Электроника

ЭЛЕКТРОНИКА

А.Л. МАРЧЕНКО

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по техническим направлениям подготовки 
(квалификация (степень) «бакалавр») 
(протокол № 9 от 17.11.2022)

Москва
ИНФРА-М
2023

Московский авиационный институт 
(национальный исследовательский университет)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73
 
М30

Р е ц е н з е н т ы:
М.В. Немцов, доктор технических наук, профессор, профессор Нацио нального исследовательского ядерного университета 
«МИФИ»;
Ю.Е. Бабичев, кандидат технических наук, доцент, профессор 
Национального исследовательского технологического университета 
« МИСиС»

ISBN 978-5-16-017057-2 (print)
ISBN 978-5-16-109628-4 (online)
© Марченко А.Л., 2023

Марченко А.Л.
М30  
Электроника : учебное пособие / А.Л. Марченко. — Москва : 
ИНФРА-М, 2023. — 242 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/1587595.
ISBN 978-5-16-017057-2 (print)
ISBN 978-5-16-109628-4 (online)
Систематически изложен материал модуля 2 «Электроника» в соответствии с современной вузовской программой дисциплины «Электротехника и электроника» для неэлектротехнических направлений подготовки бакалавров и дипломированных специалистов. Рассмотрена элементная база 
устройств полупроводниковой электроники: приведена классификация, 
вольтамперные и частотные характеристики, особенности применения 
электронных приборов в различных режимах работы. Подробно изложены принципы построения и функционирование типовых аналоговых, импульсных и цифровых устройств. Отдельная глава посвящена принципам 
преобразования световой энергии в электрическую и наоборот, устройству 
и функционированию оптоэлектронных приборов и оптоволоконных линий передачи информации.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по неэлектротехническим направлениям подготовки бакалавров и дипломированных 
специалистов.

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73

Предисловие

Эта книга является учебным пособием по модулю 2 «Элек
троника» дисциплины «Электротехника и электроника» для студентов вузов, обучающихся по неэлектротехническим направлениям подготовки бакалавров и дипломированных специалистов 
в области техники и технологий.

Электроника — отрасль науки и техники, связанная с иссле
дованиями, разработкой, изготовлением и широким применением 
электронных приборов и устройств во многих производственных 
процессах и особенно в информационно-коммуникационных системах. Современная электроника стала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса в мире.

По мнению лауреата Нобелевской премии академика Ж.И. Ал
ферова (1930–2019): «Важно заниматься научными и технологическими исследованиями в области электроники, потому что именно 
она определяет технологический и даже социальный прогресс. Без 
собственных современных технологий любые наши другие (те же 
космические) быстро перейдут во второстепенные. Сейчас у нас два 
пути: либо становиться страной третьего мира, живущей за счет 
ресурсов, либо развивать наукоемкие отрасли».

С учетом непрекращающихся санкций в адрес нашей страны 

и блокировкой или окончанием поддержки программных сред моделирования и анализа электронных устройств необходимо ускоренное развитие электронной отрасти страны. Для этого требуются 
специалисты не только по разработке и производству электронных 
приборов, интегральных микросхем, преобразователей энергии 
и сигналов, но и техники и инженеры, которые способны быстро 
осваивать и эффективно использовать новые, появляющиеся 
на рынке электронные устройства и системы. 

Во многих примерных учебных планах подготовки специа
листов в области техники и технологий трудоемкость дисциплины 
«Электротехника и электроника» колеблется от 216 до 288 ч при их 
разбивке для изучения в двух семестрах на два модуля: модуль 1 
«Электротехника» и модуль 2 «Электроника» (табл. П1).

На рынке и в информационных системах Минобрнауки РФ име
ется немало учебников, например [1–3, 5, 6, 9], которые при надлежащем использовании могут стать хорошим подспорьем в преподавании электротехнических дисциплин. Однако вынужденный 
перевод технических вузов полностью или частично на дистанци

онную форму обучения студентов в связи с вирусной пандемией 
вызвал необходимость подготовки и записи учебных материалов 
для ведения всех видов занятий с помощью учебных программных 
сред, таких как Zoom, Moodle, Microsoft Teams, Webinar и др.

