Элементы и функциональные узлы электронных устройств. Теория и практика
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Булатов Виталий Николаевич
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 588
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-9729-2041-9
Артикул: 844714.01.99
Рассмотрены основные (базовые) характеристики типовых пассивных элементов и полупроводниковых приборов электронных устройств, базирующиеся на анализе протекающих в них физических процессов. Изложены основы теории анализа и синтеза типовых функциональных узлов, применяемых в аналоговых и цифровых электронных устройствах, с примерами их расчетов и исследований в среде Electronics Workbench. Для обучающихся по программам высшего образования по направлениям подготовки 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств», 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы». Может быть полезно магистрантам, обучающимся по укрупненной группе профессий, специальностей и направлений подготовки 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», а также ассистентам и преподавателям, задействованным в проведении занятий по учебным дисциплинам, связанным с изучением основ электроники и схемотехники электронных устройств.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
В. Н. Булатов ЭЛЕМЕНТЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2024 1
УДК 621.382 ББК 32.859 Б90 Рецензенты: кафедра радиоэлектронных систем Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики; доктор технических наук, профессор Н. А. Соловьев Булатов, В. Н. Б90 Элементы и функциональные узлы электронных устройств. Теория и практика : учебное пособие / В. Н. Булатов. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 588 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-2041-9 Рассмотрены основные (базовые) характеристики типовых пассивных элементов и полупроводниковых приборов электронных устройств, базирующиеся на анализе протекающих в них физических процессов. Изложены основы теории анализа и синтеза типовых функциональных узлов, применяемых в аналоговых и цифровых электронных устройствах, с примерами их расчетов и исследований в среде Electronics Workbench. Для обучающихся по программам высшего образования по направлениям подготовки 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств», 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы». Может быть полезно магистрантам, обучающимся по укрупненной группе профессий, специальностей и направлений подготовки 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», а также ассистентам и преподавателям, задействованным в проведении занятий по учебным дисциплинам, связанным с изучением основ электроники и схемотехники электронных устройств. УДК 621.382 ББК 32.859 ISBN 978-5-9729-2041-9 © Булатов В. Н., 2024 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 2
СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................................... 8 ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................... 10 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ. ФИЗИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР ............................ 10 1.1. Общие сведения об элементной базе .......................................................................... 12 1.2. Основной закон электростатики как основа для создания теории электрического поля ............................................................................................................ 12 1.3. Электрический конденсатор ........................................................................................ 17 1.4. Вопросы и задания для самоконтроля ........................................................................ 21 2. ФИЗИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ. ИНДУКТИВНОСТЬ ............................................. 22 2.1. Законы Ампера и Фарадея как основа теории магнитного поля .............................. 22 2.2. Использование положений теории электромагнитного поля для определения индуктивности тороидальной катушки .............................................................................. 27 2.3. Вопросы и задания для самоконтроля ........................................................................ 29 3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ В РЕЗИСТОРЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОНДЕНСАТОРЕ И ИНДУКТИВНОСТИ ....... 30 3.1. Физические процессы в резисторе и закон Ома ......................................................... 30 3.2. Дифференциальная характеристика процессов в конденсаторе .............................. 33 3.3. Дифференциальная характеристика процессов в индуктивности............................ 35 3.4. Особенности энергетических потерь в реальных С и L ............................................ 51 3.5. Вопросы для самоконтроля .......................................................................................... 40 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ ЭЛЕКТРОНА В СОСТАВЕ АТОМА .......................................................................................................... 42 4.1. Применение планетарной модели Резерфорда – Бора к водородоподобному атому ............................................................................................... 42 4.2. Энергетический спектр устойчивых орбит. Распределение электронов в атоме по энергетическому закону .................................................................................... 