ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Техническая Электроника
Допущено Министерством образования
Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов
специальности «Телекоммуникационные
системы» высших учебных заведений
Минск
Издательство «Дизайн ПРО»
УДК 621.38
ББК 32.85я87
Т48
Рецензенты: кафедра электроники Военной академии Республики
Беларусь; начальник кафедры Лямин П.М.; д.т.н., профессор
Конопелько В.К.
Т48 Ткаченко Ф.А. Техническая электроника. — Мн.: Дизайн
ПРО, 2000. — 352 с: ил.
ISBN 985-6182-95-6
Рассмотрены устройства, характеристики и параметры пассивных элементов в дискретном и интегральном исполнениях.
Даны физические основы работы полупроводниковых приборов, устройство, принцип работы, параметры, характеристики и способы включения в электрическую цепь полупроводниковых диодов и транзисторов.
Имеются сведения о работе усилителей переменного и постоянного сигналов, операционных усилителей, логических схем и построении на их основе триггеров, компараторов, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.
Для студентов радиотехнических специальностей ВУЗов, инженерно-технических работников.
Гос. заказ УДК 621.38
ББК 32.85я7
ISBN 985-6182-95-6 © Ткаченко Ф.А., 2000
ОГЛАВЛЕНИЕ
| ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................................ | |
| ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. | |
| ГЛАВА 1. Пассивные компоненты электронных устройств.................. | |
| 1.1. Резисторы............................................................................................... | |
| 1.1.1. Система условных обозначений и маркировка резисторов.......... | |
| 1.1.2. Специальные резисторы.................................................................... | |
| 1.2. Конденсаторы........................................................................................ | |
| 1.2.1. Система условных обозначений конденсаторов............................ | |
| 1.2.2. Параметры постоянных конденсаторов.......................................... | |
| 1.2.3. Конденсаторы переменной емкости................................................ | |
| 1.3. Катушки индуктивности....................................................................... | |
| ГЛАВА 2. Полупроводниковые диоды..................................................... | |
| 2.1. Физические основы полупроводниковых приборов......................... | |
| 2.2. Примесные полупроводники............................................................... | |
| 2.3. Электронно-дырочный переход.......................................................... | |
| 2.4. Физические процессы в p–n переходе................................................ | |
| 2.5. Контактная разность потенциалов...................................................... | |
| 2.6. Прямое включение p–n перехода........................................................ | |
| 2.7. Обратное включение p–n перехода..................................................... | |
| 2.8. Вольт-амперная характеристика p–n перехода.................................. | |
| 2.9. Пробой p–n перехода............................................................................ | |
| 2.10. Емкостные свойства p–n перехода.................................................... | |
| 2.11. Полупроводниковые диоды............................................................... | |
| 2.12. Выпрямительные диоды..................................................................... | |
| 2.13. Стабилитроны...................................................................................... | |
| 2.14. Варикапы.............................................................................................. | |
| 2.15. Импульсные диоды............................................................................. | |
| 2.15.1. Диоды с накоплением заряда и диоды Шотки............................. | |
| 2.16. Туннельные диоды.............................................................................. | |
| 2.17. Обращенные диоды............................................................................ | |
| ГЛАВА 3. Биполярные транзисторы......................................................... | |
| 3.1. Режимы работы биполярного транзистора........................................ | |
| 3.2. Принцип действия транзистора........................................................... | |
| 3.3. Токи в транзисторе................................................................................ | |
| 3.4. Статические характеристики............................................................... | |
| 3.4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ..................................... | |
| 3.5. Статические характеристики в схеме с ОЭ........................................ | |
| 3.6. Малосигнальные параметры. Дифференциальные параметры транзистора................................................................................................... | |
| 3.7. Малосигнальная модель транзистора................................................. | |
| 3.8. Моделирование транзистора................................................................ | |
| 3.9. Частотные свойства транзисторов...................................................... | |
| 3.10. Параметры биполярных транзисторов............................................. | |
| ГЛАВА 4. Полевые транзисторы............................................................... | |
| 4.1. Статические характеристики............................................................... | |
| 4.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором........................... | |
| 4.2.1. МДП-транзисторы с индуцированным каналом............................ | |
| 4.2.2. Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом........................................................................... | |
| 4.3. Полевые транзисторы со встроенным каналом................................. | |
