Основы электроники и схемотехники

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
 
РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
(РИНХ) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Н.Е. Шейдаков 
 
 
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 
И СХЕМОТЕХНИКИ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону 
Издательско-полиграфический комплекс РГЭУ (РИНХ) 
2020 

УДК 621.313(075) 
ББК 31.2  
Ш 36  
 
 
 Шейдаков, Н.Е.  
Ш 36      Основы электроники и схемотехники : учебное пособие / 
Н.Е. Шейдаков. – Ростов-на-Дону : Издательско-полиграфический комплекс Рост. гос. экон. ун-та (РИНХ), 2020. – 
208 с.   
ISBN 978-5-7972-2766-3 
 
 
В учебном пособии кратко изложены основные положения электроники и схемотехники, предусмотренные программой обучения по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника», в соответствии с 
требованиями по подготовке бакалавров. Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 10.03.01 «Информационная безопасность».  
Предназначено для студентов факультета компьютерных технологий 
и информационной безопасности РГЭУ (РИНХ).  
 
УДК 621.313(075) 
ББК 31.2  
 
 
Рецензенты: 
Денисенко П.Ф., д.ф.-м.н., в.н.с. НИИ физики ЮФУ;  
Серпенинов О.В., к.т.н., доцент кафедры информационных технологий 
 и защиты информации РГЭУ (РИНХ). 
 
 
Утверждено в качестве учебного пособия 
учебно-методическим советом РГЭУ (РИНХ). 
 
 
 
ISBN 978-5-7972-2766-3 
© Ростовский государственный  
экономический университет (РИНХ), 
2020 
© Шейдаков Н.Е., 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ  
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ................................................ 8 
1.1. Электропроводность полупроводников ......................................... 8 
1.1.1. Собственная электропроводность полупроводников. ............... 10 
1.1.2. Примесная электропроводность полупроводника. .................... 10 
1.2. Электрические переходы ................................................................. 12 
1.2.1. Переходы металл – полупроводник. ............................................ 13 
1.2.2. P-n-переход .................................................................................... 13 
1.3. Смещение р-п-перехода ..................................................................... 14 
1.3.1. Обратное смещение p-n-перехода. .............................................. 15 
1.4. Емкость р-п-перехода ......................................................................... 17 
1.5. Пробой p-n-перехода ......................................................................... 17 
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ 
И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ................................................................ 19 
2.1 Классификация и условные обозначения  
полупроводниковых диодов. .................................................................. 19 
2.2. Конструкция полупроводниковых диодов. .................................. 21 
2.3. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода ........................... 23 
2.4. Типы полупроводниковых диодов ................................................ 25 
2.4.1. Выпрямительные диоды ............................................................... 25 
2.4.2. Стабилитроны ................................................................................ 26 
2.4.4. Варикапы ........................................................................................ 30 
2.4.5. Фотодиоды ..................................................................................... 33 
2.4.6. Светодиоды .................................................................................... 34 
2.4.7. Оптрон ............................................................................................ 36 
2.4.8. Диоды Шоттки ............................................................................... 36 
2.4.9. Туннельные диоды ........................................................................ 38 
2.4.10. Импульсные диоды. .................................................................... 40 
2.4.11. Диоды ВЧ. .................................................................................... 41 
3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ...................................................... 43 
3.1. Структура и принцип действия биполярного транзистора ..... 43 
3.2. Физическая нелинейная модель транзистора  
и эквивалентные схемы .......................................................................... 45 
3.3. Способы включения биполярных транзисторов ........................ 49 
3.4. Основные режимы работы транзистора....................................... 51 
3.5. H-параметры биполярного транзистора ...................................... 52 
3.6. Основные параметры биполярных транзисторов ...................... 54 
3.7. Влияние температуры ...................................................................... 56 
3.8. Частотные свойства транзисторов ................................................ 57 