46 4.3. Вопросы и задания для самоконтроля ........................................................................ 51 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ................................. 52 5.1. Определение плотности энергетических зон в полупроводнике ............................. 52 5.2. Определение концентрации носителей в зоне проводимости и в валентной зоне полупроводника .................................................................................. 60 5.3. Определение удельной проводимости полупроводника ........................................... 64 5.4. Вопросы и задания для самоконтроля ........................................................................ 67 6. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА p-n-ПЕРЕХОДА ........................................... 68 6.1. Доноры и акцепторы в полупроводниках, и их влияние на электрофизические свойства полупроводников .......................................................... 68 6.2. Определение уровня Ферми в полупроводниках с примесью .................................. 72 6.3. Электрофизические свойства p-n-перехода ................................................................ 76 6.4. Вопросы и задания для самоконтроля ........................................................................ 83 7. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В P-N-ПЕРЕХОДЕ ПРИ ПРИЛОЖЕНИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ...................................................... 84 7.1. Определение приращений неосновных носителей в p-n-областях и диффузионного тока при приложении внешнего напряжения ..................................... 84 7.2. Учет соотношений параметров диффузии и размера p- и n-областей при определении диффузионного тока .............................................................................. 87 3
7.3. Анализ ВАХ полупроводникового диода ................................................................... 92 7.4. Вопросы и задания для самоконтроля ........................................................................ 97 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТЕЙ В P-N-ПОЛУПРОВОДНИКЕ ПРИ ПРИЛОЖЕНИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ...................................................... 98 8.1. Определение диффузионной емкости в p-n-полупроводнике .................................. 98 8.2. Определение барьерной емкости в p-n-полупроводнике ........................................ 102 8.3. Вопросы и задания для самоконтроля ...................................................................... 108 9. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЕРЕХОДЕ «МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК» .................................................................................... 109 9.1. Приложение зонной теории к металлам ................................................................... 109 9.2. Индукция электрического поля в полупроводнике с примесями .......................... 110 9.3. Контактные явления в переходе «металл-полупроводник» ................................... 115 9.4. Вопросы и задания для самоконтроля ...................................................................... 125 10. ВИДЫ ПРОБОЕВ p-n-ПЕРЕХОДА ............................................................................ 126 10.1. Лавинный пробой в p-n-полупроводнике ............................................................... 126 10.2. Туннельный пробой в p-n-переходе ........................................................................ 134 10.3. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 138 11. СВЕТОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА p-n-ПЕРЕХОДА ............................................ 139 11.1. Фотоэффект p-n-перехода ........................................................................................ 139 11.2. Световое излучение из p-n-полупроводника .......................................................... 146 11.3. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 152 12. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ............................... 154 12.1. Общая характеристика пассивных квазилинейных элементов ............................ 154 12.2. Резисторы ................................................................................................................... 158 12.3. Электрические конденсаторы .................................................................................. 159 12.4. Индуктивности .......................................................................................................... 163 12.5. Трансформаторы ....................................................................................................... 167 12.6. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 172 13. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВОЙСТВ ДИОДОВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ ....................................................................................... 173 13.1. Использование выпрямительных свойств диодов ................................................. 174 13.2. Использование диодов в режиме пробоя в стабилизаторах напряжения ............ 177 13.3. Использование варикапа в колебательном контуре .............................................. 181 13.4. Использование дифференциального сопротивление диода в электронном регуляторе уровня напряжения ............................................................... 