Электроника и схемотехника

А. В. Мазин, А. В. Потапов 

Электроника и схемотехника 

Учебное пособие 

Москва 
2022 

УДК 621.3(075) 
ББК 31.2я73+32.844.1-022я73 
М13 

Мазин, А. В. 
М13       Электроника и схемотехника : учебное пособие / А. В. Мазин, 
А. В. Потапов. — Москва : Директ-Медиа, 2022. — 160 с. 

ISBN 978-5-4499-3062-0 

В пособии представлены принципы работы дискретных элементов, основные 
элементы цифровых схем, базовые схемы включения этих элементов, варианты 
построения схем цифровых устройств. 
Учебное пособие предназначено для студентов технических вузов, изучающих дисциплину «электроника и схемотехника», подходит при самостоятельной 
подготовке к решению задач по цифровой схемотехнике, а также для студентов 
соответствующих специальностей, кроме того, может быть полезно специалистам, занимающимся разработкой и обслуживанием цифровых электронных систем. 

УДК 621.3(075) 
ББК 31.2я73+32.844.1-022я73 

ISBN 978-5-4499-3062-0
© Мазин А. В., Потапов А. В., текст, 2022
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2022 

Оглавление 

Введение ....................................................................................................................................................... 7 

Этапы развития электроники ........................................................................................................... 8 

Межатомные связи. Их виды и характеристики .................................................................... 9 

Физические основы электронной техники. Элементы квантовой 
теории строения материи ................................................................................................................ 10 

Постулаты Бора ............................................................................................................................... 11 

Принцип Паули ................................................................................................................................ 12 

Классификация твердых тел по степени электропроводности. Картина 
энергетических зон в твердом теле ........................................................................................... 13 

Электронная и дырочная проводимости в полупроводниках ..................................... 16 

Полупроводники и их свойства .................................................................................................... 18 

Основы статистики электронов и дырок в полупроводниках .............................. 18 

Законы движения носителей заряда в полупроводниках. Дрейфовый 
и диффузионные токи ........................................................................................................................ 22 

Явление дрейфа ............................................................................................................................... 22 

Явление диффузии......................................................................................................................... 23 

Уравнение плотности полного тока в полупроводнике ........................................... 24 

Полупроводник n- и p-типов (примесные полупроводники) ...................................... 25 

Электронно-дырочный переход (p-n переход) .................................................................... 29 

Смещение p-n перехода в прямом направлении (прямое включение 
перехода) ............................................................................................................................................. 32 

Энергетическая диаграмма p-n перехода при прямом смещении ....................... 35 

Смещение p-n перехода в обратном направлении (обратное 
включение перехода) .................................................................................................................... 35 

Уравнение Шокли ........................................................................................................................... 37 

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода ................................................ 38 

Пробой p-n перехода ..................................................................................................................... 39 

Вольт-амперная характеристика видов пробоя ............................................................ 40 

Емкостные свойства p-n перехода ........................................................................................ 42 

Полупроводниковые диоды ........................................................................................................... 44 

Рабочий режим диода .................................................................................................................. 44 

Эквивалентные схемы диодов для различных режимов ......................................... 46 

Температурные свойства диодов .......................................................................................... 47 

Выпрямители. Схемы выпрямления .......................................................................................... 49 

Схема однополупериодного выпрямителя ...................................................................... 49 

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя ................................................. 51 

Импульсный режим работы диода ....................................................................................... 54 

Стабилитроны ........................................................................................................................................ 57 

Схема включения стабилитрона в параметрическом стабилизаторе .............. 57 

Основные параметры стабилитронов ................................................................................ 58 

УГО .......................................................................................................................................................... 61 

Варикапы................................................................................................................................................... 63 

Основные параметры варикапов ........................................................................................... 64 

Туннельные диоды .............................................................................................................................. 66 

Схемы автогенераторов на туннельных диодах ........................................................... 69 

Обращенные диоды............................................................................................................................. 72 

УГО .......................................................................................................................................................... 72 

Контакт (переход) металл-полупроводник. Диоды Шоттки ....................................... 73 

УГО .......................................................................................................................................................... 75 