Таблица П1

Распределение трудоемкости дисциплины «Электротехника 
и электроника» по модулям и видам учебной работы, ч

Вид учебной работы
Всего
Модуль

1. Элект ро техника
2. Электроника

Общий объем аудиторных занятий 
(АЗ) (всего),
в том числе:

144
72
72

Лекции (ЛК)
48
24
24

Доля лекционных часов от АЗ по дисциплине, %
33%
33%
33%

Лабораторные работы (ЛР)
48
24
24

Практические занятия (ПЗ)
32
16
16

Контроль самостоятельной работы 
(тестирование, коллоквиум, контрольные работы) (КСР)

16
8
8

Доля интерактивных форм обучения 
от АЗ по дисциплине, %
25%
25%
25%

Общий объем самостоятельной работы (СР),
в том числе:

144
72
72

Курсовые работы (КР)
48
24
24

Подготовка к сессиям тестирования
8
4
4

Оформление отчетов и подготовка 
к защите лабораторных работ
16
8
8

Вид промежуточной аттестации 
(экзамены): 2
72
36
36

При составлении учебного материала по модулю 2 «Электроника» был использован второй том двухтомного учебника 
для вузов [6].
Небольшой объем учебного пособия достигнут не изъятием 
каких-либо глав тома 2 «Электроника» и не преднамеренным упрощением материала, а исключительно путем отказа от рассмотрения 
многих частных вопросов и концентрации внимания на областях 

применения, принципах функционирования электронных приборов, на методах анализа и синтеза схем аналоговых и цифровых 
устройств.
Представляется, что такое изложение учебного материала модуля 2 «Электроника» принесет определенную пользу студентам 
в его изучении и подготовит их как к самостоятельному выполнению курсовой [8] и лабораторных работ [4] по электронике, так 
и к освоению последующих профессио нальных курсов.
В результате изучения модуля 2 «Электроника» студент будет:
знать
 
• основные понятия и математические модели объектов электроники, возникающие в них электромагнитные процессы и результаты их анализа;
 
• принципы функционирования, области применения и потенциальные возможности основных электронных приборов 
и устройств;
уметь
 
• объяснять и описывать электромагнитные процессы в электронных цепях и устройствах;
 
• составлять простые схемы электронных цепей;
 
• читать и анализировать схемы электронных устройств;
 
• экспериментальным способом и на основе каталожных данных 
определять параметры и характеристики типовых электронных 
устройств;
владеть
 
• навыками планирования и практического выполнения действий, 
составляющих указанные умения, в отведенное на выполнение 
контрольного задания время;
 
• методологическими знаниями и умениями, позволяющими применять присущие современной электронике методы научного познания, основанные на компьютерном моделировании и вычислительном эксперименте, используя стандартные про граммные 
средства схемотехнического проектирования и анализа электронных устройств, такие как Мultisim, Mathcad, Labview и др.
Выражаю благодарность НИЦ ИНФРА-М за конструктивное 
сотрудничество в подготовке издания книги.

Глава 1. 
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ 
УСТРОЙСТВ

Приведены классификация электронных устройств и типовые схемы 
преобразователей энергии и сигналов. Рассмотрены полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы.
Дидактические единицы
1.1. Структура электронных устройств.
1.2. Типовые схемы преобразователей сигналов.
1.3. Полупроводниковые диоды и их разновидности.
1.4. Биполярные транзисторы и их характеристики.

1.1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ 
И СИГНАЛОВ

1.1.1. Структурная схема электронных устройств
Электроника, выделившаяся в свое время из электротехники 
как самостоятельная отрасль науки и техники, связана с исследованиями законов взаимодействия электронов и других носителей заряда с электромагнитными полями с целью создания электронных, 
ионных и полупроводниковых приборов и устройств, с помощью 
которых осуществляются формирование, передача, обработка 
и хранение информации, автоматизация производственных процессов.
На основе электронных приборов разрабатываются усилители 
и преобразователи сигналов в системах связи, радио- и телепередачи, контрольно-измерительная аппаратура, источники питания, 
блоки, выполняющие логические и арифметические операции в вычислительных устройствах, средства научного эксперимента и т.д.
Электронное устройство может быть представлено в виде 
функцио нальной структурной схемы, состоящей из трех блоков 
(рис. 1.1).

