Основы электроники. Цифровая электроника

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»
В.И. Крайний, А.Н. Семенов
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Цифровая электроника
Учебное пособие

УДК 621.3 (075.8)
ББК 32.86
        К77
Издание доступно в электронном виде по адресу  
ebooks.bmstu.press/catalog212/book2103.html
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»
Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства»
Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
К77
Крайний, В. И.
Основы электроники. Цифровая электроника :  учебное пособие / 
 
В. И. Крайний, А. Н. Семенов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 68, [4] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-5270-5
Изложены основы современной цифровой электроники. Рассмотрены импульсный режим работы электронного устройства, схемы и характеристики различных 
аналоговых ключей (коммутаторов). Приведены классы логических элементов и их 
параметры, показаны особенности логических элементов различных логик. Рассмотрены комбинационные цифровые устройства: шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов, мультиплексоры и демультиплексоры, сумматоры и компараторы. 
Дано описание последовательностных цифровых устройств: триггеров, счетчиков 
импульсов и регистров. Рассмотрены программируемые логические интегральные 
схемы, описаны их классы. Приведены базовые сведения о микропроцессорах и 
микроконтроллерах.
Для студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана, обучающихся по программам бакалавриата (направление подготовки «Наноинженерия») и специалитета (специальности 
«Радиоэлектронные системы и комплексы», «Системы управления испытатель- 
ными аппаратами») и изучающих дисциплину «Электроника».
 
УДК 621.3 (075.8)
 
ББК 32.86
Учебное издание
Крайний Владимир Иванович, Семенов Александр Николаевич
Основы электроники
Цифровая электроника
Подписано в печать 30.10.2019. Формат 70u100/16. Усл. печ. л. 5,85.  
Тираж 100 экз. Изд. № 499-2018. Заказ 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
press@bmstu.ru  www.baumanpress.ru
Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.  
baumanprint@gmail.com
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
 
© Оформление. Издательство
ISBN 978-5-7038-5270-5 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ
В предлагаемом учебном пособии приведены материалы по курсу 
 
«Электроника». Пособие предназначено для будущих бакалавров (направление «Наноинженерия») и специалистов (специальности «Радиоэлектрон- 
ные системы и комплексы», «Системы управления летательными аппа- 
ратами).
Целью обучения является получение студентами знаний в области цифровой электроники: изучение принципов работы, параметров и характеристик 
полупроводниковых микросхем, построение электронных схем на их основе. 
В главе 1 пособия «Цифровое представление сигналов» рассмотрен импульсный режим работы электронного устройства. Приведены схема транзисторного ключа и его характеристики, а также схемы и характеристики 
различных аналоговых ключей.
В главе 2 «Логические элементы» даны сведения о классах логических 
элементов и их параметрах. Рассмотрены особенности логических элементов, 
способы объединения выходов нескольких цифровых микросхем к одной 
нагрузке, вопросы согласования уровней входных и выходных напряжений 
микросхем с различными логическими элементами.
В главе 3 «Комбинационные цифровые устройства» рассмотрены принципы работы комбинационных цифровых устройств: шифраторов, дешифраторов, преобразователей кодов, мультиплексоров и демультиплексоров, 
сумматоров и компараторов. 
В главе 4 «Последовательностные цифровые устройства» представлены 
последовательностные цифровые устройства: триггеры, счетчики импульсов, 
регистры.
В главе 5 «Программируемые логические интегральные схемы» рассмотрены принципы построения ПЛИС различных классов, даны их описания.
В главе 6 «Микропроцессоры и микроконтроллеры» приведены базовые 
сведения о структуре и функционировании микропроцессоров и микроконтроллеров.
В конце каждой главы предложены контрольные вопросы и задания для 
самоподготовки. 
Более глубоко изучить материал пособия позволит список литературы, 
представленный в конце издания.
Для успешного изучения дисциплины «Электроника» необходимо предварительное освоение следующих дисциплин учебного плана: «Математический анализ», «Интегралы и дифференциальные уравнения», «Физика», 
«Информатика».
Изучаемая дисциплина построена по модульному принципу, каждый 
модуль представляет собой логически завершенный раздел курса.
3