184 13.5. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 187 14. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БТ ДЛЯ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА .................................................. 188 14.1. Общие сведения о биполярных транзисторах ........................................................ 188 14.2. Соотношения токов в биполярном транзисторе в режиме с ОБ .......................... 189 14.3. Дифференциальные характеристики БТ в режиме с ОБ ....................................... 196 14.4. Вопросы для самоконтроля ...................................................................................... 205 15. МАЛОСИГНАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НА БТ .......................................................... 206 15.1. Усилитель переменного напряжения на БТ с ОБ .................................................. 206 15.2. Усилитель переменного напряжения на БТ с общим эмиттером ......................... 213 15.3. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 222 16. ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНЫХ БТ ...................................................................... 223 16.1. Упрощенная эквивалентная схема реального БТ с ОБ.......................................... 224 4
16.2. Упрощенная эквивалентная схема реального БТ с ОЭ ......................................... 234 16.3. Вопросы для самоконтроля ...................................................................................... 239 17. АПЕРИОДИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ НА РЕАЛЬНЫХ БТ ..................................... 240 17.1. Общие сведения об оценке коэффициента передачи усилителя .......................... 240 17.2. Определение нижней граничной частоты ωН усилителя ...................................... 240 17.3. Определение верхней граничной частоты ωВ усилителя ...................................... 246 17.4. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 250 18. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ .............................................. 251 18.1. Общие сведения о полевом транзисторе ................................................................ 251 18.2. Характеристика режимов ПТ с управляющим переходом ................................... 254 18.3. Определение крутизны ПТ в насыщенном режиме ............................................... 257 18.4. Оценка нелинейности передаточной характеристики ПТ .................................... 261 18.5. Характеристика ПТ с изолированным затвором .................................................... 262 18.6. Вопросы для самоконтроля ...................................................................................... 264 19. МАЛОСИГНАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ........... 265 19.1. Малосигнальный усилитель на ПТ с ОИ ................................................................ 265 19.2. Частотные свойства малосигнального усилителя на ПТ с ОИ ............................. 271 19.3. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 278 20. ОБРАТНЫЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ СВЯЗИ (ООС) В УСИЛИТЕЛЯХ .................... 279 20.1. Определение свойств ООС на основе классических методов .............................. 279 20.2. Использование ООС по напряжению в усилителях на БТ.................................... 286 20.3. Использование ООС по току в усилителях на БТ .................................................. 290 20.4. Стопроцентная ООС в усилителях на БТ. Эмиттерный повторитель ................. 294 20.5. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 297 21. АВТОГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ .................................... 298 21.1. Структурная схема автогенераторов. Условия автогенерации ............................ 298 21.2. Автогенератор с использованием RC-фильтра ...................................................... 300 21.3. Автогенератор гармонических колебаний типа «трехточка» ............................... 306 21.4. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 315 22. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ И ЕГО ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ................. 317 22.1. Общие сведения о дифференциальном усилителе................................................. 317 22.2. Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах ............................. 318 22.3. Входное сопротивление и частотная характеристика ДУ .................................... 329 22.4. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 334 23. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (ОУ). ЛИНЕЙНЫЕ УЗЛЫ НА ОУ ................. 335 23.1. Общие сведения об операционном усилителе ....................................................... 335 23.2. Основные схемы включения ОУ с ООС в линейных узлах .................................. 336 23.3. Преобразователи «напряжение-ток» и «ток-напряжение» на ОУ ....................... 343 23.4. Линейные схемы на ОУ, реализующие математические операции ..................... 350 23.5. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 360 24. НЕЛИНЕЙНЫЕ УЗЛЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ .......................... 361 24.1. Общие сведения о нелинейных узлах на ОУ .......................................................... 361 24.2. Компараторы на ОУ .................................................................................................. 361 24.3. Устройство выделения модуля входной величины на ОУ ................................... 368 24.4. Логарифматоры, антилогарифматоры и перемножители на ОУ .......................... 373 24.5. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 380 25. ГИРАТОРЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ ............................................ 381 25.1. Общие сведения о гираторах ................................................................................... 381 5