4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ............................................................... 58 
4.1. Основные понятия и классификация  
полевых транзисторов ............................................................................. 58 
4.2. Устройство полевого транзистора  
с управляющим p-n-переходом  
и его вольт-амперные характеристики ............................................... 59 
4.1.1. Семейство выходных характеристик .......................................... 61 
4.1.2. Стоко-затворная (передаточная) характеристика ...................... 63 
4.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором ................... 65 
4.3.1. Устройство полевого транзистора  
с изолированным затвором и встроенным каналом ............................. 65 
4.3.2. Устройство полевого транзистора  
с изолированным затвором и индуцированным каналом ................... 68 
4.4. Эквивалентные схемы полевых транзисторов ........................... 69 
4.5. Способы включения полевых транзисторов ............................... 70 
5. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ .................. 72 
5.1. Источники вторичного электропитания, их структура  
и назначение основных блоков .............................................................. 72 
5.2. Выпрямители ..................................................................................... 73 
5.3.1. Однофазные выпрямители ............................................................ 73 
5.2.2. Трехфазный выпрямитель ............................................................ 76 
5.2.3. Коэффициент пульсации .............................................................. 77 
5.3. Сглаживающие фильтры ................................................................ 78 
5.3.1. Пассивные сглаживающие фильтры ........................................... 79 
5.4.2. Активный сглаживающий фильтр  
на биполярном транзисторе .................................................................... 81 
5.4. Стабилизаторы напряжения ........................................................... 84 
5.4.1. Компенсационный стабилизатор напряжения 
линейного вида ........................................................................................ 84 
5.4.2. Импульсный стабилизатор напряжения ...................................... 86 
6. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ ......................................................... 93 
6.1. Главные рабочие параметры и характеристики усилителя .... 93 
6.1.1. Понятия рабочей точки и ее окрестности ................................... 94 
6.1.2. Понятие коэффициента усиления ................................................ 94 
6.1.3. Понятия входного и выходного  
сопротивлений усилителя ....................................................................... 95 
6.1.4. Частотная характеристика усилителя .......................................... 97 
6.2. Усилитель напряжения низкой частоты  
на биполярном транзисторе.  
Методика расчета основных параметров ............................................ 98 
6.2.1. Постановка задачи ......................................................................... 98 
6.2.2. Расчет режима в рабочей точке .................................................... 99 

6.2.3. Расчет коэффициента усиления по напряжению ..................... 101 
6.2.4. Расчет входного и выходного сопротивлений усилителя ....... 103 
6.2.5. Способы задания рабочей точки (смещения) ........................... 103 
6.3. Повторитель напряжения на биполярном транзисторе – 
эмиттерный повторитель (схема с общим коллектором) .............. 105 
6.3.1. Коэффициент передачи по напряжению 
эмиттерного повторителя ..................................................................... 106 
6.3.2. Входное и выходное сопротивления повторителя ................... 107 
6.4. Усилители на полевых транзисторах .......................................... 108 
6.4.1. Методика расчета основных параметров усилителя  
низкой частоты на полевом транзисторе 
с управляющим р-п-переходом ............................................................ 108 
6.4.2. Особенности задания рабочей точки ......................................... 110 
6.4.3. Определение положения рабочей точки  
на стокозатворной характеристике ...................................................... 111 
6.4.4. Положение рабочей точки  
на семействе выходных характеристик ............................................... 111 
6.4.5. Расчет коэффициента усиления ................................................. 112 
6.4.6. Выходное сопротивление ........................................................... 112 
6.5. Повторитель напряжения на полевом транзисторе 
(истоковый повторитель). Методика расчета  
основных параметров ............................................................................ 113 
6.5.1. Определение рабочей точки  
на стокозатворной характеристике ...................................................... 114 
6.5.2. Коэффициент передачи по напряжению ................................... 115 
6.5.3. Выходное сопротивление ........................................................... 115 
7. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ................................................... 117 
7.1. Параметры операционного усилителя ........................................ 117 
7.1.1. Технические характеристики реальных ОУ ............................. 118 
7.2. Схемотехника линейных устройств 
на операционных усилителях .............................................................. 121 
7.2.1. Инвертирущий ОУ ...................................................................... 121 
7.2.2. Неинвертирущий ОУ................................................................... 123 
7.2.3. Инвертирующий сумматор ......................................................... 124 
7.2.4. Интегратор ................................................................................... 125 
7.2.5. Дифференциатор .......................................................................... 127 
7.2.6. Дифференциальный усилитель на ОУ ...................................... 128 
8. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ.  
АВТОГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ............ 130 
8.1. Электронные генераторы .............................................................. 130 
8.1.1. Классификация электронных генераторов ............................... 130 
8.2. Генераторы гармонических сигналов ........................................ 131 

