Электротехника: теория и практика. Моделирование в среде TINA-8

Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
Московского технологического университета (МИРЭА) 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 
27.03.04 – «Управление в технических системах»
Ìîñêâà
Ãîðÿ÷àÿ ëèíèÿ – Òåëåêîì
2020

УДК 621.38(075.8) 
ББК 32.85я73 
      А49 
 
Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор М. Л. Белов; доктор техн. 
наук, профессор Л. А. Потапов 
 
Алехин В. А. 
А49            Электроника: теория и практика. Моделирование  в среде 
TINA-8. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия –
Телеком, 2020. – 308 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0656-3. 
Изложены основные разделы дисциплины «Электроника». Рассмотрена элементная база современной электроники – полупроводниковые электронные приборы, операционные усилители, автогенераторы, 
цифровые микросхемы, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, источники питания, микропроцессорные устройства и т.д. 
Помимо аналитических и графических методов расчёта представлена 
обширная информация по использованию бесплатной студенческой 
версии программы компьютерного моделирования электронных схем 
TINA-TI.  Отличительной особенностью книги является то, что любую  
изучаемую схему можно загрузить в программу TINA-TI и  испытать 
самостоятельно её работу. Знакомство с программой TINA-TI  поможет студентам в будущем успешно применять профессиональные версии этой программы, а также аналогичные программы проектирования. Пособие содержит схемы для самостоятельного моделирования  
и экспериментального исследования электронных устройств. 
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 27.03.04 – 
«Управление в технических системах», будет полезно студентам других направлений, связанных разработкой и конструированием радиоэлектронной аппаратуры, преподавателям и специалистам. 
ББК 32.85я73 
 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
Тиражирование книги начато в 2017 г. 
 
Все права защищены. 
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена  
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами  
без письменного разрешения правообладателя. 
 
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
www.techbook.ru 
             © В.А. Алехин 
                                           

Введение. Этапы возникновения и развития
электроники и схемотехники
Электроника — это наука о взаимодействии заряженных частиц
(электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых в основном для передачи,
обработки и хранения информации.
Историю развития электроники можно условно разделить на
четыре этапа.
Первый этап относится к концу XIX века и связан с открытием электрона и развитием электровакуумной техники и электронных вакуумных ламп. Началом развития ламповой техники принято считать изобретение русским ученым электротехником А.Н. Лодыгиным в 1873 г. электрической лампы накаливания с угольным
стержнем.
На базе этого изобретения уже 1883 г. американский инженер
Т.А. Эдисон открыл и описал явление термоэлектронной эмиссии
и прохождения электрического тока через вакуум. Русский физик
А.Г. Столетов в 1888 г. открыл основные законы фотоэффекта. Важнейшую роль в развитии электроники сыграло открытие русским
ученым А.С. Поповым в 1895 г. возможности передачи радиоволн
на расстояние. Это открытие дало огромный импульс для развития
и внедрения различных электронных приборов в практику. Появился спрос на устройства для генерации, усиления и детектирования
электрических сигналов.
Второй этап истории развития электроники охватывает первую
половину 20-го века. Этот период характеризуется разработкой и
совершенствованием электровакуумных приборов (ЭВП) и систематизированным изучением их физических свойств. В 1904 г. была
сделана простейшая двухэлектродная электронная лампа — диод для детектирования электрических колебаний в радиотехнике.
В 1907 г. изготовлена трехэлектродная лампа — триод для усиления электрических сигналов. В России первые образцы ламп были изготовлены в 1914–1915 гг. под руководством Н.Д. Папалекси
и М.А. Бонч-Бруевича. Первые электронные лампы сразу нашли
применение в области радиосвязи.
В 1918 г. начинает работать Нижегородская радиолаборатория
под руководством М.А. Бонч-Бруевича — первое в России научно