Переходы p-i, n-i, p+-p, n+-n типов. pin диоды ......................................................................... 76 

Транзисторы ........................................................................................................................................... 78 

Биполярные транзисторы ......................................................................................................... 78 

Принцип действия транзистора. Механизм усиления мощности ................. 80 

Явление вторичного пробоя и модуляция толщины базы 
(эффект Эрли) ............................................................................................................................ 83 

Эквивалентная схема транзистора для режима постоянного тока 
(p-n-p тип) .................................................................................................................................... 83 

Схемы включения биполярных транзисторов ........................................................ 84 

Вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярных транзисторов 
(статические характеристики) ............................................................................................... 88 

Схемы для снятия ВАХ ........................................................................................................... 88 

Математические модели биполярных транзисторов ...................................................... 93 

Модель транзистора для большого сигнала 
(модель Эберса — Молла) .......................................................................................................... 93 

Модели транзистора в режиме малого сигнала 
(динамический режим) ............................................................................................................... 95 

Температурные свойства транзисторов ............................................................................ 97 

Частотные свойства транзисторов ....................................................................................... 98 

Работа транзистора с нагрузкой (динамический режим)..................................... 101 

Составной транзистор (схема Дарлингтона и Шиклаи) ........................................ 102 

Эксплуатационные параметры транзистора ............................................................... 103 

Полевые транзисторы ..................................................................................................................... 104 

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом .............................................. 104 

Полевые транзисторы с изолированным управляющим 
электродом (затвором) ............................................................................................................ 108 

МОП-транзисторы с индуцированным каналом ............................................................. 110 

Основные параметры полевых транзисторов ............................................................. 112 

Усилители электрических сигналов ....................................................................................... 113 

Классификация усилителей .................................................................................................. 113 

Основные технически показатели усилителей (параметры) ............................. 114 

Характеристики усилителей ................................................................................................. 116 

Искажения в усилителях ......................................................................................................... 119 

Схемотехника усилительных каскадов ........................................................................... 120 

Межкаскадные связи в усилителях ............................................................................. 120 

Графическая интерпретация процесса усиления сигнала 
транзисторной схемой с общим эмиттером ................................................................. 121 

Коллекторная стабилизация ................................................................................................ 125 

Эмиттерная стабилизация ..................................................................................................... 126 

Выходные каскады усилителей ........................................................................................... 127 

Построение проходной динамической характеристики ....................................... 128 

Режимы работы усилительных каскадов (класс работы усилителей) .......... 128 

Ключевой режим биполярного транзистора. Условия обеспечения 
статических состояний ................................................................................................................... 131 

Динамика переключения ключей на биполярных транзисторах..................... 134 

Способы повышения быстродействия транзисторных ключей ....................... 135 

Усилители постоянного тока (УПТ). Дрейф нуля ............................................................ 137 

Параллельно-балансный каскад УПТ ............................................................................... 137 

Дифференциальный усилитель (ДУ) ................................................................................ 139 

Операционные усилители (ОУ) .................................................................................................. 140 

Структурная схема ОУ ............................................................................................................... 140 

Основные параметры ОУ ......................................................................................................... 141 

Схемы включения ОУ ................................................................................................................ 142 

Инвертирующее включение ........................................................................................... 142 

Неинвертирующее включение ...................................................................................... 143 

Повторитель напряжения на ОУ ................................................................................... 144 

Интегратор на ОУ .................................................................................................................. 144 

Дифференциатор на ОУ ..................................................................................................... 145 

Сумматор на ОУ ...................................................................................................................... 145 

Усилитель на ОУ с дифференциальным входом .................................................. 146 

Обратная связь в усилителях (ОС) ..................................................................................... 147 

Расчет коэффициента усиления усилителя, охваченного ОС ....................... 148 

Виды и структура обратных связей в усилителе ................................................ 150 

Генераторы электрических колебаний .................................................................................... 152 

Релаксационные генераторы (генераторы импульсов) ........................................ 152 

Автогенераторы на ОУ с мостом Вина ............................................................................. 154 

Блокинг-генераторы (БГ) ....................................................................................................... 155 

Мультивибратор с коллекторно-базовыми связями. 
Автоколебательный режим ................................................................................................... 156 

