МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О. П. Новожилов

ЭЛЕКТРОНИКА

И СХЕМОТЕХНИКА

ТОМ 1

УЧЕБНИК для АКАдЕМИЧЕСКОГО БАКАлАВРИАТА

Рекомендовано Учебно-методическим отделом

высшего образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженерно-техническим направлениям и специальностям Киа оста в лктроой илиотой сист biblio-online.ru Москва Юрайт 2015 УДК 621(075.8) ББК 32.85я73 Н74 Автор:

Новожилов Олег Петрович — доктор технических наук, профессор кафедры информационной безопасности автоматизированных систем Института информационных технологий и управления в технических системах Московского государственного индустриального университета (ИИТУ МГИУ).

Рецензенты:

Кузовкин В. А. — доктор технических наук, профессор кафедры электротехни- ки, электроники и автоматики Московского государственного технологического университета «СТАНКИН»;

Масленников В. В. — доктор технических наук, профессор кафедры электронных измерительных систем Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»;

Нефедов В. И. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой телекоммуникационных систем Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики (МГТУ МИРЭА).

Новожилов, О. П.

Электроника и схемотехника. В 2 т. Т. 1 : учебник для академического бакаН лавриата / О. П. Новожилов. — М. : Издательство Юрайт, 2015. — 382 с. — Серия :

Бакалавр. Академический курс.

ISBN 978-5-9916-4182- ISBN 978-5-9916-4183-8 (т.1) В учебнике представлен материал для изучения электронных устройств с различными функциональными назначениями, элементной базой, принципом действия и областью применения. Представленный материал отражает современное состояние и тенденции развития полупроводниковой электроники и схемотехники. Изложены основы физики полупроводников, рассмотрены основные типы полупроводниковых приборов, приведены их характеристики и схемные модели. При рассмотрении функциональных узлов главное внимание уделено принципам их построения и работы, а также основным характеристикам.

В учебник включен материал по актуальным вопросам, которым в отечественной учебной литературе практически не уделено внимания. К ним относится материал по устройствам на переключаемых конденсаторах, бесфильтровым умножителям частоты, устройствам на синтезированных нелинейных реактивных элементах и ферромагнитных элементах с ортогональным управлением.

Издание состоит из двух томов. Первый том содержит введение в электронику и схемотехнику, а также материал по схемотехнике аналого-импульсных устройств.

Учебник соответствует актуальным требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования.

Для студентов технических направлений подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов, изучающих полупроводниковую электронику и схемотехнику, а также для преподавателей вузов.

УДК 621(075.8) ББК 32.85я © Новожилов О. П., ISBN 978-5-9916-4182- ISBN 978-5-9916-4183-8 (т. 1) © ООО «Издательство Юрайт», Оглавление Список сокращений

Предисловие

Глава 1. Введение в электронику и схемотехнику

1.1. Основные понятия

1.2. Основные этапы развития электроники и схемотехники........... 1.3. Аналоговые устройства

1.4. Импульсные устройства

1.5. Цифровые устройства

1.6. Устройства дискретной обработки аналоговых сигналов........... 1.7. Сравнительная оценка аналоговых, импульсных и цифровых устройств