8.3. Генераторы релаксационных колебаний ................................... 133 
8.3.1. Генератор прямоугольных импульсов  
на операционном усилителе – мультивибратор ................................. 134 
8.3.2. Ждущий мультивибратор (одновибратор) ................................ 136 
8.3.3. Генератор пилообразного напряжения  
на операционном усилителе ................................................................. 136 
8.4. Импульсные сигналы ..................................................................... 139 
9. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ 
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ .................................................................. 142 
9.1. Алгебраическая запись логической функции, 
выполняемой цифровым устройством .............................................. 143 
9.1.1. Простейшие логические операции 
и их алгебраическая запись .................................................................. 143 
9.1.2. Основные законы и теоремы алгебры логики .......................... 144 
9.1.3. Условное изображение устройств, 
реализующих простейшие логические действия,  
и их таблицы истинности ...................................................................... 146 
9.2. Представление и преобразование логических функций ......... 146 
9.3. Понятие о минимизации логических функций ......................... 147 
9.3.1. Постановка задачи. Способы минимизации ............................. 147 
9.3.2. Минимизация по формулам алгебры логики ........................... 148 
9.3.3. Минимизация с помощью карт Карно ...................................... 148 
9.4. Структура и принцип действия логических элементов .......... 151 
9.4.1. Операции «ИЛИ-НЕ», «И-НЕ» .................................................. 152 
9.4.2. Универсальность функций «ИЛИ-НЕ» и «И-НЕ» ................... 153 
10. КОМБИНАЦИОННЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА .......... 155 
10.1. Шифраторы и дешифраторы ...................................................... 155 
10.2. Мультиплексоры и демультиплексоры ................................... 158 
10.3. Сумматоры ..................................................................................... 162 
10.4. Цифровой компаратор ................................................................. 164 
10.5. Арифметико-логическое устройство ......................................... 164 
11. ТРИГГЕРЫ ........................................................................................... 166 
11.1. Асинхронные RS-триггеры на логических элементах .......... 166 
11.2. Синхронные RS-триггеры на логических элементах ............ 169 
11.3. D-триггер ......................................................................................... 170 
11.4. T-триггер (счѐтный) на основе D-триггера .............................. 172 
11.5. JK-триггер....................................................................................... 173 
11.6. Классификация триггеров........................................................... 174 
12. ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ ........................................... 177 
12.1. Оперативные запоминающие устройства ................................ 177 
12.1.1. Статические оперативные запоминающие устройства ......... 177 
12.1.2. Динамические оперативные запоминающие устройства ...... 180 

12.2. Цифровые постоянные  
запоминающие устройства (ROM) ................................................... 182 
12.2.1. Постоянное ЗУ (ПЗУ) ................................................................ 183 
12.2.3. Программируемое ПЗУ (ППЗУ), PROM ................................. 185 
12.2.4. Стираемое программируемое ПЗУ (EPROM) ........................ 186 
12.2.5. EEPROM – стираемое программируемое ПЗУ ....................... 187 
13. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ............................................................................. 188 
13.1. Аналого-цифровые преобразователи ........................................ 188 
13.1.1. Дискретизация во времени ....................................................... 188 
13.1.2. Квантование по уровню ............................................................ 189 
13.1.3. Кодирование ............................................................................... 190 
13.1.4. Способы распознавания уровня преобразуемого сигнала  
внутри интервала дискретизации ......................................................... 191 
13.1.5. Аналого-цифровые преобразователи 
последовательного счета....................................................................... 192 
13.1.6. Аналого-цифровые преобразователи параллельного типа ... 194 
13.2. Цифро-аналоговые преобразователи ........................................ 195 
13.2.1. Основные соотношения ............................................................ 195 
13.2.2. Структурные составляющие  
цифро-аналогового преобразователя ................................................... 196 
13.2.3. Цифро-аналоговый преобразователь  
с двоично-взвешенной резистивной матрицей ................................... 197 
13.2.4. Цифро-аналоговые преобразователи с матрицей R – 2R ...... 199 
14. МИКРОПРОЦЕССОРЫ .................................................................... 201 
14.1. Структура микропроцессорного устройства ........................... 201 
14.2. Основные свойства микропроцессоров .................................... 205 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................. 207 
 

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ 
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ 
 