| 4.4. Статические характеристики транзистора со встроенным каналом.......................................................................................................... | |
| 4.5. Способы включения полевых транзисторов...................................... | |
| 4.6. Полевой транзистор, как линейный четырехполюсник.................... | |
| 4.7. Эквивалентная схема и частотные свойства полевых транзисторов................................................................................................. | |
| 4.8. Основные параметры полевых транзисторов.................................... | |
| ГЛАВА 5. Полупроводниковые переключающие приборы................... | |
| 5.1. Диодный тиристор................................................................................ | |
| 5.2. Триодный тиристор............................................................................... | |
| 5.3. Симметричные тиристоры (симисторы)............................................ | |
| 5.4. Параметры тиристоров......................................................................... | |
| ГЛАВА 6. Электронно-лучевые приборы................................................. | |
| 6.1. Электростатическая система фокусировки луча............................... | |
| 6.2. Электростатическая отключающая система...................................... | |
| 6.3. Трубки с магнитным управлением электронным лучом.................. | |
| 6.4. Экраны электронно-лучевых трубок.................................................. | |
| 6.5. Системы обозначения электронно-лучевых трубок различного назначения..................................................................................................... | |
| 6.6. Осциллографические трубки............................................................... | |
| 6.7. Индикаторные трубки........................................................................... | |
| 6.8. Кинескопы.............................................................................................. | |
| 6.9. Цветные кинескопы.............................................................................. | |
| ГЛАВА 7. Элементы и устройства оптоэлектроники.............................. | |
| 7.1. Источники оптического излучения..................................................... | |
| 7.2. Характеристики светодиодов.............................................................. | |
| 7.3. Основные параметры светодиодов..................................................... | |
| 7.4. Полупроводниковые приемники излучения...................................... | |
| 7.5. Фоторезисторы...................................................................................... | |
| 7.6. Характеристики фоторезистора........................................................... | |
| 7.7. Параметры фоторезистора................................................................... | |
| 7.8. Фотодиоды............................................................................................. | |
| 7.9. Характеристики и параметры фотодиода........................................... | |
| 7.10. Фотоэлементы...................................................................................... | |
| 7.11. Фототранзисторы................................................................................ | |
| 7.12. Основные характеристики и параметры фототранзистора............ | |
| 7.13. Фототиристоры.................................................................................... | |
| 7.14. Оптопары............................................................................................. | |
| 7.15. Входные и выходные параметры оптопар....................................... | |
| 7.16. Жидкокристаллические индикаторы................................................ | |
| ГЛАВА 8. Элементы интегральных микросхем....................................... | |
| 8.1. Пассивные элементы интегральных микросхем............................... | |
| 8.1.1. Резисторы............................................................................................ | |
| 8.1.2. Конденсаторы..................................................................................... | |
| 8.1.3. Пленочные конденсаторы................................................................. | |
| 8.2. Биполярные транзисторы..................................................................... | |
| 8.3. Диоды полупроводниковых ИМС....................................................... | |
| 8.4. Биполярные транзисторы с инжекционным питанием..................... | |
| 8.5. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью........................... | |
| ГЛАВА 9. Основы цифровой техники...................................................... | |
| 9.1. Электронные ключевые схемы............................................................ | |
| 9.2. Ключи на биполярном транзисторе.................................................... | |
| 9.3. Ключ с барьером Шотки...................................................................... | |
| 9.4. Ключи на МДП-транзисторах.............................................................. | |
| 9.5. Ключ на комплементарных транзисторах.......................................... | |
| 9.6. Алгебра логики и основные ее законы............................................... | |
| 9.7. Логические элементы и их классификация........................................ | |
| 9.8. Базовые логические элементы цифровых интегральных микросхем..................................................................................................... | |
| 9.9. Диодно-транзисторная логика............................................................. | |
| 9.10. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)..................................... | |
| 9.11. Микросхемы ТТЛ серий с открытым коллектором........................ | |
| 9.12. Правила схемного включения элементов......................................... | |
