Электроника и схемотехника
Покупка
Новинка
Тематика:
Схемотехника. Общие вопросы
Издательство:
Директ-Медиа
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 160
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-4499-3062-0
Артикул: 827331.01.99
Доступ онлайн
247 ₽
В корзину
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.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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 ча- стью 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 изуче- нию закономерностей излучения и испускательной способности абсолютно черного тела. Их закон был разработан с применением классических принци- пов термодинамики и электродинамики. В результате, Рэлей и Джинс получи- ли зависимость, правильно описывающую излучение в низкочастотной части спектра (рис. 1). При проведении экспериментов с определением энергии излучения аб- солютно черного тела получилось, что эти формулы удовлетворительно согла- суются 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 отличаю- щееся 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 впослед- ствии был назван постоянной Планка. ���� = ℎ����, (1) ℎ = 6,62 × 10−23 Дж · с. (2)
Если излучение испускается порциями, то его энергия должна быть кратна этой величине: ����П = ����ℎ����, где ���� = 0, 1, 2 … (3) В 1911 году Э. Резерфорд опубликовал работу, основанную на эксперимен- тальных данных по рассеиванию альфа-частиц в тонкой золотой фольге, в кото- рой предложил новую планетарную модель атома. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные частицы — электроны. Именно в его ядре сосредоточена вся масса атома. Стоит заметить, что положительно заря- женное ядро компенсирует отрицательный суммарный заряд электронов. Таким образом, атом имеет нейтральный заряд. Однако ядерная модель атома оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии, Резерфорду пришлось отказаться от статической модели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра по орбитам. Но в этом случае электроны будут двигаться с ускорением и согласно классической электродинамике должны непрерывно излучать электромагнитные волны и терять энергию, что должно привести к нарушению равновесия центробежных и центростремительных сил и падению электронов на ядро. Однако таких явлений не наблюдалось. Таким образом выяснилось, что классическая механика и электродинамика неспособны объяснить ни устой- чивость атома, ни характер атомного спектра. Попробовать разрешить данный коллапс взял в свои руки датский фи- зик — Нильс Бор — в 1913 году. Он выдвинул предположения, противореча- щие классическим представлениям. Допущения Бора представляют два его постулата. Постулаты Бора 1. Атомная система может находиться только в особых стационарных квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенное значение энергии. В стационарном состоянии атом не излучает. ������������ = ���� ℎ 2���� , (4) где n = 1, 2, 3… 2. Возможность излучения или поглощения кванта энергии появляется у электрона только при переходе из одного стационарного (устойчивого) состо- яния в другое, при этом: ���� = ��������2 − ��������1, (5) где ���� — излученная (поглощенная) энергия; ����1 и ����2 — номера квантовых состояний. Однако несмотря на экспериментальное подтверждение допущений Бо- ра, эта точка зрения не оставляла за собой права быть единственно верной и окончательной. Его постулаты не учитывали волновых свойств атома. Уже к 1924 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что любая матери- альная движущаяся частица может быть описана, как волна (волновой про- цесс), иными слова, что корпускулярно-волновые свойства присущи не только
оптическим явлениям, но и движущимся частицам вещества. Поэтому элек- трон обладает как свойствами частицы, так и волновыми свойствами: при движении по замкнутой орбите электрон не излучает электромагнитной энер- гии, если вдоль орбиты укладывается целое число длин волн (стоячая волна). ����орб = 2��������, ���� = ℎ ��������, ���� ⋅ ���� = 2��������, ���� − целое число. (6) Принцип Паули По данному принципу распределение электронов по энергетическим уровням происходит следующим образом: электроны стремятся занять уровни с наименьшей суммарной энергией, что и объясняет заполненность внутрен- них орбит. По принципу Пауля в одном и том же квантовом состоянии не может од- новременно находиться пара электронов с различными спинами. Иными слова- ми, не существует в атоме более двух электронов, которые имеют одинаковые квантовые числа.
Классификация твердых тел по степени электропроводности. Картина энергетических зон в твердом теле Если рассматривать структуру атомов различных элементов, то можно выделить внутренние и внешние оболочки. Первые полностью заполнены электронами, вторые — частично. Внешние оболочки слабее связаны с ядром и легче вступают во взаимодействие с другими атомами. Таким образом, электроны, располагающиеся на внешней оболочке, принято называть валентными. Чем ближе расположены атомы в веществах друг к другу, тем сильнее взаимодействие валентных электронов и влияние на валентные электроны ядер соседних атомов. В результате чего каждый отдельный разрешенный энергетический уровень разделяется (дробится) на целый ряд энергетических уровней, обладающих энергиями, значение которых близки друг к другу. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной. Промежутки между разрешенными зонами носят название запрещенных зон. В энергетическом спектре твердого тела можно выделить три вида зон (рис. 2): 1) разрешенные (полностью заполненные) зоны; 2) запрещенные зоны; 3) зоны проводимости. Рис. 2. Энергетический спектр твердого тела Необходимым условием электропроводности является наличие в разрешенных зонах свободных энергетических уровней, на которые во внешнем электрическом поле могут перейти электроны.
Разрешенная зона — зона, возникшая из энергетических уровней валент- ных электронов. Верхняя заполненная часть разрешенной зоны называется валентной. Запрещенная зона — зона, которая образуется из уровней, энергетиче- ские состояния на которых запрещены, следовательно, не заняты электро- нами. Зона проводимости — зона, образованная из энергетических уровней, не заполненных электронами в основном невозбужденном состоянии. Электроны настолько слабо связаны с ядром атома, что под внешними воздействиями могут становиться свободными. Рассмотрим процесс формирование энергетических зон вещества в зави- симости от расстояний между атомами (рис. 3). Рис. 3. Зависимости от межатомных расстояний При достаточно большом расстоянии, энергетические диаграммы уров- ней двух соседних атомов имеют совершенно одинаковый вид и отличаются только значением энергии. По мере уменьшения межатомного расстоя- ния энергетические уровни ����1 и ����2 «расщепляются» согласно принципу Паули. Стоит отметить, что если взять огромное число атом, например, 1020, то каждый из таких уровней расщепится на 1020 различных дискретных уровней. Согласно рис. 3, расщепление уровней начинает происходить в сечении I и разница энергий (ширина запрещенной зоны) будет составлять Δ����21. По мере сближения атомов, степень расщепления энергетических уровней увели- чивается, уровни становятся квазинепрерывными, хотя, фактически, остаются дискретными. Это происходит из-за того, что разница энергий между расщеп- ленными уровнями очень мала. Между сечениями I и II запрещенная зона еще просматривается (Δ����23 < ��������21), но приближаясь к сечению III, перекрытие разрешенных зон становится настолько сильными, что запрещенная зона исчезает. Принято разделять твердые тела по типу проводимости по ширине за- прещенной зоны (рис. 4).
Доступ онлайн
247 ₽
В корзину