Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

..pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
15.05 Mб
Скачать

В. А. Кузовкин

ЭЛЕКТРОНИКА

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, МИКРОСХЕМОТЕХНИКА, ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям и специальностям техники и технологии

Москва

Логос

2005

Новая

Университетская

Библиотека

Каменистые тропы науки - это горы литературы, уступы книг, которые нужно прочесть, усвоить. Но книги - это путеводитель, по которому можно ориентироваться на дорогах науки.

А .Я . Янш ин, академик

у д а 621.38 ББК 32.85 К89

Рец ен зен ты

М.В. Н емцов, доктор техн. наук, профессор (Московский инженерно-физической институт)

Ю.А. Казанцев, доктор техн. наук, профессор (Московский энергетический институт)

Кузовкин В.А.

К89 Электроника: Учебник. - М.: Логос, 2005. - 328 с.:ил.

I S B N 5 - 9 8 7 0 4 - 0 2 5 - 6

Рассмотрены принципы построения, основы функционирования, характеристики и способы описания электронных приборов и уст­ ройств. Приведены базовые методы анализа сигналов в электронных системах. Показаны электрофизические явления и эффекты, заложен­ ные в основу создания полупроводниковых оптоэлектронных прибо­ ров; представлены способы построения элементной базы аналоговых и цифровых устройств и даны принципы действия информационных и силовых полупроводниковых преобразователей, а также сложных элек­ тронных устройств и средств отображения.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по на­ правлениям и специальностям техники и технологии. Представляет ин­ терес для специалистов, разрабатывающих изделия с электронным управлением.

ББК 32.85

ISBN 5-98704-025-6

© Кузовкин В.А., 2005

 

© «Логос», 2005

 

© Университетская книга, 2005

Список сокращений..........................................................................................................................

?

Введение...............................................................................................................................................

9

Глава 1. Электронные средства и их описание

 

1.1. Основные понятия электроники и роль электронных средств.............................

10

1.2. Способы описания элементов электронных устройств

12

1.3. Электротехнические материалы в электронике.......................................................

16

1.4. Пассивные элементы электронных устройств.............

19

1.5. Электрические переходы и приборы на их основе.................................................

22

1.6. Управляемые полупроводниковые приборы...........................................................

24

Контрольные вопросы..........................................................................................................

30

Глава 2. Методы анализа электронных систем

 

2.1. Сигналы и их описание...............................................................................................

31

2.2. Методы анализа резистивных цепей ......................................................................

38

2.3. Динамические характеристики электронных устройств

44

Контрольные вопросы

50

Глава 3. Интегральная микроэлектроника

 

3.1. Процесс изготовления интегральных микросхем

51

3.2. Транзисторные каскады

57

3.5. Источники напряжения и тока.................................................................................

65

Контрольные вопросы

68

Глава 4. Элементы оптоэлектроники

 

4.1. Определение, основные характеристики и параметры.......................................

69

4.2. Источники излучения

71

4.3. Приемники излучения.................................................................................................

74

4.4. Оптоэлектронные приборы, элементы и световоды

77

Контрольные вопросы

79

Глава 5. Усилители - базовые элементы устройств

 

5.1. Структура, параметры и модели усилителей

80

5.2. Усилительные каскады ..............................................................................................

83

5.3. Операционные усилители..........................................................................................

89

5.4. Параметры усилителей с обратными связями

94

Контрольные вопросы

98

Глава 6. Элементная база цифровых устройств

 

6.1. Цифровые системы и их элементы

99

6.2. Серии логических элементов и основные параметры

104

6.3. Запоминающий элемент

108

Контрольные вопросы

111

Глава 7. Комбинационные узлы цифровых устройств

 

7.1. Описание и основы синтеза комбинационных узлов

112

7.2. Арифметические устройства...................................................................................

116

7.3. Преобразователи кодов

123

7.4. Распределители и коммутаторы

126

Контрольные вопросы

130

'лава 8. Последовательностные устройства

 

8.1. Структура и описание последовательностных устройств

131

8.2. Триггерные системы (триггеры)

133

8.3. Регистры

139

8.4. Счетчики

142

Контрольные вопросы

145

"лава 9. Запоминающие устройства

 

9.1. Типы, структура и параметры запоминающих устройств.............................

146

9.2. Оперативные запоминающие устройства

152

9.3. Постоянные запоминающие устройства

159

9.4. Построение ЗУ с заданными свойствами

163

Контрольные вопросы

169

"лава 10. Программируемые логические устройства

 

10.1. Универсальные и специализированные ИМС

170

10.2. Базовые матричные кристаллы

175

10.3. Программируемые пользователем интегральные схемы...............................

178

Контрольные вопросы

183

Глава 11. Микропроцессоры и системы на их основе

 

11.1. Микропроцессор как элемент вычислительной системы

184

11.2. Структура микропроцессора и основные параметры

189

11.3. Микропроцессорные системы

193

11.4. Сигнальные процессоры и мультипроцессорные системы...........................