| 9.13. Эмиттерно-связанная логика............................................................. | |
| 9.14. Интегральная инжекционная логика (И2Л)...................................... | |
| 9.15. Логические элементы на МДП-транзисторах.................................. | |
| 9.16. Параметры цифровых ИС.................................................................. | |
| 9.17. Триггеры............................................................................................... | |
| 9.18. Мультивибраторы............................................................................... | |
| 9.18.1. Мультивибраторы на логических интегральных элементах....... | |
| 9.18.2. Автоколебательный мультивибратор с постоянным смещением.................................................................................................... | |
| 9.18.3. Автоколебательные мультивибраторы с автоуправляемым смещением.................................................................................................... | |
| 9.18.4. Ждущие мультивибраторы.............................................................. | |
| ГЛАВА 10. Аналоговые устройства.......................................................... | |
| 10.1. Классификация аналоговых электронных устройств..................... | |
| 10.2. Основные технические показатели и характеристики аналоговых устройств.................................................................................. | |
| 10.3. Методы обеспечения режима работы транзистора в каскадах усиления........................................................................................................ | |
| 10.3.1. Схема с фиксированным током базы............................................. | |
| 10.3.2. Схема с фиксированным напряжением база-эмиттер.................. | |
| 10.3.3. Схемы с температурной стабилизацией........................................ | |
| 10.4. Стабильность рабочей точки............................................................. | |
| 10.5. Способы задания режима покоя в усилительных каскадах на полевых транзисторах.................................................................................. | |
| 10.6. Обратные связи в усилителях............................................................ | |
| 10.6.1. Последовательная обратная связь по напряжению...................... | |
| 10.6.2. Последовательная обратная связь по току.................................... | |
| 10.7. Режим работы усилительных каскадов............................................ | |
| 10.8. Работа активных элементов с нагрузкой.......................................... | |
| 10.9. Усилительный каскад с общим эмиттером...................................... | |
| 10.10. Усилительный каскад по схеме с общей базой............................. | |
| 10.11. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)................................................................................................. | |
| 10.12. Усилительный каскад на полевых транзисторах........................... | |
| 10.12.1. Усилительный каскад с ОИ........................................................... | |
| 10.12.2. Усилительный каскад с общим стоком (истоковый повторитель)................................................................................................. | |
| 10.13. Усилители постоянного тока........................................................... | |
| ГЛАВА 11. Дифференциальные и операционные усилители................ | |
| 11.1. Дифференциальные усилители.......................................................... | |
| 11.2. Операционные усилители.................................................................. | |
| 11.3. Параметры операционных усилителей............................................. | |
| 11.4. Амплитудно и фазочастотные характеристики ОУ........................ | |
| 11.5. Устройство операционных усилителей............................................ | |
| 11.6. ОУ общего применения...................................................................... | |
| 11.7. Инвертирующий усилитель............................................................... | |
| 11.8. Неинвертирующий усилитель........................................................... | |
| 11.9. Суммирующие схемы......................................................................... | |
| 11.9.1. Инвертирующий сумматор............................................................. | |
| 11.9.2. Неинвертирующий сумматор......................................................... | |
| 11.9.3. Интегрирующий усилитель............................................................. | |
| 11.9.4. Дифференцирующий усилитель..................................................... | |
| 11.9.5. Логарифмические схемы................................................................. | |
| 11.9.6. Антилогарифмирующий усилитель............................................... | |
| ГЛАВА 12. Компараторы напряжения...................................................... | |
| ГЛАВА 13. Цифро-аналоговые преобразователи.................................... | |
| 13.1. Параметры ЦАП.................................................................................. | |
| 13.2. Устройство ЦАП................................................................................. | |
| ГЛАВА 14. Аналого-цифровые преобразователи.................................... | |
| 14.1. Параметры АЦП.................................................................................. | |
| 14.2. Классификация АЦП.......................................................................... | |
| 14.3. АЦП последовательного приближения............................................ | |
| ЛИТЕРАТУРА............................................................................................ |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данное учебное пособие написано в соответствии с новой учебной программой дисциплины "Техническая электроника" для телекоммуникационных и радиотехнических специальностей.