1.1. Электропроводность полупроводников 
 
В структуре атомов можно выделить оболочки, которые 
полностью 
заняты 
электронами 
(внутренние 
оболочки), 
и 
незаполненные оболочки (внешние). Электроны внешних оболочек 
слабее связаны с ядром и легче вступают во взаимодействие с 
другими атомами. Эти электроны называют валентными. 
Для полупроводниковых материалов характерно кристаллическое строение, при котором между атомами возникают 
ковалентные связи за счет «обобществления» соседних валентных 
электронов. Это наглядно можно показать на плоской модели 
кристаллической решетки, например для четырехвалентного 
кремния Si (рис. 1.1). 
Рисунок 1.1 –. Плоская модель кристаллической решетки Si 
В соответствии с зонной теорией по отношению к энергетическим 
состояниям 
(уровням) 
электронов 
различают 
валентную зону, запрещенную зону, зону проводимости. В такой 
интерпретации можно более определенно разделить все вещества 
на три большие группы: металлы, полупроводники, диэлектрики 
(рис. 1.2).  
Зона проводимости – это совокупность расщепленных 
энергетических уровней, на которые может переходить электрон 
в процессе взаимодействия атомов или воздействия на атом, 
например при нагреве, облучении и т.п. 

У полупроводников при некотором значении температуры 
часть 
электронов 
приобретает 
дополнительную 
тепловую 
энергию и оказывается в зоне проводимости. В результате 
полупроводник становится электропроводным. При переходе 
электрона из валентной зоны в зону проводимости образуется 
свободный 
энергетический 
уровень, 
вакантное 
состояние, 
которое назвали «дыркой».  
Рисунок 1.2 – Зонные диаграммы веществ 
Процесс образования положительных и отрицательных 
зарядов в теле полупроводника можно представить следующим 
образом. 
Например, 
фотон 
выбивает 
электрон 
с 
его 
энергетического уровня, электрон становится свободным, а атом 
приобретает положительный заряд (становится положительно 
заряженным ионом). Процесс образования пары электрон – 
«дырка» называют генерацией зарядов, обратный процесс –
рекомбинацией (рис. 1.3). 
Рисунок 1.3 – Процессы генерации и рекомбинации 
Движение зарядов, обусловленное тепловой энергией, 
называют диффузией. Средний промежуток времени между 
генерацией и рекомбинацией характеризует так называемое 
время жизни носителей заряда, а расстояние, которое успевает 

преодолеть заряд за это время, называется диффузионной длиной. 
Эти характеристики используются для сравнения различных 
полупроводниковых (ПП) материалов между собой. 
 
1.1.1. Собственная электропроводность полупроводников 
 
Приложим к образцу ПП вещества электроды источника 
постоянного тока, т.е. создадим в нѐм электрическое поле с 
напряженностью Е. В этом случае по законам электродинамики 
электроны и дырки должны перемещаться. Возникнут два 
встречно направленных потока движения носителей зарядов, в 
цепи потечет ток, носящий название ток дрейфа (дрейфовый 
ток). 
Плотности токов определяются следующим образом: 
,
;
E
p
q
j
E
n
q
j
p
p
p
n
n
n










 
 
       (1.1) 
где jn, jp – плотности токов, созданных соответственно электронами 
и дырками; qn, qp – заряды электрона и дырки; qn = - 1,6 • 10-19 Кл; 
n, p – удельная концентрация зарядов (количество в единице 
объема); п,, р – подвижность зарядов, т.е. средняя скорость 
зарядов под действием электрического поля с напряжѐнностью 
поля Е = 1 В/см. 
Результирующая плотность дрейфового тока: 
),
(
p
p
n
n
дрейф
p
q
n
q
E
j








                   (1.2) 
а удельная электропроводность полупроводника: 
.
p
p
n
n
дрейф
p
q
n
q
E
j











 
 
(1.3) 
Выражение (1.3) показывает, что удельная собственная 
электропроводность полупроводника зависит от концентрации 
зарядов и их подвижности. 
 
1.1.2. Примесная электропроводность полупроводника 
 
Известно, что электропроводность полупроводника зависит 
от наличия примесей, которые могут быть двух видов: акцепторные и донорные. В структуре вещества примесные атомы 
образуют дефекты кристаллической решетки – «замещают» 
основные атомы, образуя ковалентные связи. При различии