.2), то дырки p-области, отталкиваясь от приложенного положительного 
потенциала внешнего источника, приближаются к границе между областями, 
компенсируют заряд части отрицательных ионов и сужают ширину р-n-перехода со стороны p-области.  
 
10