Список литературы по курсу «Электроника» .................................................................... 159 

Введение 

Научно-технический прогресс в настоящее время неразрывно связан 
с развитием электронной промышленности. Радиоэлектронная аппаратура 
(РЭА) и радиоэлектронные средства (РЭС) практически повсеместно используются в промышленной, социальной и образовательной отраслях.  
Электроника как наука подразумевает изучение основных закономерностей, встречающихся в явлениях, связанных с движением свободных зарядов в 
различных средах: вакуум, жидкость, газ, твердые тела при воздействиях на 
них температуры, электромагнитных полей. 
Задача электроники как отрасли техники — разработка, производство и 
эксплуатация РЭС и РЭА различных применений. 
Эффективность РЭС и РЭА обуславливается целым рядом параметров 
компонентов, входящих в их состав: 
‒ чувствительность входных цепей; 
‒ быстродействие; 
‒ точность; 
‒ цена.  
Электронные приборы позволяют совершать различные преобразования 
энергий: неэлектрические виды энергий (акустическая, давление, световое 
излучение) в электрическую и наоборот. 
Электроника как наука играет большую роль в процессе создания различной вычислительной техники: персональных компьютеров, высокоэффективных ЭВМ, портативных вычислительных устройствах. 
В последние годы прогресс в области обработки и передачи информации 
связан, в основном, с применением вычислительной техники. Сегодня компьютеры стали одним из самых массовых радиоэлектронных устройств. С их помощью решаются сложные задачи по обработке звуковых, телевизионных, 
цифровых и других сигналов. В состав современных компьютеров включаются 
разнообразные устройства усилительной, преобразовательной, радиоприемной и цифровой техники. 
Таким образом, возникает необходимость подготовки высококвалифицированных специалистов по информатике со знаниями в области радиоэлектроники, связанной с применением электрического тока и радиоволн для 
передачи, приема и первичной обработки электрических сигналов. 
Особенно актуальны знания в области радиоэлектроники для подготовки в области информационной безопасности и эксплуатации современных 
компьютеров. Выпускники по таким специальностям должны знать современную элементную базу и принципы работы аналоговых и цифровых устройств. 
Они должны иметь представления о современных информационных сигналах, 
знать законы их преобразования и способы передачи сигналов в электронных устройствах и линиях связи, иметь навыки экспериментальных исследований и т. д. 

Этапы развития электроники 

1. 1900–1950 гг. — характерная особенность первого этапа — применение
электронных ламп в качестве активных элементов. При этом начало развития электроники можно отнести к открытию термоэлектронной эмиссии. Впервые, данный эффект был описан Э. Беккерелем в 1853 г, но дальнейшего 
исследования не получил. В 1873 Ф. Гатри обнаружил потерю зарядов раскаленным железным шаром, заряженным отрицательно. После в 1880 г. эффект был 
обнаружен заново Т. Эдисоном и полностью описан. В 1904 г. Флеминг обнаружил, что эффект Эдисона может быть использован для детектирования радиоволн. Форест Ли в 1907 году усовершенствовал конструкцию лампы Флеминга 
введением в нее электрода-сетки, что позволило создать электровакуумный 
триод, с помощью которого появлялась возможность генерации и усиления 
электрических сигналов. Стоит сказать, что другим толчком создания приемных и усилительных устройств было создание радио в 1895–1896 гг. Маркони 
и Поповым. 
2. 1950–1960 гг. — этап использования дискретных полупроводниковых
радиоэлектронных приборов и компонентов. Начало стоит отнести к созданию 
Бардиным, Бреттенем и затем доработкой Шокли модели биполярного транзистора. Данный этап характерен разработкой новых пространственных 
структур биполярных транзисторов, уменьшения их габаритов, разработкой и 
совершенствованием технологий их производства. В 1956 г. Указанные авторы 
были удостоены Нобелевской премии по физике за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.  
3. 1960–1980 гг. — данный этап примечателен переходом от дискретных
компонентов к интегральным микросхемам (ИМС) малой степени интеграции. 
Зарождается интегральная схемотехника, начинается активная разработка 
методов проектирования, синтеза и производства ИМС. Стоит сказать, что в 
этот период ИМС представляла собой законченное функциональное устройство, изготовленное на единой подложке из дискретных элементов. Плотность 
монтажа достигала до 50 элементов/см3. Использование ИМС позволило существенно уменьшить массогабаритные показатели устройств и их энергопотребление, что привело к увеличению надежности устройств.  
4. 1980–2000 гг. — применение больших интегральных схем (БИС) и
сверхбольших интегральных схем (СБИС). Плотность компоновки достигает 
уже 108 компонентов/см3. Появляются привычные на текущий момент компьютеры и устройства промышленности и быта. При этом СБИС во многих случаях 
является уже полноценным функциональным устройством, которому необходимо только питания и органы ввода/вывода сигналов.  
5. 2000 г. — настоящее время — продолжается процесс уменьшения размеров элементов СБИС. На 2020 г. размер транзистора в составе СБИС составляется менее 10 нм. Продолжается процесс внедрения новых технологий, 
повсеместно используется СВЧ-электроника, продолжают развиваться технологии производства дискретных элементов. 