1.8. Отбор и компоновка материала

Контрольные вопросы и задания

Раздел I

АНАЛОГО-ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

Глава 2. Полупроводниковая электроника

2.1. Введение в физику полупроводников

2.2. Электронно дырочный переход

2.3. Контакты металл — полупроводник

2.4. Полупроводниковые диоды

2.5. Общие сведения о транзисторах

2.6. Биполярные транзисторы

2.7. Полевые транзисторы

2.8. МОП транзисторы

Контрольные вопросы и задания

Глава 3. Усилительные устройства

3.1. Общие сведения

3.2. Базовые усилительные каскады и их свойства

3.3. Обратные связи

3.4. Принципы построения усилительных схем

3.5. Дифференциальные усилительные каскады

3.6. Апериодические и широкополосные усилители

3.7. Усилители высокой частоты

3.8. Усилители промежуточной частоты

3.9. Выходные каскады апериодических усилителей

3.10. Усилители мощности с повышенным коэффициентом полезного действия

3.11. Генераторы гармонических колебаний с внешним возбуждением

Контрольные вопросы и задания

Глава 4. Автогенераторы и преобразователи спектра

4.1. Автогенераторы гармонических колебаний

4.2. Транзисторные умножители частоты

4.3. Перемножители аналоговых сигналов

4.4. Преобразователи частоты

4.5. Модуляторы

4.6. Детекторы

Контрольные вопросы и задания

Глава 5. Импульсные устройства

5.1. Введение в импульсную технику

5.2. Линейные цепи при импульсном воздействии

5.3. Импульсные устройства на полупроводниковых диодах............ 5.4. Импульсные устройства на транзисторах

5.5. Селекторы импульсов

Контрольные вопросы и задания

Глава 6. Устройства источников электропитания

6.1. Общие сведения

6.2. Выпрямители

6.3. Способы стабилизации постоянного напряжения

6.4. Стабилизаторы напряжения непрерывного действия.................. 6.5. Импульсные стабилизаторы напряжения

6.6. Источники напряжения на переключаемых конденсаторах...... 6.7. Конверторы и инверторы

Контрольные вопросы и задания

Глава 7. Операционные усилители и компараторы

7.1. Общие сведения об операционных усилителях

7.2. Принципы построения операционного усилителя

7.3. Активные RC фильтры

7.4. Компараторы напряжений

Контрольные вопросы и задания

Глава 8. Нелинейные реактивные элементы и устройства на их основе... 8.1. Общие сведения о нелинейных реактивных элементах............... 8.2. Синтезированные нелинейные реактивные элементы................. 8.3. Одночастотные управляемые устройства

8.4. Кратные преобразователи частоты гармонических колебаний... 8.5. Многофункциональные ферромагнитные устройства................. Контрольные вопросы и задания

Литература

Предметный указатель

АД амплитудный детектор АМ амплитудная модуляция АС аналоговый сигнал АЦП аналого-цифровой преобразователь АЧХ амплитудно-частотная характеристика БИС большая интегральная схема ВАХ вольт-амперная характеристика ВИЭП вторичный источник электропитания ВКХ вольт-кулонная характеристика ГВВ генератор с внешним возбуждением ГПН генератор с переключением напряжения ГПТ генератор с переключением тока ГСТ генератор стабильного тока ДК дифференциальный каскад ДС дискретный сигнал ДЦ дифференцирующая цепь ДЧ делитель частоты ИНУН источник напряжения, управляемый напряжением ИОН источник опорного напряжения ИС интегральная схема ИСН импульсный стабилизатор напряжения КВХ кулон-вольтная характеристика КМОП комплементарная МОП-технология КН компаратор напряжения КПД коэффициент полезного действия КПЧ кратный преобразователь частоты КХ колебательная характеристика ЛКР линия критического режима ММРК многофункциональный магнитный радиокомпонент МОП металл — оксид — полупроводник НЕД нелинейный емкостный двухполюсник НРД нелинейный реактивный двухполюсник НРЭ нелинейный реактивный элемент НЭ нелинейный элемент ОБ общая база ОЗ общий затвор ОИ общий исток ОК общий коллектор ООС отрицательная обратная связь ОС обратная связь, общий сток ОУ операционный усилитель ОУУ одночастотное управляемое устройство ПАС перемножитель аналоговых сигналов ПФ полосовой фильтр ПХ переходная характеристика ПЧ преобразователь частоты РФ режекторный фильтр СБИС сверхбольшая интегральная схема СВЧ сверхвысокая частота СННД стабилизатор напряжения непрерывного действия СНРЭ синтезированный нелинейный реактивный элемент ТКН температурный коэффициент напряжения УВЧ усилитель высокой частоты УК усилительный каскад УКДД управляемый ключ двустороннего действия УПТ усилитель постоянного тока УПЧ усилитель промежуточной частоты УЧ умножитель частоты ФВЧ фильтр верхних частот ФД фазовый детектор ФМ фазовая модуляция ФНЧ фильтр нижних частот ФНЭ ферромагнитный нелинейный элемент ФСИ фильтр сосредоточенной избирательности ФЧХ фазочастотная характеристика ФЭ с ОП ферромагнитные элементы с ортогональными полями ХОС характеристика обратной связи ЦАП цифро-аналоговый преобразователь ЦС цифровой сигнал ЦУ цифровое устройство ЧД частотный детектор ЧМ частотная модуляция ШИМ широтно-импульсная модуляция ЭВМ электронная вычислительная машина ЭДС электродвижущая сила Дисциплина «Электроника и схемотехника» (и близкие к ней по названию и содержанию) входит в учебные планы государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования, обучающих студентов по различным направлениям подготовки бакалавров, магистров и специалистов. Эта дисциплина является одной из центральных дисциплин учебного процесса, закладывающих фундаментальные знания физики полупроводников, полупроводниковых приборов и их характеристик, принципов построения, работы, проектирования и применения электронных схем и устройств.