В пособии рассматриваются пассивные и активные элементы электронных устройств, элементы интегральных микросхем, основы цифровой и аналоговой техники. Изучение материала начинается с пассивных, а затем активных полупроводниковых приборов. Рассматриваются физические основы и принцип работы, характеристики и параметры элементов в дискретном и интегральном исполнении. Излагаются основы усилительных устройств и цифровой техники: ключевые схемы, современные логические элементы на биполярных и полевых транзисторах, триггерные и мультивибраторные устройства.
Рассмотрены технические показатели устройств, способы обеспечения режима работы активных элементов (транзисторов), принципы построения цифровых и усилительных устройств на современной элементной базе (транзисторах и интегральных микросхемах), операционных усилителей, компараторов, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.
Автор стремился в доступной форме изложить рассматриваемый материал с учетом методических принципов, сложившихся в процессе преподавания дисциплин "Электронные приборы", "Цифровые и аналоговые устройства". Для закрепления изучаемого материала рекомендуются следующие пособия "Задачник по электронным приборам" В.А. Терехова и "Расчет электронных схем" Г.И. Изьюровой и др.
Автор выражает признательность рецензентам учебного пособия проф. А.П. Булычеву, проф. В.К. Конопелько, коллективу преподавателей кафедры радиоэлектроники Военной Академии РБ, начальнику этой кафедры Лямину П.М. за замечания и неоценимую помощь при подготовке работы, к. т. н. Дроботу С.В. за оформление и ряд предложений по улучшению рукописи, студенту Городко В. за выполнение графического материала.
ВВЕДЕНИЕ
Современная электроника появилась в результате поисков способов использования электрических явлений для передачи информации. Первые попытки были предприняты сразу после изобретения итальянским физиком и физиологом А. Вольта в 1800 г. электрохимического источника тока. В 1801 г. испанский инженер Ф. Сольва предпринял попытку применить электрохимическое действие тока для телеграфирования, а в 1809 г. немецкий врач С.Т. Земмеринг построил такой телеграф. Русский электротехник и ученый П.Л. Шиллинг изобрел первый электромагнитный телеграф и продемонстрировал его в действии в 1832 г.
В конце ХIX в. начались поиски путей создания электрической связи без проводов. Американец Д. Юз, английский инженер В. Пирс, знаменитый американский изобретатель Т.А. Эдисон применили для этой цели принципы электростатической и электромагнитной индукции. Дальность действия оказалась небольшой, и она не получила распространения. Беспроволочная связь могла появиться только в результате исследований электромагнитного поля. Начало представлений о нем положил английский физик М. Фарадей.
Английский физик Дж. Максвелл разработал теорию электромагнитного поля. Г. Герц в Германии классическими опытами в 1888 г. подтвердил реальное существование электромагнитного поля.
Опираясь на теоретические разработки Фарадея и Максвелла, русский ученый А.С. Попов создал устройство для регистрации электромагнитных волн. Демонстрация первого в мире радиоприемного устройства состоялась 7 мая 1895 г. Радиоимпульсный режим работы стал широко использоваться для радиотелеграфной передачи информации.
Изобретение радио вызвало необходимость создания чувствительных индикаторов электрических колебаний и устройств для их усиления.
В 1904 г. английский ученый Д.Э. Флеминг, используя разработки А.Н. Лодыгина и Т.А. Эдисона, изготовил первую электронную лампу – диод, который начали использовать в приемниках вместо кристадинов.
В 1916 г. русским ученым М.П. Бонч-Бруевичем было установлено, что двухкаскадный реостатный усилитель с положительной обратной связью может создавать скачки напряжений и токов. Это открытие явилось основой для разработки регенеративных импульсных устройств. В 1919 г. американскими учеными Х. Абрагамом, Е. Блохом, Ф. Джордоном, В. Икклзом были разработаны схемы мультивибратора и триггера.
Развитие средств связи в послевоенные годы тесно связано с появлением полупроводниковой электроники.