Межатомные связи. Их виды и характеристики 

Электроны играют основную роль при образовании межатомных связей 
в различных кристаллах. Такие связи возникают вследствие близкого расположения атомов в веществе. При таком расположении атомы начинают оказывать влияние друг на друга. 
Существуют три основных типа межатомных связей: ковалентная, ионная, металлическая. 
При ионной связи происходит перемещение электронов от одних атомов 
к другим. Вследствие чего в структуре возникают положительные и отрицательные ионы. 

При металлической связи кристаллическая решетка состоит из положительно заряженных ионов, расположенных в ее узлах, окруженных «электронным газом» (В электронном газе пренебрегается кулоновским взаимодействием 
между частицами, а сами электроны слабо связаны с ионами кристаллической 
решетки.) Это особый тип связи, характерный для металлов, которая обуславливает большинство характерных для них свойств.  
Ковалентная связь в основном возникает между атомами одного и того 
же элемента. При таком типе связи, валентные электроны становятся общими 
для ближайших соседних атомов. В твердых телах с ковалентной связью образуются различные кристаллические решетки, вид которых определяется узлами между направлениями различных ковалентных связей. 
Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек, в ней каждый электрон внешней орбиты, входящий в состав атомов, связан ковалентными связями. В данном 
случае все валентные электроны прочно связаны между собой, свободных электронов нет. При температуре абсолютного нуля (t = –273 °С) полупроводники, 
состоящие из таких кристаллов, обладают свойствами идеальных изоляторов. 

Физические основы  
электронной техники.  
Элементы квантовой теории строения материи 

С давних пор предполагалось, что атом является основной неделимой частью материи. Этот факт и позволяет индуктивно определить свойства веществ. 
Однако с течением времени (с конца XIX века) постепенно происходит развитие 
и раскрытие этой темы, появляется объяснение, как устроен сам атом. 
Началом этого процесса стоит назвать работу Рэлея — Джинса по изучению закономерностей излучения и испускательной способности абсолютно 
черного тела. Их закон был разработан с применением классических принципов термодинамики и электродинамики. В результате, Рэлей и Джинс получили зависимость, правильно описывающую излучение в низкочастотной части 
спектра (рис. 1).  
При проведении экспериментов с определением энергии излучения абсолютно черного тела получилось, что эти формулы удовлетворительно согласуются лишь при достаточно больших длинах волн и резко расходятся с 
опытом для малых длин волн, хотя с классической точки зрения все было 
верно. Данное явление получило название ультрафиолетовой катастрофы. 

Рис. 1. Зависимость Рэлей и Джинса 

В 1900 году Планку удалось найти вид функции, которая соответствовала 
бы экспериментальным данным. Он сделал предположение, в корень отличающееся от общепринятых точек зрения и рамок классических представлений. 
Планк выдвинул гипотезу, исходя из которой тела излучают и поглощают 
энергию не непрерывно, а порциями (квантами), величина которых зависит от 
частоты излучения и коэффициента пропорциональности, который впоследствии был назван постоянной Планка. 

���� = ℎ����,  
(1) 

ℎ = 6,62 × 10−23 Дж · с. 
(2)