Введение
исследовательское учреждение по вопросам радио- и электровакуумной техники.
Уже в 1919 г. в лаборатории были изготовлены
первые образцы отечественных приемно-усилительных радиоламп,
а в 1921 г. разработаны первые мощные электронные лампы с водяным охлаждением. В 1924 г. были изобретены четырехэлектродные лампы (тетроды), в 1930 г. — пятиэлектродные (пентоды), в
1935 г. — многосеточные частотно-преобразовательные лампы (гептоды).
В 30-х и начале 40-х годов наряду с усовершенствованием обычных ламп были разработаны лампы для дециметровых и сантиметровых волн (магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны), применяемые в радиолокации.
Третий этап относится к концу 40-х и началу 50-х годов и характеризуется бурным развитием дискретных полупроводниковых
приборов. Развитию полупроводниковой электроники предшествовали работы в области физики твердого тела.
Большие заслуги
изучения физики полупроводников принадлежат школе советских
физиков, длительное время возглавляемой академиком А.Ф. Иоффе. Теоретические и экспериментальные исследования электрических свойств полупроводников, выполненные советскими учеными
А.Ф. Иоффе, И.В. Курчатовым, В.П. Жузе, В.Г. Лошкаревым и
другими, позволили создать стройную теорию полупроводников и
определить пути их применения.
Революцию в электронике произвело изобретение в 1947 г. инженерами фирмы Bell Laboratories Джоном Бардиным, Вальтером
Бреттейном и Виллиамом Шокли полупроводникового трехэлектродного усилителя — биполярного транзистора. За это открытие
все они получили в 1956 г. Нобелевскую премию по физике.
Начался новый виток цивилизации,
получивший название
«кремниевый век».
Первые промышленные образцы полупроводниковых приборов — транзисторов, способных усиливать и генерировать электрические колебания, были предложены в 1948 г. С появлением транзисторов начинается период покорения электроники
полупроводниками. Способность транзисторов работать при низких
напряжениях и токах позволила уменьшить размеры всех элементов
в схемах, открыла возможность миниатюризации радиоэлектронной
аппаратуры. В 1958 г. Станиславом Тешнером во Франции был изотовлен первый промышленный полевой транзистор.
Одновременно с разработкой новых типов приборов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления. 50-е годы знаменуются открытиями в области физики твердого

Введение
5
тела и переходом к квантовой электронике, приведшей к развитию
лазерной техники. Большой вклад в развитие этой отрасли науки и
техники внесли советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, удостоенные Ленинской (в 1959 г.) и Нобелевской (в 1964 г.) премий.
Четвертый этап развития электроники берет начало в 60-е
годы прошлого века. Он характеризуется разработкой и практическим освоением интегральных микросхем, совместивших в едином
технологическом цикле производство активных и пассивных элементов функциональных устройств. Уровень интеграции больших интегральных схем (БИС) достигает тысяч элементов в одном кристалле. Освоение выпуска больших и сверхбольших интегральных схем
позволило перейти к созданию функционально законченных цифровых устройств — микропроцессоров, рассчитанных на совместную
работу с устройствами памяти и обеспечивающих обработку информации и управление по заданной программе.
В настоящее время электроника включает в себя 3 области исследований:
1) вакуумную электронику;
2) твердотельную электронику;
3) квантовую электронику.
Каждая область содержит ряд разделов и направлений.
Вакуумная электроника включает направления, связанные с созданием электровакуумных приборов следующих видов:
электронных ламп (диодов, триодов, тетродов, пентодов и т. д.);
ЭВП СВЧ (магнетронов, клистронов и т. п.);
фотоэлектронных приборов (фотоэлементов, фотоэлектронных
умножителей), рентгеновских трубок;
газоразрядных приборов (мощных преобразователей тока, источников света, индикаторов).
Твердотельная электроника содержит следующие основные направления:
разработка и изготовление различных видов полупроводниковых приборов: полупроводниковых диодов (выпрямительных, смесительных, параметрических, стабилитронов); усилительных и генераторных диодов (туннельных, лавинно-пролетных, диодов Ганна); транзисторов (биполярных и униполярных), тиристоров, оптоэлектронных приборов (светоизлучающих диодов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов, светодиодных и фотодиодных матриц),
интегральных схем;
диэлектрическая электроника, изучающая электронные процессы в диэлектриках (в частности, в тонких диэлектрических пленках)