В 1947 г. американские исследователи Дж. Бардин и У. Бреттеин из группы исследователей У. Шокли создали и испытали первый германиевый точечный транзистор. В 1949 г. советские ученые А.В. Красилов и С.Г. Мадоян изготовили в бывшем СССР первые отечественные образцы точечных транзисторов. В 1952 г. У. Шокли выдвинул идею создания полевого транзистора. Идею Шокли реализовал в 1958 г. польский ученый С. Тешнер, работавший во Франции. В 1960 г. Д. Кинг и М. Аттала создали МОП–транзистор. В 1960 г. Колби и Нойс (США) сообщили об изобретении интегральных схем, составляющих основу современной микроэлектроники.
Малые габариты и потребление энергии, высокая надежность интегральных микросхем позволили использовать их для создания высококачественных устройств телекоммуникационных и радиотехнических систем и массового производства различных радиотехнических устройств.
Использование интегральных микросхем обеспечивает улучшение характеристик, разрабатываемых устройств, их надежность, малое потребление энергии, расширяет их функциональные возможности, что позволяет использовать их во всех сферах человеческой деятельности.
Эффективное применение интегральных аналоговых и цифровых микросхем невозможно без знания принципов их действия и основных параметров. Независимо от степени сложности микросхем и многообразия выполняемых ими функций основу их структуры составляют элементарные схемы. Физические принципы и особенности работы микросхем наиболее доступно объясняются при моделировании с помощью дискретных элементов и схем.
В связи с этим изучению курса "Техническая электроника" уделяется повышенное внимание. Данное пособие ориентировано на использование в учебном процессе при подготовке инженеров в области телекоммуникационных и радиотехнических систем, студентам радиотехнического профиля и других родственных специальностей.
ГЛАВА 1
ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Резисторы
Резистор – устройство на основе проводника с нормированным постоянным или регулируемым активным сопротивлением, используемое в электрических цепях для обеспечения требуемого распределения токов и напряжений между отдельными участками цепи.
Основу резистора составляют резистивный элемент, выполненный из специальных материалов, обладающих исключительно электронным типом проводимости, получивших название резисторных материалов. Основным требованием, предъявляемым к резисторным материалам для постоянных и переменных резисторов является предельно слабая зависимость их удельного электрического сопротивления от температуры, освещенности и других внешних факторов. Кроме того, все резисторные материалы должны обладать высокой термостойкостью, стабильностью всех электрофизических свойств в процессе эксплуатации, коррозионной устойчивостью, создавать достаточно малую термоэдс при контакте с другими материалами.
В основе классификации резисторов лежат различные признаки: постоянство значения сопротивления, способ создания резистивного слоя, конструктивное исполнение.
По постоянству значения сопротивления резисторы различают:
– постоянные – с фиксированным сопротивлением;
– переменные – с изменяющимся сопротивлением;
– специальные – сопротивление зависит от действия внешних факторов.
Постоянные резисторы подразделяются на две группы:
1. Общего назначения (диапазон номиналов 1…1´106 Ом, номинальные мощности рассеивания 0,062…100 Вт).
2. Специального назначения, подразделяются на резисторы:
а) прецизионные (допуск номиналов 0,001…1 %, диапазон номиналов 0,1…10´106 Ом, мощность рассеивания до 2 Вт);
б) высокочастотные – обладают малыми собственными емкостями и индуктивностями;
в) высоковольтные (сопротивление до 1011 Ом, рабочее напряжение единицы – десятки кВ);
г) высокоомные (сопротивление от десятков МОм, до сотен тераом, рабочее напряжение 100…400 В).
Переменные резисторы подразделяются на подстроечные (сопротивление изменяется при регулировке электрических режимов цепи) и регулировочные (сопротивление изменяется во время функционирования аппаратуры).
В зависимости от изменения сопротивления при изменении угла поворота подвижной части переменные резисторы имеют линейную характеристику А 
и нелинейную: логарифмическую Б и антилогарифмическую В, характеристики типа И, Е (рис. 1.1,а,б).
К специальным резисторам относятся:
а) варисторы – сопротивление которых зави-сит от напряженности электрического поля;
б) терморезисторы – сопротивление зависит от температуры;
в) фоторезисторы – сопротивление зависит от освещения резистора;
г) магниторезисторы – сопротивление зависит от магнитного поля.