Актуальность издания учебника обусловлена требованиями подготовки высококвалифицированных бакалавров, магистров и специалистов в области полупроводниковой электроники и схемотехники.

Цель изучения дисциплины — получить знания в области полупроводниковой электроники и базовых устройств электронной аппаратуры, приобрести умения и практические навыки, позволяющие технически грамотно использовать их в будущей профессиональной деятельности.

Особенности учебника состоят в следующем:

• представленный в учебнике материал охватывает широкий круг вопросов современной электроники и схемотехники, что позволит путем их отбора сформировать оптимальную программу изучаемой дисциплины для требуемого профиля подготовки;

• поскольку сдерживающим фактором на пути развития радиоэлектронной аппаратуры являются мощные устройства, определяющие ее габариты, массу, надежность и стоимость, в учебнике большое внимание уделено импульсным устройствам и режимам работы. Достаточно подробно изложены вопросы схемотехники генераторов с независимым возбуждением, а также усилителей мощности с повышенным коэффициентом полезного действия (КПД).

В учебник также включен оригинальный материал по синтезированным нелинейным реактивным элементам, применение которых позволит улучшить характеристики устройств радиопередающей аппаратуры;

• рассмотрены устройства на переключаемых конденсаторах, бесфильтровые умножители частоты, устройства на синтезированных нелинейных реактивных и ферромагнитных элементах с ортогональными полями или управлением, которым в отечественной учебной литературе практически не уделено внимания;

• достаточно обстоятельно и подробно рассмотрен компенсационный способ подавления побочных гармоник, использование которого в аналоговых устройствах позволяет исключить фильтры, что сопутствует улучшению их показателей и характеристик;

• использован общий подход к рассмотрению вопросов схемотехники цифровых фильтров и фильтров на переключаемых конденсаторах.

Структура и содержание учебника. Учебник содержит вводную главу 1 и тринадцать глав, которые разбиты на три раздела: аналогоимпульсные устройства (гл. 2—8), цифровые устройства (гл. 9—12) и аналого-цифровые устройства (гл. 13—14).

В главе 1 приведены общие сведения об электронных устройствах: особенности схемной реализации, их классификация и сравнительная оценка.

В первом разделе рассмотрены вопросы полупроводниковой электроники, различные типы усилительных устройств, автогенераторы, преобразователи и умножители частоты, модуляторы и детекторы, импульсные устройства и устройства источников питания, операционные усилители, компараторы, нелинейные реактивные элементы и узлы на их основе.

Второй раздел посвящен схемотехнике цифровых устройств комбинационного и последовательностного типов, запоминающим устройствам и устройствам с программируемой структурой.

В третьем разделе с единых позиций изложены вопросы схемотехники устройств дискретной обработки аналоговых сигналов.

Рассмотрены особенности их схемной реализации с помощью цифровых узлов и цепей с переключаемыми конденсаторами. Достаточно подробно рассмотрены вопросы схемотехники ЦАП и АЦП.