Физическая 
величина 1

Датчик

Преобразователь 
сигнала

Исполнительное 
устройство

Физическая 
величина 2

Рис. 1.1

Первый блок (датчик) преобразует интересующую нас физическую величину 1 в некий физический процесс, отвечающий двум 
условиям: его адекватности исходному процессу и возможности 
полученной информации для дальнейшей обработки.
Второй блок (преобразователь сигнала (энергии)) предназначен 
для преобразования полученного физического процесса к виду, 
пригодному для дальнейшего его использования.
Третий блок (исполнительное устройство) преобразует полученный физический процесс в необходимую нам физическую величину 2.
Принципиально, физический процесс 1 может быть любым 
из известных процессов, например процессом движения или изменения давления жидкости или газа на входах гидро- или пневмосистемы. Это может быть процесс изменения интенсивности свечения 
некоего объекта или процесс перемещения объекта в пространстве, 
на основе которых построены, соответственно, оптическая и механическая системы. Наконец, могут быть использованы процессы, 
происходящие в электрических цепях: изменение тока или напряжения в ветвях схемы. В этом случае создают электрическую 
или более сложную электронную систему.
Решающим фактором, обусловившим широкое использование 
электронных систем, явилась возможность благодаря развитию 
микроэлектроники, реализации требуемых алгоритмов обработки 
информации, представленной в виде электрических сигналов, в минимальных физических объемах при обеспечении высокого быстродействия и надежности функционирования.

1.1.2. Классификация электронных устройств
Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов подразделяют на два класса: аналоговые (непрерывные) и дискретные (прерывистые).
Аналоговыми (АЭУ) называют электронные устройства, предназначенные для приема, преобразования и передачи электрических 
сигналов, изменяющихся по закону непрерывной (аналоговой) 
функции.
В АЭУ каждому конкретному значению физической величины 
на входе датчика соответствует однозначное, вполне определенное 
значение выбранного параметра электрического постоянного 
или переменного тока. Это может быть электрический потенциал 
узла (по отношению к заземленной точке, шине схемы), напряжение или ток в ветви электронной цепи, его частота, фаза и т.п.

Дискретными (ДЭУ) называют электронные устройства, предназначенные для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, полученных (рис. 1.2):
 
• только путем дискретизации по времени аналоговой функции 
ха(а) с шагом Δt для получения последовательности ее отсчетов, 
произвольных по уровню (б);
 
• посредством только квантования по уровню аналоговой функции 
с шагом h для получения непрерывного по времени сигнала, 
принимающего лишь дискретные значения по уровню (в);
 
• путем дискретизации по времени и квантования по уровню (г) 
аналоговой функции для последующего цифрового кодирования 
отсчетов и шифрования.
Примечание. Дискретизацией, или квантованием, называют 
процесс замены непрерывного сигнала его значениями (отсчетами) 
в отдельных точках (уровнях).

0

0
0

0
а

в
г

б
t

t

t

k

Δt

Δt

tu

tu

tu

tu

xа

xk

h

x(kt)

x(k)

Рис. 1.2

По типу дискретизации (квантования) сигнала ДЭУ подразделяются на три подкласса: импульсные, релейные и цифровые.
Импульсные электронные устройства (ИАУ) реализуют дискретизацию исходного аналогового сигнала ха(t) по времени и преобразуют его в последовательность импульсов х(kt), как правило, 
неизменной частоты (см. рис. 1.2, б). Интервал времени между импульсами называют шагом Δt или периодом Т дискретизации.
Процесс преобразования исходной аналоговой информации 
в последовательность импульсов, при которой аналоговый сигнал 
ха(t) преобразуется в последовательность амплитуд с одинаковым 