Условное обозначение резисторов показано на рис. 1.2, где а) постоянный; б) подстроечный; в) переменный; г) терморезистор; д) варистор.
В зависимости от способа создания проводящего резистивного элемента резисторы бывают проволочные и непроволочные. Наибольшее применение нашли непроволочные резисторы, которые в свою очередь подразделяются на пленочные и объемные.
Пленочные и объемные резисторы обладают меньшей собственной емкостью, индуктивностью и значительно дешевле проволочных.
Резистор, наряду с активным сопротивлением, обладает эквивалентной емкостью С и индуктивностью L (рис. 1.3).
Индуктивность и емкость являются распределенными параметрами. Однако для упрощения расчета их заменяют сосредоточенными параметрами и используют одну из эквивалентных схем.
Индуктивность резистора определяется его размерами и размерами выводов, составляет примерно 3´10–9 Гн/см. Емкость резистора появляется между его различными участками, а также определяется конструкцией выводов и его размерами. У малогабаритных резисторов емкость невелика и составляет десятые доли пФ. Переменные резисторы обладают значительно большими емкостями и индуктивностями, чем постоянные. Наличие емкости и индуктивности вызывает появление реактивной составляющей полного сопротивления, которая приводит к изменению активной составляющей сопротивления. А у проволочных резисторов с увеличением частоты изменяется сопротивление за счет поверхностного эффекта.
При длительном сроке эксплуатации происходит старение резисторов, что приводит к изменению их сопротивления. Старение резисторов зависит от физической природы резистивного элемента. Старению наиболее подвержены композиционные резисторы и меньше всего металлопленочные. Стабильность сопротивления резисторов во времени характеризуется коэффициентом старения
, (1.1)
где t – время; R0 – сопротивление резистора непосредственно после изготовления. Коэффициент старения резисторов bR сильно изменяется от партии к партии. Поэтому в ТУ указывают коэффициент значительно хуже, чем у большей части резисторов.
В схеме замещения не учитываются такие параметры как: допустимая мощность рассеивания, напряжение собственных шумов, температурный коэффициент сопротивления, изменение сопротивления во времени и при воздействии дестабилизирующих факторов, надежность. У переменных резисторов, кроме того: разрешающая способность, шумы вращения, износоустойчивость, относительное изменение сопротивления при перемещении скользящего контакта.
Номинальная мощность рассеивания Pномуказывает, какую максимальную мощность может рассеивать резистор в течение длительного времени при заданной стабильности сопротивления. Она определяется размерами резистора, конструкцией и свойствами резистивного слоя. Номинальная мощность рассеивания резистора обозначается на электрических схемах знаками, помещенными внутри условного графического обозначения резистора (рис. 1.4). Вместо номинальной мощности часто используется удельная мощность рассеивания Руд, т.е. мощность отнесённая к единице поверхности охлаждения SR резистора
, [Вт/см2]. (1.2)
Удельная мощность рассеивания возрастает с повышением теплостойкости конструкционных резистивных материалов.
Резисторы изготавливаются на разные номиналы, которые в соответствии с рекомендациями МЭК (Международной электротехнической комиссии) стандартизованы. Согласно ГОСТ 2825–67 установлено шесть рядов номиналов сопротивлений: E6, E12, E24, E48, E96, E192. В условном обозначении указывается число номинальных значений в данном ряду. Переменные сопротивления имеют ряды номиналов E6, E12, E24. Числовые коэффициенты первых трех наиболее употребительных рядов приведены в табл. 1.1. Номинальные сопротивления в каждой декаде соответствуют указанным в таблице числам или числам, полученным умножением или делением их на 10n, где n – отрицательное или положительное число, или нуль. Действительные значения сопротивлений резисторов вследствие погрешностей изготовления могут отличаться от номинальных. Разница между номинальным и действительным сопротивлениями, выраженная в процентах по отношению к номинальному сопротивлению, называется допуском. Деление резисторов по величине допустимого отклонения приведено в табл. 1.2.
Таблица 1.1