Електротехніка
та
Електроніка
Навчальний посібник з електротехнічних дисципін для студентів
національного транспортного університету
ЧАСТИНА 2
Київ 2011
Г
.В.Карандаков,
В.І.Кривенко
Електротехніка
та
Електроніка
Навчальний посібник з електротехнічних дисципін для студентів
національного транспортного університету
ЧАСТИНА 2
Київ
Видавництво Національного транспортного університету
2011
У ДК 621.3
Рецензенти:
Керівник відділення гібридних моделюючих та керуючих систем в енергетиці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України, член-кореспондент НАН України, докт. техн. наук Васильєв В.В.
Завідувач кафедри електричного транспорту Харківської національної академії міського господарства, професор, док. техн. наук Далека В.Х.
Карандаков Г.В., Кривенко В.І. Електротехніка та електроніка: навчальний посібник з електротехнічних дисциплін для студентів Національного транспортного університету: В 3 частинах: ч. 2 / Під ред. Г.В.Карандакова. – Київ: Вид-во Національного транспортного університету, 2011. – 276 с.
Навчальний посібник з електротехнічних дисциплін містить розширене подання лекційного матеріалу з дисциплін «Електротехніка і електроніка», «Електротехніка, електроніка і мікропроцесорна техніка», «Електротехніка в будівництві», «Схемотехніка ЕОМ», «Радіоелектроніка» а також матеріал зазначених дисциплін за темами, які винесені для самостійного вивчення. Призначений для студентів напрямків «Машинобудування», «Будівництво», «Комп’ютерні науки», «Геодезія, картографія та землеустрій».
В другій частині розглядаються напівпровідникові прилади та пристрої, елементи мікропроцесорної техніки, зокрема, логічні комбінаційні елементи та логічні елементи із програмованою логікою.
У підготовці посібника до видання істотну допомогу надавали викладачі кафедри електроніки та обчислювальної техніки – ст. викладач В.К.Суботіна і ас. О.П.Пальчик, за що автори висловлюють їм щиру подяку.
ЗМІСТ
ЗМІСТ 4
Вступ 6 зм 1. Електричні властивості напівпровідників 9
1.1. Основи зонної теорії твердого тіла. 9
1.2. Електропровідність напівпровідників. 13
1.2.1. Власна електропровідність напівпровідників 14
1.2.2. Домішкова електропровідність напівпровідників 15
1.2.3. Ефекти, що пов’язані з електропровідністю напівпровідників 16
1.3. Властивості електронно-діркового переходу. 19
1.3.1. Формування електронно-діркового переходу. 19
1.3.2. Властивості n-p переходу при підключенні зовнішньої напруги 20
1.3.3. Тунельний ефект 22
1.4. Питання для самоперевірки. 25
Зм 2. Напівпровідникові прилади 26
2.1. Напівпровідникові діоди 26
2.1.1. Випрямляючі діоди 28
2.1.2. Стабілітрони і схеми стабілізації напруги. 33
2.1.3. Варикапи 35
2.1.4. Тунельні діоди 38
2.1.5. Інші види діодів 39
2.2. Біполярні транзистори і їх використання в електронних пристроях 41
2.2.1. Устрій та принцип роботи біполярного транзистора. 41
2.2.2. Режими роботи біполярного транзистора. 45
2.2.3. Схеми включення транзисторів. 46
2.2.4. Вольт-амперні характеристики біполярних транзисторів та режими роботи (на прикладі n-p-n транзисторів). 49
2.2.5. Транзистор як активний чотирьохполюсник. 55
2.3. Уніполярні транзистори. 58
2.4. Тиристори 66
2.5. Питання для самоперевірки. 75
Зм 3. Електронні пристрої 79
3.1. Випрямлячі змінного струму. 79
3.2. Підсилювачі електричних сигналів. 87
3.2.1. Загальна інформація. 87
3.2.2. Характеристики підсилювачів 90
3.2.3. Зворотний зв’язок в підсилювачах. 95
3.2.4. Схеми підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах. 100