Самостоятельная работа студентов включает проработку лекционного 
курса, участие в семинарах, выполнение домашних заданий. Результаты всех 
видов работы студентов учитываются при промежуточной аттестации. В ходе 
самостоятельной работы предусматривается не только проработка материалов 
лекционного курса, но и их расширение на основании поиска, анализа, структурирования и представления в компактном виде современной информации, 
почерпнутой из всех возможных источников. Результаты самостоятельной 
работы оцениваются при защите домашних заданий.
Текущий (рубежный) контроль проводится по каждому модулю, его итоговые результаты складываются из оценок по следующим видам контрольных 
мероприятий:
защита домашнего задания;
работа на семинарах;
работа на лекциях.
Успешное освоение дисциплины «Электроника» возможно только при регулярной работе в семестре и планомерном прохождении текущего контроля. 
Пройти плановые контрольные мероприятия по каждому модулю в течение 
экзаменационной сессии невозможно. 
Для завершения работы в семестре студент должен пройти все контрольные мероприятия, иметь полный комплект отчетов о выполненных домашних 
заданиях.
Промежуточная аттестация по результатам семестра проходит в форме 
зачета. Освоение ключевых, базовых положений дисциплины, составляющих 
основу остаточных знаний по ней, проверяется на заключительном контрольном мероприятии в конце семестра.

Основные обозначения
Сн    
—  емкость конденсатора в цепи нагрузки
Ег   
 
—  ЭДС источника сигнала (напряжение генератора)
Eк  
—  напряжение питания на коллекторе
Ec   
 
—  напряжение питания на стоке
Fmax    
—  максимальная рабочая частота 
f   
 
—  частота повторения импульсов
h21э    
—  коэффициент передачи тока транзистора при больших сигналах
Iб   
 
—  постоянный ток базы
Iб min  —  минимальный ток базы
Iк нас   
—  ток насыщения коллектора
Is   
 
—  ток насыщения
i   
 
—  переменный ток
iб   
 
—  переменный ток базы
iвх   
 
—  переменный входной ток
iк   
 
—  переменный ток коллектора
iс   
 
—  переменный ток стока
iэ   
 
—  переменный ток эмиттера
К з   
 
—  коэффициент заполнения
Коб    
—  коэффициент объединения по входу
Краз   
—  коэффициент разветвления по выходу
Кс.и    
—  коэффициент счета импульсов (модуль счета)
Q   
 
—  скважность импульсов
Rб    
—  сопротивление резистора в базовой цепи
Rк    
—  сопротивление резистора в коллекторной цепи
Rн    
—  сопротивление резистора нагрузки
Rс    
—  сопротивление резистора в цепи стока
Rэ    
—  сопротивление резистора в эмиттерной цепи
S   
 
—  степень насыщения транзистора
T   
 
—  период повторения импульсов
t  
 
—  время
tвкл    
—  время включения транзистора
tвыкл    
—  время выключения транзистора
tз.р    
—  время задержки распространения сигнала
tз.с   
 
—  время задержки среза импульса коллекторного тока
tз.ф    
—  время задержки фронта импульса коллекторного тока
tзд.р    
—  среднее время задержки распространения сигнала
tи   
 
—  длительность импульса
tн   
 
—  
 время нарастания фронта импульса коллекторного тока,  
также называемое временем (длительностью) фронта
5

tп   
 
—  длительность паузы
tс   
 
—  время (длительность) среза импульса коллекторного тока
tф   
 —  длительность фронта импульса 
tx   
 —  длительность хвоста импульса
U  
 —  остаточное напряжение (напряжение смещения)
UБЭ нас   —  напряжение насыщения база–эмиттер
Uвкл    —  напряжение на ключе во включенном состоянии
Uинв    —  остаточное напряжение для инверсного включения
Uобр    —  амплитуда обратного выброса
U п   
 —  напряжение источника питания
Uп.ст    —   
максимально допустимое напряжение статической помехи
 
  
 