Оформление пособия. Для лучшего восприятия и понимания сути излагаемых вопросов материал учебного пособия подробно структурирован, использованы текстовые выделения, приведено большое количество иллюстраций. Имеется алфавитный указатель наиболее важных понятий и терминов. При написании пособия большое внимание уделено выбору содержания тем и последовательности их изложения.

Приведенный в учебнике материал поможет студентам сформировать целостное представление об основных концепциях и общих тенденциях развития полупроводниковой электроники и схемотехники и может быть полезен преподавателям вузов и колледжей.

К сожалению, огромная по содержанию дисциплина «Электроника и схемотехника» резко контрастирует с объемом часов, выделенных в учебных планах на ее изучение. Для компромиссного решения этого вопроса целесообразно в процессе изучения дисциплины использовать пакеты программ схемотехнического моделирования, что будет способствовать быстрому освоению и более глубокому пониманию материала. Ограниченный объем книги не позволил включить в нее раздел по компьютерному моделированию электронных устройств. Сведения по пакетам программ схемотехнического моделирования и использованию их в учебных целях можно найти в ранее изданных учебниках автора [60, 62].

В результате успешного изучения дисциплины студент должен:

знать • основные понятия, определения и терминологию дисциплины, основные этапы и современные тенденции развития электроники и схемотехники;

• основы физики полупроводников;

• образование, основные состояния и свойства электронно-дырочного перехода;

• физические структуры и основные типы полупроводниковых приборов, их свойства и характеристики;

• основные типы нелинейных реактивных элементов (НРЭ), их свойства и области применения; принципы построении синтезированных НРЭ, особенности ферромагнитных НРЭ с ортогональными полями;

• назначение, основные характеристики, схемные особенности и области применения операционных усилителей (ОУ) и компараторов;

• принципы построения узлов различного функционального назначения на основе ОУ;

• схемотехнику активных фильтров на ОУ;

• назначение, основные типы, выполняемые функции, характеристики и области применения аналоговых, импульсных и цифровых устройств, устройств с программируемой структурой, устройств дискретной обработки аналоговых сигналов, устройств на переключаемых конденсаторах и нелинейных реактивных элементах, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей;

• принципы построения и работы базовых функциональных узлов электронной аппаратуры, особенности протекающих в них процессов, основные способы и средства схемотехнического моделирования и проектирования;

уметь • технически грамотно использовать литературные источники и периодические издания для решения поставленных задач;

• проводить технико-экономическое обоснование проектных расчетов с использованием современных подходов и методов;

• разрабатывать технические задания на проектирование функциональных узлов электронной аппаратуры;

• осуществлять обоснованный выбор структурных и принципиальных схем электронных устройств;

• работать с современной элементной базой электронной аппаратуры: пользоваться справочниками и технической документацией, оценивать и сопоставлять электрические характеристики, осуществлять правильный выбор полупроводниковых приборов и интегральных схем с учетом эксплуатационных требований и требований экономической эффективности;

владеть • навыками самостоятельной работы с общетехнической, специальной и справочной литературой в области электроники и схемотехники;

• навыками оценки характеристик электронных устройств на базе современной элементной базы по комплекту документации;

• навыками чтения и составления принципиальных схем базовых функциональных узлов, а также построения временных диаграмм, отражающих их работу.

Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору В. А. Кузовкину, доктору технических наук, профессору В. В. Масленникову и доктору технических наук, профессору В. И. Нефедову за обсуждение ряда вопросов и внимательное рецензирование, приведшие к улучшению учебника.

ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОНИКУ И СХЕМОТЕХНИКУ

Электроника — это область науки и техники, связанная с исследованием, разработкой электровакуумных и полупроводниковых приборов и их применением в устройствах различного назначения.