Введение
и их использование, например, для создания диэлектрических диодов, конденсаторов;
магнитоэлектроника, использующая магнитные свойства вещества для управления потоками электромагнитной энергии с помощью ферритовых вентилей, циркуляторов, фазовращателей и т. д.,
и для создания запоминающих устройств, в том числе на магнитных
доменах;
акустоэлектроника и пьезоэлектроника, рассматривающие вопросы распространения поверхностных и объемных акустических
волн и создаваемых ими переменных электрических полей в кристаллических материалах и взаимодействия этих полей с электронами в приборах с полупроводниково-пьезоэлектрической структурой (кварцевых стабилизаторах частоты, пьезоэлектрических фильтрах, ультразвуковых линиях задержки, акустических усилителях
и т. д.);
криоэлектроника, исследующая изменения свойств твердого тела при глубоком охлаждении для построения малошумящих усилителей и генераторов СВЧ, сверхбыстродействующих вычислительных и запоминающих устройств;
разработка и изготовление резисторов.
Квантовая электроника включает направления, связанные с созданием и использованием лазеров и мазеров:
приборов квантовой электроники (лазерные генераторы, дальномеры, квантовые стандарты частоты, квантовые гироскопы, системы оптической многоканальной связи, усилители микроволн мазеры для дальней космической связи и радиоастрономии);
оптоэлектроника использует оптические и электрические методы обработки, хранения и передачи информации, голографию, светоизлучающие диоды, фотоприемники, волоконную оптику, интегральную оптику.
Современный этап развития характеризуется появлением новых
перспективных областей и направлений электроники:
наноэлектроника — область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных
устройств электроники с топологическими размерами элементов,
не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ
функционирования таких устройств;
графеновая электроника — использующая технологию создания
полупроводниковых приборов на графеновой основе (подложке), что
позволит в недалеком будущем создавать интегральные схемы из

Введение
7
меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же
функции, что и их устаревшие кремниевые аналоги.
В курсе «Электроника» мы будем изучать в основном твердотельную электронику.
Задачей специалистов в области управления в технических системах, приборостроения и радиоэлектроники является разработка
новых электронных устройств. Для этого требуется хорошее знание
элементной базы и искусства схемотехники.
Схемотехника — научно-техническое направление, охватывающее проблемы анализа и синтеза электронных устройств радиотехники, связи, автоматики, вычислительной техники в целях обеспечения оптимального выполнения ими заданных функций и расчета
параметров входящих в них элементов.
Разработку современных радиоэлектронных устройств и систем
управления инженеры выполняют, используя компьютерные программы сквозного проектирования электронных устройств (OrCAD,
Proteus, TINA и др.). Эти программы позволяют выполнить разработку схемы устройств, провести анализ работоспособности устройсва в различных температурных условиях, выполнить синтез оптимальных параметров, программирование микроконтроллеров, разработать печатные платы и т. д.).
В учебном пособии мы будем использовать моделирование в
программной среде TINA, разработанной компанией DesignSoft с
участием Texas Instruments. Это позволит наглядно иллюстрировать изучаемые темы и даст студентам эффективный инструмент
для экспериментальной проверки расчетов схем и самостоятельных
разработок электронных устройств.
С методикой моделирования в программе TINA Вы можете ознакомиться в лабораторном практикуме [2], который уже несколько
лет успешно применяется в учебном процессе.
Комплект схем для моделирования можно скачать на сайте издательства www.techbook.ru.