202

Контрольные вопросы

206

Глава 12. Аналоговые преобразователи сигналов

 

12.1. Принципы построения преобразователей........................................................

207

12.2. Линейные преобразователи...................................................................................

211

12.3. Нелинейные преобразователи и формирователи сигналов...........................

218

12.4. Генераторы и триггерные устройства ..............................................................

225

Контрольные вопросы

235

Глава 13. Энергетические преобразователи

 

13.1. Определение, основные параметры и классификация ..................................

236

13.2. Силовые полупроводниковые приборы............................................................

240

13.3. Типовые энергетические преобразователи.......................................................

250

13.4. Силовое оборудование и источники электропитания....................................

266

Контрольные вопросы

274

Глава 14. Дискретно-аналоговые устройства

 

14.1. Дискретные преобразователи аналоговых сигналов .....................................

275

14.2. Цифроаналоговые преобразователи..................................................................

283

14.3. Аналого-цифровые преобразователи ................................................................

291

14.4. Устройства на переключаемых конденсаторах..............................................

303

Контрольные вопросы

307

Глава 15. Системы отображения информации

 

15.1. Устройства и элементы индикации.....................................................................

308

15.2. Устройства отображения на ЭЛТ

311

15.3. Жидкокристаллические индикаторы и дисплеи

316

15.4. Плазменные элементы и панели .........................................................................

321

15.5. Типы и основные параметры систем отображения........................................

323

Контрольные вопросы

326

Литература

327

 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

имс

-

интегральная микросхема

эдс

-

электродвижущая сила

БТ

 

биполярный транзистор

ОБ

 

общая база

ОЭ

-

общий эмиттер

ОК

-

общий коллектор

мпд

структура «металл-диэлектрик-полупроводник»

АИМ

-

амплитудно-импульсная модуляция

ФНЧ

-

фильтр низкой частоты

АЧХ

-

амплитудно-частотная характеристика

ФЧХ

-

фазочастотная характеристика

ЛАЧХ -

логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

САПР -

система автоматизированного проектирования

БИС

-

большая интегральная схема

СБИС

-

сверхбольшая интегральная схема

дк

-

дифференциальный каскад

лэ

 

логический элемент

пт

 

полевой транзистор

ЭС

 

электронная схема

воле -

волоконно-оптическая линия связи

эли

-

электролюминесцентный излучатель

кпд

-

коэффициент полезного действия

вок

волоконно-оптический кабель

ду

-

дифференциальный усилитель

ОУ

 

операционный усилитель

АФЧХ -

амплитудно-фазочастотная характеристика

ИТУН -

источник тока, управляемый напряжением

ИНУН -

источник напряжения, управляемый напряжением

ИОУ

-

идеальный операционный усилитель

ос

 

обратная связь

оос

-

отрицательная обратная связь

пос

положительная обратная связь

мэт

 

многоэмиттерный транзистор

штл

-

(элемент) Шотгки транзисторной логики

эсл

эмиттерно-связанная логика

тлпт

 

транзисторная логика на переключателях тока

ТТЛ

 

(элемент) транзисторно-транзисторной логики

зэ

 

запоминающий элемент

ЯП

 

ячейка памяти

КЦУ

-

комбинационные цифровые устройства

СДНФ -

совершенная дифъюнктивная нормальная форма

АЛУ

 

арифметико-логическое устройство

ПЦУ

-

последовательное цифровое устройство

пэлемент памяти

ЗУ

-

оперативное запоминающее устройство

ОЗУ

-

сверхоперативное запоминающее устройство

13У

-

постоянное запоминающее устройство

ЗУ

-

буферное запоминающее устройство

ввустройство ввода-вывода

ЦПЭ

-

 

центральный процессорный элемент

в

-

 

головка воспроизведения

:мп

 

сигнальный микропроцессор

лпвс-

 

многопроцессорные вычислительные системы

щп

-

 

аналого-цифровой преобразователь

\АП

-

 

цифроаналоговый преобразователь

дпэ

-

 

центральный процессорный элемент

чэн

-

 

регистр обшего назначения

соп

-

 

код операции

1ПФ

-

 

полосно-пропускающий фильтр

DB4

-

 

фильтр верхних частот

ЗАХ

-

 

вольт-амперная характеристика

"ЛИН -

 

генератор линейно изменяющегося напряжения

эп

 

 

энергетический преобразователь

№ВЭП -

 

источник вторичного электропитания

ЦВУ

-

 

цифровое вычислительное устройство

цпк

-

 

цепь с переключаемыми конденсаторами

УПО

-

 

устройство предварительной обработки

ПК

 

 

переключаемый конденсатор

ЭИ

 

 

элемент индикации

ЭЛТ

-

 

электронно-лучевая трубка

жк

-

 

жидкие кристаллы

ГЗ

 

 

головка записывающая

ЗУПВ

 

запоминающее устройство с прямой выборкой

зя

 

 

запоминающая ячейка

БМК

 

 

базовый матричный кристалл

ФЯ

 

 

функциональная ячейка

БЯ

 

 

базовая ячейка

плм

-

программируемая логическая матрица

плис

-

программируемая логическая интегральная схема

ФЛЭ

 

-

функциональный логический элемент

влп

 

-

выходной логический преобразователь

УУ- устройство управления

БВВ

-

блок ввода-вывода

КЛБ

-

конфигурируемый логический блок

пвм

-

программируемая вентильная матрица

ПК

-

персональный компьютер

шим

-

широтно-импульсный модулятор

мк

-

микроконтроллер

Научно-технический прогресс в сфере электроники в растущей мере определяет типы развития общества и производства.