25.2. Гиратор на одном ОУ. Инверсия свойств пассивных элементов ......................... 382 25.3. Гиратор на двух ОУ. Инвертор «емкость → индуктивность» .............................. 387 25.4. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 391 26. ЛОГИЧЕСКИЕ СОБЫТИЯ И ИХ БИНАРНОЕ ОПИСАНИЕ. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И ИХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ............................... 392 26.1. Описание логических событий посредством двух состояний .............................. 392 26.2. Графическое представление элементарных логических функций и условное графическое обозначение логических элементов ....................................... 394 26.3. Реализация элементарных логических функций средствами полупроводниковой техники ............................................................................................. 398 26.4. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 404 27. ПОЛНАЯ ТАБЛИЦА ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ. ПОСТУЛАТЫ И ЗАКОНЫ БУЛЕВОЙ АЛГЕБРЫ. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ .......................................................................................................................... 405 27.1. Полная таблица логических функций Y = f(A, B) ................................................. 405 27.2. Постулаты и законы булевой алгебры .................................................................... 408 27.3. Формализация логических функций ....................................................................... 410 27.4. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 413 28. МИНИМИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ....................................................... 414 28.1. Актуальность минимизации логических функций ................................................ 414 28.2. Аналитический метод минимизации ....................................................................... 414 28.3. Метод минимизации с использованием карты Карно ........................................... 417 28.4. Минимизация комбинационных схем ..................................................................... 428 28.5. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 430 29. КОДЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ...................................................................... 431 29.1. Коды чисел в двоичном исчислении ....................................................................... 431 29.2. Дополнительные коды двоичных чисел ................................................................. 435 29.3. Шестнадцатеричные коды (hex-code) ..................................................................... 436 29.4. Двоично-десятичный код (BCD) ............................................................................. 438 29.5. Семисегментный код индикации ............................................................................. 440 29.6. Код Грея (Gray-code) ................................................................................................. 441 29.7. Заполняющий код ...................................................................................................... 444 29.8. Коды обмена информацией ...................................................................................... 446 29.9. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 449 30. ДЕШИФРАТОРЫ, ШИФРАТОРЫ, СЕЛЕКТОРЫ ТИПА MUX И DMX ............. 450 30.1. Дешифраторы ............................................................................................................ 450 30.2. Шифраторы ................................................................................................................ 452 30.3. Селекторы-мультиплексоры и селекторы-демультиплексоры ............................. 457 30.4. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 460 31. ЭЛЕМЕНТЫ АЛУ ........................................................................................................ 461 31.1. Синтез одного разряда сумматора ........................................................................... 461 31.2. Сумматоры для сложения и вычитания двоичных чисел ..................................... 464 31.3. Сумматор в составе программируемого элемента АЛУ ....................................... 467 31.4. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 474 32. РЕАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ ЗАПОМИНАНИЯ СОБЫТИЙ. ТРИГГЕРЫ ............. 475 32.1. Реализация функций записи и хранения событий на логических элементах ............................................................................................................................ 475 6