Под устройством будем понимать:

• функциональный узел, построенный на основе интегральных схем, транзисторов, полупроводниковых диодов, резистивных, емкостных, индуктивных и других элементов. Каждый функциональный узел выполняет определенное возлагаемое на него простейшее преобразование (или операцию) над входным сигналом. Примерами функциональных узлов могут служить усилительный каскад, генератор прямоугольных импульсов или триггер, позволяющий хранить один разряд двоичного числа (бит);

• совокупность функциональных узлов, выполняющая более сложные преобразования сигналов или несколько операций. Например, преобразователь частоты содержит генератор гармонических колебаний и перемножитель (смеситель) преобразуемого сигнала с выходным сигналом генератора. Другим примером может служить счетчик, составленный по определенным правилам из нескольких триггеров. Помимо хранения информации счетчик ведет счет импульсов, поступающих на его вход.

Сигналом называют физический процесс (или явление), несущий сообщение (информацию) о самом процессе, каком-либо событии, состоянии объекта наблюдения либо передающий команды управления, указания, оповещения. Типичными для электронных устройств сигналами являются напряжения на входных и выходных зажимах или токи входной и выходной цепи устройства. Такие сигналы называются электрическими. С помощью входных и выходных сигналов можно определить вид функционального преобразования, выполняемого устройством, а также его основные параметры и характеристики. Создание модели физического сигнала является первым существенным шагом на пути систематического изучения свойств электронных устройств и протекающих в них процессов. Располагая математическими моделями (описаниями) сигналов, можно сравнивать их между собой, устанавливать сходство и различие, разделять на отдельные классы.

С точки зрения непрерывности сигналов как функции времени выделяют два основных класса сигналов:

• континуальные (от лат. continuum — непрерывный) сигналы.

Как правило, физические процессы реальных объектов порождают сигналы в виде непрерывной функции времени sa(t). Сигналы этого класса принято называть аналоговыми сигналами (АС). Название отражает то обстоятельство, что сигнал является аналогом реального физического процесса. Аналоговые сигналы используются в аппаратуре радиосвязи и телевидения, звуковоспроизводящей аппаратуре, аппаратуре магнитной записи и др.;

• дискретные (от лат. diskretus — разделенный, прерывистый) сигналы. Дискретный сигнал (ДС) можно рассматривать как математическую модель АС sа(t), значения которого определены только в некоторые строго фиксированные моменты времени t = tn (n = … –2, –1, 0, 1, 2, …). Отдельный подкласс ДС образуют квантованные сигналы, амплитуда которых может принимать только дискретные значения kh, где k = 0, 1, 2, …; h — шаг квантования по уровню. При квантовании по уровню каждому отсчету можно поставить в соответствие некоторое число, а последовательности отсчетов — совокупность чисел. Дискретные сигналы, представленные совокупностью чисел, называют цифровыми сигналами (ЦС). На практике цифровые сигналы описывают двоичными числами, состоящими из нулей и единиц, и представляют в виде импульсной последовательности, что обусловлено рядом факторов, важнейшим из которых является простота их технической реализации и обработки.

Промежуточное место между континуальными и дискретными сигналами занимают импульсные сигналы. Если сигналы трапецеидальной, колоколообразной, пилообразной формы или радиоимпульсы являются континуальными сигналами, то сигналы прямоугольной формы можно отнести к ДС. Прямоугольные импульсы, полученные путем дискретизации АС, используются в фильтрах на переключаемых конденсаторах.

1.2. Основные этапы развития электроники и схемотехники В зависимости от используемых электронных компонентов (элементной базы) выделим следующие этапы развития электронных приборов и устройств.

Первый этап (1900—1950 гг.). Характерная особенность этого этапа — использование электронных ламп в качестве активных элементов. Пассивными элементами служили резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы. Соединение элементов осуществлялось с помощью проводов. Устройства имели большие габариты и массу. Плотность монтажа составляла 0,001—0,003 элемента/см3. На этом этапе были разработаны основные теоретические положения и решены многие вопросы схемотехники для различных областей применения устройств радиотехники и вычислительной техники.

Второй этап (1950—1970 гг.). На этом этапе разрабатывались и производились электронные устройства на полупроводниковых диодах и транзисторах. Сборка устройств осуществлялась автоматически с применением печатного монтажа. Полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагались на печатной плате.