на входе (статическая помехоустойчивость)
Um    —  амплитуда (высота) импульса
'U  
 —  спад вершины импульса
u  
 —  переменное напряжение
uБЭ    —  переменное напряжение база–эмиттер
uБЭ пор   —  пороговое напряжение база–эмиттер
uвх   
 —  входное напряжение схемы
uвых    —  выходное напряжение схемы
uзи   
 —  переменное напряжение затвор–исток
uзи пор   —  пороговое напряжение затвор–исток
uзс   
 —  переменное напряжение затвор–сток
uис   
 —  переменное напряжение исток–сток
uКБ    —  переменное напряжение коллектор–база
uКЭ    —  переменное напряжение коллектор–эмиттер
uКЭ нас   —  напряжение насыщения коллектор–эмиттер
uси    —  переменное напряжение сток–исток
uупр    —  управляющее напряжение схемы
u
T   
 —  температурный потенциал

Принятые сокращения
БИС  — большая интегральная схема
БМК  
— базовый матричный кристалл
БП  — блок памяти
БЯ  
— базовая ячейка
ВМ  — вентильная матрица
ДТЛ  — диодно-транзисторная логика
ИИЛ, И2Л  — интегральная инжекционная логика
КМДП, КМОП — логика на основе комплементарных ключей на МДП- 
 
 
и МОП-транзисторах соответственно
ЛБ  
— логический блок
ЛИЗМОП-транзистор — МОП-транзистор с лавинной инжекцией заряда,  
 
р-канальный МОП-транзистор с плавающим затвором
ЛЭ  
 —  логический элемент
МДП   —  металл–диэлектрик–полупроводник
п-МДП —  логика на основе МОП-транзисторов с каналами п-типа
р-МДП  
—  логика на основе МОП-транзисторов с каналами р-типа
МК  
 —  микроконтроллер
МОП   —  металл–оксид–полупроводник
ОЗУ   —  оперативное запоминающее устройство
ОЭ  
 —  схема с общим эмиттером
ПВМ   —  программируемая вентильная матрица
ПЗУ   —  постоянное запоминающее устройство
ПКМБ  —  программируемый коммутируемый матричный блок
ПЛИС  —  программируемая логическая интегральная схема
ПЛМ   —  программируемая логическая матрица
ПМЛ   —  программируемая матричная логика
ППЗУ  —  программируемое постоянное запоминающее устройство
РТЛ   —  резисторно-транзисторная логика
СБИС  —  сверхбольшая интегральная схема
ТТЛ   —  транзисторно-транзисторная логика
ТТЛШ  —  транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки
ЭСЛ   —  эмиттерно-связанная логика
CISC (Complex Instruction Set Computer) — компьютер с полной системой 
 
 
команд
CPLD (Complex Programmable Logic Device) — программируемая логическая 
 
интегральная схема
CT (от англ. counter) — счетчик
DMS, DMX (от англ. demultiplexor) — демультиплексор
7

FPGA (Field Programmable Gate Array) — программируемая вентильная 
 
 
матрица
GA (Gate Array) — вентильная матрица
MS (от англ. multiplexor selector), MUX (от англ. multiplexor) — мультиплексор
MX — мультиплексор-демультиплексор
ONO (от англ. oxide–nitride–oxide) — перемычка со структурой оксид–нитрид– 
 
оксид
PAL (Programmable Array Logic) — программируемая матричная логика
PIA — программируемая матрица соединений
PIC (Peripheral Interface Controller) — контроллер периферийного интерфейса
PLA (Programmable Logic Array) — программируемая логическая матрица 
PLD (Programmable Logic Device) — программируемое логическое устройство 
RISC (Reduced Instruction Set Computer) — компьютер с сокращенной 
 
 
системой команд 
SM — сумматор
SOC (System On Chip) — «система на кристалле» 

Электроника является универсальным и эффективным средством при 
решении самых различных проблем в области сбора и преобразования 
информации, автоматического и автоматизированного управления, 
выработки и преобразования энергии. Знания электроники востребованы почти во всех сферах производственной деятельности человека, 
в связи с чем преподавание данного курса особенно актуально.
1. ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ
1.1. Импульсный режим работы
Рис. 1.1. Идеализированный (трапецеидальный) импульс:
u — переменное напряжение; t — время
Импульсный режим работы электронного устройства характеризуется последовательностью импульсов, т. е. резких изменений токов и напряжений 
на ограниченном (малом) интервале времени. Активные приборы (например, 
транзисторы) устройства электроники, работающего в импульсном режиме, часто используются как ключи, т. е. основную долю времени находятся 
 