Полупроводниковые диоды
и стабилитроны
1.1. Полупроводниковые материалы
Проводниками называют материалы, которые пропускают электрический ток, когда к зажимам цепи приложено небольшое напряжение. Удельное электрическое сопротивление проводников можно
определить экспериментально (рис. 1.1), и его вычисляют по формуле
ρ = RS
l
= [Ом][см2]
[см]
= [Ом · см].
Рис. 1.1. Измерение удельного
электрического сопротивления
Удельное электрическое сопротивление проводников лежит в пределах
10−6 . . . 10−4 Ом·см. К примеру, удельное сопротивление меди ρ = 0,017 ×
×10−4 Ом · см. Хорошими изоляторами являются диэлектрики с удельным
сопротивлением больше 1012 Ом · см.
К полупроводникам относят материалы, которые имеют при комнатной
температуре удельное сопротивление ρ
в пределах от 10−3 . . . 10−2 Ом · см до 108 . . . 1010 Ом · см.
В отличии от металлов сопротивление собственных (чистых, несодержащих примесей) полупроводников сильно зависит от температуры и
с ростом температуры не увеличивается, а уменьшается. При добавлении примеси в собственный полупроводник его сопротивление
сильно изменяется.
Основными материалами, которые используются в полупроводниковой технике, являются германий и кремний.
Они относятся
к классу электронных полупроводников, в которых электрический
ток обусловлен только электронами, а не ионами.
Особенностью
германия и кремния является то, что их кристаллическая решетка имеет регулярную структуру и называется тетраэдрической или
решеткой типа алмаза (рис. 1.2).
Характерная особенность тетраэдрической системы заключается в одинаковом расстоянии центрального атома от четырех угло

Полупроводниковые диоды и стабилитроны
9
Рис. 1.3. Плоский эквивалент решетки
кремния с валентными связями атомов
Рис. 1.2. Тетраэдрическая структура кристаллической решетки кремния
вых. Каждый угловой атом служит центральным для других четырех ближайших атомов, которые также образуют тетраэдр.
На рис. 1.3 показан плоский эквивалент тетраэдрической структуры.
Атом кремния имеет 14 орбитальных электронов. На внешней
оболочке находятся 4 валентных электрона. Атом германия имеет
32 орбитальных электрона, из них 4 валентных на внешней оболочке.
Связь атомов в решетке кремния устанавливается вследствие
действия объемных сил, возникающих в результате попарного объединения валентных электронов. Пара электронов, обведенная на
рис. 1.3 пунктиром, в равной степени принадлежит обоим атомам и
поочередно примыкает то к одному, то к другому. В среднем каждый атом обладает устойчивой восьмиэлектронной облочкой. Такую
связь атомов, при которой каждый из них остается нейтральным,
называют ковалентной или просто валентной в отличие от ионной
связи, обусловленной электрическими силами.
Рис. 1.4. Образование пары
электрон–дырка
Полностью однородная структура (рис. 1.3) бывает у кристалла только при температуре абсолютного нуля. Увеличение температуры, воздейтсвие внешних факторов (например, света) нарушает
часть валентных связей. Нарушение валентных связей приводит к
одновременному образованию пар свободных электронов и пустых
мест — дырок вблизи тех атомов, от которых оторвались электроны
(рис. 1.4).
Число пар электронов и дырок в стационарном режиме опре

Г л а в а 1
деляется равновесием между процессами термогенерации и рекомбинации носителей.
Проводимость собственного полупроводника,
обусловленную парными носителями теплового происхождения, называют собственной. При комнатной температуре в одном кубическом сантиметре собственного кремниевого материала присутствует
примерно 1,5 · 1010 свободных носителей. При той же температуре
собственный полупроводник германия будет иметь примерно 2,5 ×
×1013 свободных носителей в кубическом сантиметре материала.
Это в 1000 раз больше, чем у кремния. С ростом температуры сопротивление кремния и германия уменьшается, и говорят, что эти
материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
Проводимость, обусловленную наличием примесей атомов, нарушающих структуру кристаллической решетки, называют примесной.
Энергетические уровни.
В структуре атома есть дискретные
энергетические уровни, связанные с орбитальными электронами.
Каждый материал имеет свой собственный набор допустимых уровней энергии электронов в его атомной структуре. Чем больше расстояние от ядра, тем выше энергетическое состояние электрона, и
любой электрон, который оставил свой атом, имеет энергию, более
высокую, чем любой электрон в структуре атома.
Допустимые и запрещенные энергетические уровни электронов
группируются в зоны. На рис. 1.5,a показана зонная структура изолятора. Зона проводимости не содержит свободных электронов и отРис. 1.5. Зоны проводимости, запрещенные и валентных электронов
в изоляторе, полупроводнике и проводнике