шагом Δt = T, носит название амплитудно-импульсной модуляции 
(АИМ). В этой модуляции информация заложена в высоте амплитуд.
Кроме АИМ, на практике широкое распространение получили 
также широтно-импульсная (ШИМ) и фазоимпульсная (ФИМ) модуляции.
Релейные электронные устройства (РЭУ) реализуют квантование исходного аналогового сигнала xа(t) по уровню и преобразуют 
его в ступенчатую функцию, высота каждой из ступенек которой 
пропорцио нальна некоторой наперед заданной величине h, называемой шагом квантования по уровню (см. рис. 1.2, в). Изменение 
уровня сигнала происходит в произвольные момен ты времени, 
определяемые только значениями nh и величиной функции xа(t). 
Поэтому в момен ты формирования ступенек сигнал РЭУ точно отражает значение исходной функции xа(t).
Цифровые устройства (ЦУ) реализуют квантование исходного 
сигнала xа(t) как по времени, так и по уровню (см. рис. 1.2, г). В фиксированные момен ты времени такие сигналы могут принимать 
только некоторое конечное число значений, по это му цифровые 
сигналы только приближенно соответствуют исходным значениям 
xа(t). Очевидно, что чем меньше шаг дискретизации по времени Δt 
и шаг квантования по уровню h, т.е. чем больше дискретных значений, которые может принимать сигнал, тем точнее соответствует 
дискретный сигнал аналоговому сигналу.
В свою очередь, конечному числу дискретных значений исходной физической величины можно поставить в соответствие 
некоторое число. Процесс замены дискретных уровней сигнала последовательностью чисел называется кодированием, а совокупность 
полученных чисел — кодом сигнала. При этом процесс непосредственного преобразования и передачи сигналов можно заменить 
процессом преобразования и передачи кодов.
Устройства, занимающиеся формированием, преобразованием 
и передачей кодов, поставленных в соответствие реальным значениям физических переменных, называют цифровыми устройствами.

1.1.3. Базовые схемы электронных устройств
Сигнал, формируемый датчиком, как правило, непригоден 
для непосредственного управления исполнительным устройством 
и нуждается в соответствующем преобразовании. Это преобразование обыч но сопряжено с увеличением мощности сигнала посредством организации управляемого отбора энергии от некоторого 

внешнего источника посредством некоторого управляемого элемента, изменяющего свои физические свойства под воздействием 
управляющего сигнала.
Например, в оптических системах это может быть элемент, изменяющий коэффициент преломления или поляризацию светового 
потока под действием электрического сигнала; применительно 
к электрическим цепям это может быть элемент, изменяющий свое 
электрическое сопротивление под внешним воздействием.
Итак, любой преобразователь энергии или сигнала должен 
содержать дополнительный источник энергии и управляемый 
элемен т, используя которые, синтезируют три базовые схемы преобразователей энергии или сигналов: последовательную (а), параллельную (б) и последовательно-параллельную (в) (рис. 1.3), на которых обозначено: Uн — напряжение нагрузки; Rу, Rб и Rн — сопротивления управляющего, балластного и нагрузочного резисторов; 
Ku.k = Uн/Uп — коэффициенты передачи по напряжению соответствующих схем преобразователей.
Записанные выражения около схем позволяют определить диапазоны изменения выходных напряжений Uн в отношении к напряжению питания Uп при изменении сопротивления Rу управляемого 
элемента в последовательной и параллельной схемах преобразователей (см. рис. 1.3, а, б) или сопротивлений R1у и R2у управляемых 
элемен тов последовательно-параллельной схемы преобразователя 
(см. рис. 1.3, в).

E

E

E

Ry

R1y
а
б

в

R2y

Rб
Ry
Rн

Rн

Rн
Uн

Uн

Uн
Uу

U1у
U2у

Uу
Uп

Uп

Uп

н
.
н
п
посл
п
н
у
u
R
U
U
K
U
R
R
=
=
+

у
н
.
н
п
ар
п
п
y
н
н
б
б
(
)
u
R R
U
U
K
U
R
R
R
R R
=
=
+
+

2у
н
.
н
п
п.п
п
1
2
1у
yу
н
н
(
)
u
R R
U
U
K
U
R
R
R
R R
=
=
+
+

Рис. 1.3