3.2.5. Особливості роботи схеми попередніх каскадів підсилювача. 100
3.2.6. Режими роботи підсилюючих елементів. 104
3.2.7. Особливості роботи схеми кінцевого каскаду підсилювача. 108
3.2.8. Складені транзистори. 115
3.2.9. Спеціальні види підсилювачів. 116
3.3. Транзисторні генератори електричних сигналів. 130
3.3.1. Генератори синусоїдальних коливань. 131
3.3.2. Генератори імпульсів складної форми. 146
3.3.3. Генератори сигналів на операційних підсилювачах. 155
3.4. Питання для самоперевірки. 160
Зм 4. Електронні елементи мікропроцесорної техніки 164
4.1. Уявлення про мікропроцесорну техніку, мікропроцесорні засоби і мікропроцесорні системи. 164
4.2. Структура мікропроцесорної системи. 168
4.2.1. Загальне уявлення про мікропроцесорну систему. 168
4.2.2. Мікропроцесорні засоби в системах керування 172
4.3. Елементи математичного апарату цифрової техніки. 174
4.3.1. Системи числення. 174
4.3.2. Фізичне уявлення інформації в МП-системі. 177
4.3.3. Форми представлення чисел. 179
4.3.4. Кодування чисел в МП-системах 182
4.3.5. Поняття булевої змінної та булевої функції 185
4.3.6. Операції та закони булевої алгебри. 187
4.3.7. Функціонально повні системи булевих функцій. 192
4.3.8. Мінімізація булевих функцій. 196
4.4. Цифрові схеми та цифрові автомати. 201
4.4.1. Елементи РТЛ. 202
4.4.2. Елементи ДТЛ. 205
4.4.3. Елементи ТТЛ. 209
4.4.4. Елементи ЕЗЛ. 211
4.4.5. Інтегральні схеми на МОП–транзисторах. 213
4.5. Комбінаційні цифрові пристрої. 215
4.5.1 Дешифратор. 215
4.5.2. Перетворювачі кодів і шифратори. 220
4.5.3. Мультиплексори і демультиплексори. 223
4.5.4. Напівсуматор і суматор. 225
4.6. Послідовнісні пристрої. 226
4.6.1. Тригери. 226
Коментар 228
Коментар 231
Коментар 236
4.6.2. Регістри. 236
4.6.3. Лічильники. 243
4.6.4. Накопичуючі суматори. 249
4.6.5. Електронні елементи пам’яті. 252
4.6.6. Перетворювачі сигналів. 261
4.7. Питання для самоперевірки. 268
Додаток 271
Префікси для кратних одиниць 271
Список рекомендованої літератури 274
ЕЛЕКТРОНІКА
Вступ
Електроніка як наука займається вивченням електронних явищ і процесів, пов’язаних із зміною концентрації і переміщенням заряджених часток в різних середовищах (у вакуумі, газах, рідинах, твердих тілах) і умовах (при різній температурі, під впливом електричних і магнітних полів).
Задачами електроніки як галузі техніки (технічної електроніки) є розробка, виробництво і експлуатація електронних приладів і пристроїв самого різного призначення.
Можна назвати декілька основних напрямів, що характеризують сфери прикладення технічної електроніки. Кожний з цих напрямів, в свою чергу, має численні розгалуження. Це зв’язок, радіоелектронна апаратура широкого споживання, промислова електроніка (управління виробничими процесами, вимірювальна апаратура, пристрої електроживлення, промислове телебачення, автоматика, телеуправління, медична апаратура (діагностична, лікувальна, протезування і ін.), електротехнічне і енергетичне обладнання), спеціальна техніка (апаратура, що застосовується на транспорті, радіолокація і радіонавігація, інфрачервона техніка, обладнання космічних апаратів, оптичні квантові генератори, ультразвукова локація, ядерна електроніка, біологічна електроніка і т.д.), обчислювальна техніка і технічна кібернетики (електронні цифрові та аналогові обчислювальні машини, персональні мікрокомп’ютери, автоматизовані системи управління, автоматичні інформаційні системи, електронні навчальні і контролюючі машини і т.д.).