в открытом или в закрытом состоянии и только в течение очень коротких отрезков времени — в промежуточном состоянии. Это так называемый ключевой 
режим работы активных приборов. Ключевой режим обычно отождествляют 
 
с импульсным.
Широкое использование импульсного режима объясняется многими 
его преимуществами. Импульсный режим устройства силовой электроники 
позволяет существенно повысить его коэффициент полезного действия. Так, при 
использовании силового транзистора в режиме ключа транзистор в открытом 
состоянии находится в режиме насыщения (напряжение на транзисторе 
мало), а в закрытом — в режиме отсечки (ток через транзистор мал). При этом 
мощность, идущая на нагрев транзистора, мала как при его открытом, так и 
при закрытом состоянии. Эта мощность возрастает в момент переключения 
транзистора из одного состояния в другое, но процесс переключения протекает 
довольно быстро и мощность в среднем оказывается малой.
Важнейшие преимущества импульсного режима работы устройств информативной электроники следующие:
во-первых, резко повышается помехоустойчивость, так как даже при 
высоком уровне помех обычно не составляет труда отличить одно состояние 
схемы от другого, а именно состоянием схемы определяется информация о преобразуемом сигнале;
во-вторых, информация об импульсном сигнале естественным образом представляется в цифровой форме, что 
позволяет использовать большие возможности цифровой 
обработки информации.
Рассмотрим в качестве примера идеализированный импульс, который называют трапецеидальным (рис. 1.1). Участок импульса АВ называют фронтом, участок ВС — вершиной, участок CD — срезом, отрезок времени AD — основанием. 
Иногда участок АВ называют передним фронтом, а участок 
 
CD — задним фронтом. В качестве других характерных 
9

форм идеализированных импульсов используют прямоугольную, треугольную, 
пилообразную и колоколообразную. 
Рассмотрим примеры реальных по форме импульсов (рис. 1.2, а).
Участок импульса, соответствующий отрицательному напряжению, называется хвостом импульса или обратным выбросом.
При нахождении параметров реальных импульсов обычно бывает сложно 
однозначно разделить импульс на характерные участки, поэтому параметры 
таких импульсов определяют на основании соглашений; например, длительности импульса и фронта импульса часто определяют так, как это показано 
на рис. 1.2, б, т. е. используя уровни 0,1 и 0,9 амплитуды импульса Um.
Рис. 1.2. Примеры реальных по форме импульсов 
:
U m  — амплитуда (высота) импульса; 'U — спад вершины импульса; Uобр  — амплитуда обратного выброса; tи  — длительность 
импульса; tф  — длительность фронта импульса; tc  — длительность среза импульса; tx  — длительность хвоста импульса 
Рис. 1.3. Последовательность 
импульсов:
Т — период повторения импульсов; tп  — длительность паузы 
Рассмотрим последовательность периодически повторяющихся импульсов (рис. 1.3).
Для описания периодически повторяющихся 
импульсов помимо приведенных на рис. 1.3 параметров используются следующие: f
Т
=1
 — 
частота повторения импульсов; Q
Т t
=
и  — скважность импульсов; K
Q
t
T
з
и
=
=
1
 — коэффициент 
заполнения.
В устройствах цифровой электроники в 
большинстве случаев применяются сигналы 
двух уровней — высокого и низкого. При этом 
обычно имеются в виду уровни напряжения, а 
не тока. Цифровые схемы конструируют таким образом, чтобы воздействие 
некоторого сигнала определялось не конкретным значением его напряжения, а тем, к какой из двух разновидностей сигналов (высокого или низкого 
уровня) этот сигнал относится. Такие сигналы принято называть цифровыми. 
Сигналы, не являющиеся цифровыми, называют аналоговыми.
На диаграмме (рис. 1.4), соответствующей цифровым схемам транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), имеющей напряжение питания 5 В, 
10