32.2. RS-триггеры ............................................................................................................... 478 32.3. RST-триггер ............................................................................................................... 484 32.4. Статический D-триггер. Регистры на статических D-триггерах .......................... 486 32.5. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 490 33. ДИНАМИЧЕСКИЙ D-ТРИГГЕР. ДЕЛИТЕЛИ ЧАСТОТЫ, ГЕНЕРАТОРЫ ДВОИЧНЫХ КОДОВ И УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РЕГИСТР НА D-ТРИГГЕРАХ .......... 492 33.1. Динамический D-триггер ......................................................................................... 492 33.2. Делители частоты на динамических D-триггерах ................................................. 496 33.3. Генераторы двоичных кодов на динамических D-триггерах ............................... 499 33.4. Универсальный регистр на динамических D-триггерах ....................................... 506 33.5. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 511 34. СИНХРОННЫЙ JK-ТРИГГЕР. ДЕЛИТЕЛИ ЧАСТОТЫ И ГЕНЕРАТОРЫ ДВОИЧНЫХ КОДОВ НА JK-ТРИГГЕРАХ .................................... 512 34.1. Теория синхронного JK-триггера ............................................................................ 512 34.2. Полный JK-триггер ................................................................................................... 518 34.3. Делители частоты на JK-триггерах ......................................................................... 521 34.4. Генераторы двоичных кодов на JK-триггерах ....................................................... 524 34.5. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 531 35. ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ ............................................................... 532 35.1. Основы теории цифровых автоматов ...................................................................... 532 35.2. Основы синтеза простого автомата Мура на JK-триггерах .................................. 534 35.3. Синтез классического автомата Мура на JK-триггерах ........................................ 540 35.4. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 546 36. ЭЛЕМЕНТЫ ЦАП И АЦП .......................................................................................... 547 36.1. Основы теории цифроаналогового преобразования .............................................. 547 36.2. Синтез АЦП на основе ЦАП .................................................................................... 551 36.3. Вопросы и задания для самоконтроля .................................................................... 555 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................................. 556 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ......................................................... 557 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ........................................................ 560 ПРИЛОЖЕНИЕ А .............................................................................................................. 562 ПРИЛОЖЕНИЕ Б ............................................................................................................... 586 7
ПРЕДИСЛОВИЕ Данное учебное пособие было составлено на основе лекционного материала по одноименному 3-семестровому курсу дисциплин [10], [7], [8]. Каждый раздел учебного пособия рассчитан на 2- или 4-часовые лекции – это легко может оценить любой опытный преподаватель. В конце каждого раздела приводятся примеры практического использования материала раздела, рассчитанные на то, что после лекции следующими будут практические (или лабораторные) занятия. Следует отметить, что автор всегда проводил практические занятия и лабораторные работы сам, чтобы правильно оценивать как усвояемость студентами теоретического материала, так и свои недочеты по донесению сути теоретического материала до студентов – с целью его применения на практике. Сам материал учебного пособия построен по принципу «от простого – к сложному, и опять – к простому». Ведь процессы, которые протекают в электронных устройствах, как и в отдельных их элементах, достаточно сложны и описываются, в общем-то, громоздкими математическими выражениями. С другой стороны, пользователь (тот же студент) должен уметь бегло и адекватно использовать эти математические выкладки для оценки параметров того или иного электронного устройства. Поэтому автор подходит к изложению материала по изучаемому объекту в следующей последовательности. Сначала разбирается физическое явление, процесс в объекте, затем выводится его математическая модель в виде формулы (иногда очень громоздкой), затем эта математическая модель упрощается путем исключения компонент, существенно не влияющих на качество параметров конкретного объекта. В результате получается достаточно простое и удобное для расчетов конкретного объекта выражение. При этом студенту с пытливым умом представляется возможность разобраться в том, что и откуда взялось в том или ином математическом выражении, описывающему объект, а практичному студенту – использовать конечные выражения для расчета конкретного электронного узла. Как показывает многолетний опыт автора, результативность такого подхода достаточно высока. И даже «среднему», но упорному студенту трудно «выпасть» из освоения этого курса, так как он сможет выполнить индивидуальное задание по практике после изучения конкретного раздела, если только он осмысленно воспользуется математическими выкладками и методикой расчета, приведенными в нем в качестве примеров. Важной составляющей освоения данного курса являются инструменты в виде пакетов программного обеспечения. Конечно, для расчетов можно пользоваться калькулятором в инженерном виде в смартфоне, планшете, ноутбуке или персональном компьютере. Но автор рекомендует вместо калькулятора использовать Mathcad, так как здесь на своей рабочей страничке в виде файла всегда можно хранить все используемые константы, а также формулы для расчетов. И здесь же очень удобно строить всевозможные графики. Что касается среды для проведения экспериментов и исследования спроектированных узлов, то здесь, как показывает практика, удобным и достаточно эффективным средством является виртуальная лаборатория схемотехнического 8