Инженеры и другие технические специалисты, занимающиеся про­ ектированием и эксплуатацией промышленных систем, должны быть зна­ комы с принципами работы электронных управляющих устройств, встро­ енных в технологическое оборудование и приборы. Это обусловило вклю­ чение в учебные планы всех технических направлений и специальностей в области техники и технологии раздела (курса) электроники в составе дис­ циплины (комплекса дисциплин) «Электротехника и электроника». Разно­ образная тематика в области теоретической электротехники, электромеха­ ники, электроники и электроизмерений в рамках небольшого числа учеб­ ных часов, отведенных на их изучение, может быть усвоена только при наличии полноценного методического обеспечения всех разделов.

В учебнике «Электроника» автор поставил целью с единых позиций рассмотреть принципы функционирования электронных устройств и соз­ дания на этой основе их моделей. Изложение построено с учетом того, что при проектировании используются, как правило, готовые функционально завершенные и конструктивно оформленные блоки для построения систе­ мы. Поэтому основное внимание уделено не расчету отдельных устройств, а описанию принципов функционирования и характеристик изделий.

Многообразие электронных средств обусловило подход к подаче ма­ териала, основанный на принципах типичности, т.е. повторяемости при­ знаков для устройств определенного класса (рассматриваются устройства, в которых детально раскрываются характерные черты целой группы); дифференциаг^ии материала, т.е. выделения фундаментальных признаков и характеристик класса; описании основных физических явлений, схемных моделей и конструкционно-технологических решений; использования справочных данных и параметров конкретных устройств из рассматри­ ваемой группы для иллюстративных примеров.

Теоретической основой исследования электронных устройств явля­ ются методы анализа электрических и электронных цепей. Для удобства изучения вначале приведены краткие сведения из теории электронных це­ пей и сигналов, необходимые для описания принципов работы и модели­ рования устройств.

Учебник отражает все разделы типовой учебной программы по элек­ тронике с учетом особенностей современного этапа разработки электрон­ ных изделий на основе функционально завершенных и конструктивно оформленных блоков. Предлагаемый учебник является вторым из цикла учебных изданий в области электротехники и электроники. Первая книга - «Теоретическая электротехника» была выпущена автором в издательстве «Логос» 2002 г. Она была хорошо встречена в высших заведениях и неод­ нократно допечатывалась.

Глава 1

ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА И ИХ ОПИСАНИЕ

1.1. Основные понятия электроники и роль электронных средств

Электронные средства широко используются во многих сферах че­ ловеческой деятельности, таких, например, как автоматизированное про­ изводство и проектирование, управление бытовыми приборами, авто­ транспорт, медицинская диагностика. Роль электроники определяется ее существенным вкладом в развитие практически всех направлений науки и техники, характеризующих индустриальный потенциал общества.

Э л е к т р о н и к а - это область науки, изучающая взаимодействие электрических зарядов и электромагнитного поля в различных средах (ва­ кууме, твердом теле, газе, плазме) при электрических, оптических, тепло­ вых и других воздействиях. Целью исследований является создание элек­ тронных приборов.

Э л е к т р о н н ы м с р е д с т в о м (прибором) называют изделие и его составные части, в основе функционирования которых лежат принци­ пы и явления электронного взаимодействия.

Электронная промышленность как отрасль техники занимается раз­ работкой и созданием электронной аппаратуры различного назначения - от систем управления мощными электродвигателями до вычислительных се­ тей и систем спутниковой связи. За более чем столетний период своего развития с момента открытия в 1883 г. Т. А. Эдисоном явления термоэлек­ тронной эмиссии до наших дней сменилось несколько поколений элек­ тронных изделий, отличающихся принципами действия, функциональны­ ми возможностями, конструктивно-технологическим исполнением и спо­ собами их объединения в функциональные блоки и системы.

Свойства разнообразных электронных устройств определяются единством трех составляющих: схемного построения, элементной (техно­ логической) базы и конструктивного исполнения.

Первое поколение электронных средств характеризовалось преиму­ щественным использованием в качестве активных элементов электроваку­ умных приборов. Электронная аппаратура представляла собой совокуп­ ность электронных ламп и пассивных элементов (резисторов, конденсато­ ров, катушек), закрепленных на специальных панелях и объединенных в электрическую схему посредством проволочных проводников. Вакуумные приборы имели значительные габариты и небольшой срок службы.

Соседние файлы в папке книги