Виокремимо імпульсну електроніку – галузь технічної електроніки, в якій використовуються імпульсні режими роботи. При такому режимі роботи електронні пристрої зазнають дії електричних сигналів не неперервно, а в окремі моменти часу; в проміжку між ними сигнали відсутні або їх дія незначна і неістотна.
Ефективність електронної апаратури зумовлена високою швидкодією, точністю і чутливістю її елементів, найважливішими з яких є електронні прилади. За допомогою цих приладів можна порівняно просто і в багатьох випадках з високим коефіцієнтом корисної дії перетворювати електричну енергію за формою, величиною і частотою струму або напруги. Такий процес перетворення енергії здійснюється в багатьох схемах електронної апаратури (випрямлячах, підсилювачах, генераторах).
За допомогою електронних приладів вдається перетворювати неелектричну енергію в електричну і навпаки (наприклад, в фотоелементах, терморезисторах). Різноманітні електронні датчики і вимірювальні прилади дозволяють з високою точністю вимірювати, реєструвати і регулювати зміни всіляких неелектричних величин – температури, тиску, пружних деформацій, прозорості і т.д.
Процеси перетворення енергії в приладах електроніки відбуваються з великою швидкістю. Це зумовлене малою інерційністю, характерною для більшості електронних приладів, що дозволяє застосовувати їх в широкому діапазоні частот – від нуля до десятків і сотень гігагерц. При цьому досягається така висока чутливість, яка не може бути отримана в приладах іншого типу.
Сучасний етап розвитку електронної техніки характеризується значним ускладненням електронної апаратури. Звичайні (дискретні) компоненти електронних схем вже не можуть в повній мірі задовольнити вимоги різкого зменшення маси, габаритних розмірів і підвищення надійності електронних пристроїв.
Все більш широкий розвиток отримує мікроелектроніка – галузь електроніки, що займається мікромініатюризацією електронної апаратури з метою зменшення її об’єму, маси, вартості, підвищення надійності, швидкодії1 і економічності на основі комплексу конструктивних, технологічних і схемних методів.
Основною елементною базою сучасних електронних пристроїв є напівпровідникові прилади. Клас напівпровідникових приладів складають діоди, біполярні і польові транзистори, тиристори і інші прилади, принцип дії яких заснований на електрофізичних процесах в напівпровідниках.
До напівпровідників відносяться чисельні матеріали, які за багатьма ознаками займають проміжне становище між провідниковими і діелектричними. Найбільше застосування в напівпровідниковій техніці отримали кремній, германій, галій, селен і такі хімічні сполуки, як арсенід галію, карбід кремнію, сульфід кадмію і т. д. Напівпровідники відрізняються від інших твердих кристалічних матеріалів електропровідністю, енергетичним станом кристалів, характерною залежністю електричних властивостей від температури, випромінювань і інших зовнішніх впливів. Контролюючи електронні процеси – концентрацію, швидкість і напрям руху заряджених часток – за допомогою електричних і магнітних полів, можна, керувати електричним струмом в напівпровідникових приладах.
Вивчення властивостей цих часток і їх поведінки в різних умовах є необхідною передумовою для розуміння роботи різноманітних електронних елементів.
Теорія фізичних явищ в напівпровідниках відзначається складністю і може бути опанована на основі глибокого вивчення фундаментальних розділів твердого тіла з застосуванням відповідного апарату. Тому обмежимось спрощеним викладенням основних теоретичних положень фізики напівпровідників, виокремлюючи лише ті з них, які необхідні для наступного вивчення і розуміння роботи напівпровідникових приладів.