моделирования аналоговых и цифровых электронных устройств Electronics Workbench (EWB), разработанная фирмой Interactive Image Techologie Ltd (Канада) в 1989 году. На сегодня самой популярной является версия EWB 5.12, которая к тому же находится в свободном доступе. Ее не надо инсталлировать – достаточно просто скопировать ее пакет в виде отдельной папки (как правило, с именем Ewb512) на компьютер, затем с помощью «Проводника» найти в скопированной папке файл Wewb32.exe и создать на рабочем столе его ярлык. Программа запускается также в среде 64-битной Windows. При этом желательно, чтобы графическое обозначение элементов соответствовало (или было близко) к отечественным стандартам. Для этого необходимо от лица «Администратора» найти в скопированной папке Ewb512 файл Ewb.ini, открыть его, например, с помощью «Блокнота» и дописать внизу раздела [Options] строку: din=on. И последнее. В учебном пособии при работе в среде Electronics Workbench применялись модели отечественных элементов, составленных автором этого пособия. Для их использования владельцы данного пособия могут скачать файл с моделями Models.rar вот здесь: https://disk.yandex.ru/d/lnL9fPJ9Xp5DQQ. После разархивации каталог Models нужно поместить на место одноименного каталога в папку Ewb512, предварительно сохранив «родной» каталог Models. В заключение хочу выразить благодарность доценту кафедры ПЭИИТ Оренбургского государственного университета Сильвашко С. А. за проработку контрольных вопросов к разделам настоящего учебного пособия. Желаю успешного изучения этого курса, принимая во внимание, что это будет связано с большой и кропотливой работой. Иначе специалистом в нашей области не становятся. доктор технических наук, профессор Булатов В. Н. 9
ВВЕДЕНИЕ В сегодняшние времена трудно себе представить, что какое-либо техническое изделие может быть без электронной начинки, начиная от сложных систем получения, обработки и хранения информации, а также систем управления, и заканчивая приборами бытового и личного назначения. Любая электронная начинка является, как правило, комбинацией схем на транзисторах и микросхемах (операционные усилители, компараторы, источники напряжения, логические микросхемы, микропроцессоры, микроконтроллеры и так далее). Здесь же всегда можно обнаружить такие элементы, как резистор, конденсатор, катушка индуктивности, трансформатор и диоды различного назначения. В целом все электронные устройства по отношению к сигналам, которыми они оперируют, можно разделить на две большие группы: аналоговые и цифровые. Первая группа электронных устройств оперирует с аналоговыми сигналами в виде электрического напряжения u(t) или электрического тока i(t). Эти сигналы могут являться как функциями от информационной переменной x(t): u(t) = f[x(t)] или i(t) = f[x(t)], – так и сами могут являться подобной переменной для других функций-носителей, таких как акустический, оптический или электромагнитный сигналы. Вторая группа электронных устройств оперирует с событиями или кодами чисел, где каждое элементарное (бинарное) событие имеет всего два состояния: «0» – логический ноль; «1» – логическая единица. И хотя эти события передаются током или напряжением, для каждого определенного семейства цифровых схем их возможные значения четко ориентированы на однозначное различие ими этих двух состояний. Это дает возможность производить анализ и синтез цифровых схем только на уровне логических (кодовых) преобразований. Таким образом, описанные выше две группы электронных устройств требуют различного подхода к их изучению, хотя и имеют общую природу. При этом, прежде чем начать изучение элементов и узлов электронных схем, нужно обязательно проникнуть в физические свойства элементов электронной техники (резисторов, электрических конденсаторов, индуктивностей, полупроводниковых приборов) и в процессы, протекающие в них, чтобы впоследствии осознанно использовать эти знания при изучении и расчете типовых функциональных узлов электронных устройств. Эти знания позволят выделить основополагающее свойство того или иного объекта электроники и второстепенные, которые в подавляющих случаях можно не учитывать. Такой подход позволит уйти от ненужной трудоемкой и громоздкой детализации физических моделей этих объектов, обусловленных их частными несущественными свойствами. В результате подобного подхода (без учета второстепенных и частных свойств элементов схем) можно выстраивать стройные и понятные методики анализа, синтеза и эскизного (оценочного) расчета электронных схем. Весь опыт автора как многолетнего разработчика электронных схем различного назначения позволяет сделать вывод о том, что производить всеобъемлющие расчеты с высокой точностью является нецелесообразным вследствие значи10