Электроника учебное пособие

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет

С. Г. МОСИН

Э Л Е К Т Р О Н И К А

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ВЛАДИМИР 2006

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Электроника – область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных устройств, а также принципы их использования. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением изделий электроники и микроэлектроники в различных областях человеческой деятельности. Причем тенденция такого бурного роста в первую очередь связана с развитием интегральных технологий, внедрение которых позволяет обеспечивать массовый выпуск разнообразных недорогих и надежных электронных приборов и функциональных блоков.

Электронику принято разделять на аналоговую и цифровую; энергетическую и информационную. Аналоговая электроника охватывает только те электронные устройства, которые предназначены для преобразования и обработки непрерывно изменяющейся информации. Цифровая электрони- ка рассматривает устройства для преобразования и обработки дискретно изменяющейся информации. Энергетическая электроника связана с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики. Информационная электроника использует электронные устройства, обеспечивающие измерения, контроль и управление различными процессами.

Настоящий курс лекций подготовлен в соответствии с программой дисциплины «Электроника», читаемой студентам, обучающимся по направлению 230100 – «Информатика и вычислительная техника» (бакалавриат, магистратура) и специальности 230101 – «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». В результате изучения курса студенты долж-

ны знать:

∙классификацию и назначение основных приборов, принцип действия которых основан на протекании электрического тока в различных средах;

∙физические основы их работы, характеристики, основные параметры и эквивалентные схемы электронных приборов;

5

∙типовые схемотехнические решения схем усилителей, источников питания, генераторов, электронных ключей;

∙виды обратной связи в усилительных устройствах;

∙структуру, основные параметры и характеристики операционных усилителей и схем на их основе;

∙базовые логические элементы, свойства и характеристики современных интегральных систем элементов;

∙методы и средства автоматизации схемотехнического проектирования электронных схем.

Должны уметь:

∙использовать различные электрические и электронные элементы схем и устройств;

∙оценивать параметры электронных приборов в зависимости от особенностей их применения;

∙анализировать работу электронных схем;

∙правильно выбирать усилительные приборы и рассчитывать параметры пассивных компонентов;

∙работать с технической и справочной литературой.

«Электроника» является первой дисциплиной аппаратного направления при подготовке студентов направления 230100. Основные знания, полученные в рамках данного курса, будут необходимы для изучения последующих дисциплин: «Схемотехника ЭВМ», «Организация ЭВМ и систем», «Микропроцессорные системы высокой производительности» и «Компьютерные сети».

6

ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

§ 1.1. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Всякая электрическая цепь состоит из активных и пассивных элементов. Активными элементами электрической цепи считаются зависимые и независимые источники электрической энергии. К зависимым источникам относятся электронные лампы, транзисторы, операционные усилители. К независимым источникам относятся аккумуляторы, электрогенераторы, термоэлементы, пьезодатчики и другие преобразователи.

К пассивным относятся элементы, в которых энергия рассеивается (резистор) или накапливается (емкость и индуктивность).

Резистивное сопротивление (R) – идеализированный элемент, обладающий только свойством необратимого рассеивания энергии (Wэл à Wt°C). Условное обозначение резистивного сопротивления показано на рисунке, вид а. Математическая модель, описывающая свойства резистивного сопротивления, определяется законом Ома:

u = Ri или i = Gu,

где R – сопротивление, Ом; G = 1/R – проводимость, См.

Емкостным элементом называют идеализированный элемент электрической цепи, обладающий только свойством накапливать энергию электрического поля (Wэл à WС). Условное обозначение индуктивного элемента изображено на рисунке, вид б. Математическая модель, описывающая свойства емкостного элемента, определяется вольт-кулонной характеристикой:

q = Cu.

Коэффициент пропорциональности C (Ф) в формуле называется емкостью и является количественной характеристикой емкостного элемента. Между током и напряжением на емкостном элементе существует связь, определяемая как

7

i = dqdt = C dudt ,

т.е. ток в емкостном элементе пропорционален скорости изменения приложенного к нему напряжения. При постоянном напряжении (u = const), емкостной элемент по своим свойствам эквивалентен разрыву цепи (i = 0).

Условные обозначения пассивных элементов: а – резистор; б – емкость; в – индуктивность

Индуктивным элементом L называют идеализированный элемент электрической цепи, обладающий только свойством накопления им энергии магнитного поля (Wэл à WL). Условное обозначение индуктивного элемента изображено на рисунке, вид в. Математическая модель, описывающая свойства индуктивного элемента, определяется соотношением:

Ψ = Li,

где Ψ – потокосцепление, характеризующее суммарный магнитный поток, пронизывающий катушку

n

Ψ = åΦk ,

k=1

где n – число витков катушки; к – номер витка, с которым сцеплен поток Φk , Вб. Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью, Гн. Связь между током и напряжением на индуктивном элементе определяется согласно закону электромагнитной индукции выражением

u = ddtΨ = L dtdi ,

т.е. напряжение на индуктивном элементе пропорционально скорости изменения тока в нем. Следовательно, при протекании через L постоянного тока свойства индуктивного элемента эквивалентны короткозамкнутому участку (u = 0).

8

В инженерной практике резистивное сопротивление, емкостной и индуктивный элементы часто называют просто сопротивлением, емкостью и индуктивностью, отождествляя элементы с их параметрами. Рассмотренные идеализированные резистивный, индуктивный и емкостной элементы могут служить простейшими моделями резисторов, электрических конденсаторов с высокими диэлектрическими свойствами и высококачественных катушек индуктивностей с малыми потерями в области низких и средних частот. В области высоких, а особенно сверхвысоких частот модели этих компонентов становятся более сложными.

§ 1.2. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ: ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПАРАМЕТРЫ, ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ

Электронными приборами называются устройства, работа которых основана на законах движения носителей электрического заряда в вакууме, газе или твердом теле. Характерной особенностью большинства электронных приборов (ЭП) является резко выраженная нелинейная связь между напряжением, приложенным к каким-либо электродам прибора, и током в цепи этих электродов. Графическая или аналитическая зависимость между напряжением и током называется статической или просто вольт-амперной характеристикой (ВАХ). ВАХ – важнейшая характеристика электронных приборов, поскольку она отражает некоторые физические явления, которые определяют работу прибора.

Разнообразие типов электронных приборов, известных на сегодняшний день, вызывает необходимость их классификации. Существует большое количество разных признаков, отличающих группы ЭП. Рассмотрим лишь две системы классификации.

В первой системе классификационным признаком считается среда, в которой происходит движение электрических зарядов. По этому признаку ЭП делятся на электровакуумные и полупроводниковые. Иногда группу электровакуумных приборов подразделяют на две подгруппы: собственно электровакуумные и газонаполненные.

9