Соединение элементов осуществлялось путем нанесения медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку в соответствии со схемой устройства. Плотность монтажа составляла около 0,5 элемента/см3.

Третий этап (1970—1980 гг.) знаменовался переходом от дискретных элементов к интегральным схемам, содержащим от десятков до нескольких тысяч транзисторных структур на одном кристалле площадью порядка одного квадратного сантиметра. Основу элементной базы устройств составляли интегральные схемы и микросборки. Интегральная схема представляла собой более или менее законченный функциональный узел, изготовленный на подложке в едином технологическом цикле и требующий навесных элементов. На этом этапе широко использовались блочные конструкции электронных устройств, составленные из набора печатных плат, на которых смонтированы интегральные схемы и микросборки. Плотность монтажа составляла до 50 элементов/см3. Внедрение интегральных схем помимо уменьшения габарита, массы и энергопотребления привело к резкому повышению надежности электронных устройств.

Четвертый этап (1980—2000 гг.). Его главная особенность состояла в применении больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС) с плотностью монтажа, превышающей 108 элементов/см3. В состав таких интегральных схем входят отдельные функциональные узлы, а в целом СБИС представляет собой готовое электронное устройство, позволяющее осуществить прием, хранение, обработку или передачу информации. Появление и внедрение микропроцессоров привело к резкому ускорению темпов развития компьютерной техники. Появились современные компьютеры, имеющие малые габариты и низкую стоимостью, обладающие высокой надежностью и производительностью, многократно превышающую производительность ЭВМ первых поколений.

Пятый этап (с 2000 г. по настоящее время). Продолжается процесс интенсивного развития интегральной схемотехники, который идет по пути освоения новых технологий, уменьшения технологических норм проектирования, повышения рабочих частот, расширения функциональных возможностей и широкого их внедрения в аппаратуру различного назначения (компьютеры и телекоммуникационные сети, системы спутниковой связи, телевидение, бытовая техника и др.).

Уменьшение проектных норм до десятков нанометров позволяет размещать на кристалле сотни миллионов транзисторных структур и объединять их в законченные узлы различного функционального назначения, что привело:

• к повышению тактовой частоты обработки цифровой информации до единиц (и более) гигагерц, благодаря высокой плотности упаковки и отсутствию межсоединений;

• дальнейшему развитию и совершенствованию микросхем с программируемой структурой;

• появлению нового класса перспективной элементной базы, называемой «системы-на-кристалле» (system-on-chip — SoC). Внедрение SoC требует качественно новой методологии проектирования, основанной на многократном использовании так называемых IP-блоков (intellectual property — блоков интеллектуальной собственности);

• дальнейшему развитию, совершенствованию и широкому внедрению различных многопроцессорных вычислительных систем параллельного действия [50].

Развитие запоминающих устройств направлено на увеличение емкости, повышение быстродействия, снижение потребляемой мощности и стоимости, а также обеспечение энергонезависимости. Для этого используются новые физические явления и перспективные технологии, к которым следует отнести [83]:

• два вида технологий, основанных на использовании ферроэлектрических явлений. Элементы памяти FRAM (ferroelectric) строятся на основе бистабильного атома, диполи которого могут занимать два пространственных положения, соответствующих логическому нулю и логической единице. Положение диполей можно изменять с помощью внешнего электрического поля. Элементами памяти PFRAM (polymeric ferroelectric) служат диполи, расположенные на полимерной пленке и разделенные перпендикулярными разрядными и словарными линиями. Достоинствами технологий являются энергонезависимость, высокая скорость чтения и записи, практически неограниченное число циклов чтения/записи, малая площадь элемента памяти на кристалле, высокая радиационная стойкость, малые напряжение питания и потребляемая мощность;

• технологию MRAM (magnetic RAM), основанную на способности особой структуры из ферромагнетика изменять свое сопротивление при изменении намагниченности. Достоинствами памяти MRAM являются неограниченный ресурс перезаписи и весьма ма-