Предисловие (стр. 1 )

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие предназначено для изучения студентами неэлектротехнических специальностей вузов раздела «Основы электроники» общепрофессиональной дисциплины «Электротехника и основы электроники». Данная дисциплина закладывает основы общетехнической подготовки студентов, необходимой для последующего изучения специальных инженерных дисциплин.

В отличие от имеющейся учебной литературы по электронике в предлагаемом учебном пособие большее внимание уделяется цифровым и программируемым интегральным микросхемам, рассматриваются однокристальные микроконтроллеры, программируемые логические интегральные микросхемы, флэш-память и др.

Пособие состоит из четырех глав.

В первой главе пособия приводится описание дискретных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и интегральных микросхем.

Во второй главе рассматривается схемотехника аналоговых устройств: усилителей, генераторов, вторичных источников питания.

В третьей главе рассматривается схемотехника цифровых непрограммируемых устройств: логических элементов, триггеров, комбинационных и последовательностных цифровых устройств, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей.

В четвертой главе приводятся сведения о программируемых устройствах: микропроцессорах, микроконтроллерах, программируемых логических интегральных схемах и устройствах памяти.

В пособии приводятся решения типовых задач, в конце каждой главы – вопросы для самоконтроля. В приложении рассматриваются наиболее характерные представители различных полупроводниковых устройств: диодов, стабилитронов, тиристоров, транзисторов, операционных усилителей и промышленных источников вторичного электропитания. Там же приводится краткая инструкция по использованию программы Electronics Workbench для моделирования различных устройств электроники. Использование этой программы позволяет существенно повысить эффективность получения знаний по электронике.

В пособии использованы два шрифта. Более крупным шрифтом набраны разделы, предназначенные для студентов, у которых объем лекционных занятий по дисциплине «Основы электроники» составляет 17 часов.

Замечания и пожелания авторы с благодарностью примут Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, издательство БГТУ.

Доктор технических наук, профессор

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время во всех отраслях промышленности и в быту широко используются электронные устройства. Причем тенденция такова, что среди них увеличивается доля информационных устройств и систем автоматики. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых, высококачественных, не требующих специальной настройки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения.

Благодаря созданию компактных полупроводниковых устройств электровакуумные приборы практически полностью вытеснены из употребления, поэтому в учебном пособии они не рассматриваются.

Электроника имеет короткую, но богатую собственную историю, которая составляет чуть более 100 лет. Первый ее период связан с эпохой вакуумных ламп и появлением чуть позже ионных приборов. На их основе были разработаны различные электронные устройства. Совершенствование этих устройств шло долгие годы. При этом появились радиотехника, телевидение, электронные вычислительные машины и многое другое.

Создание в конце 40-х годов ХХ века полупроводниковых диодов и транзисторов позволило сделать электронные устройства более надежными, компактными, потребляющими значительно меньше электрической энергии. Появился новый модульный принцип конструирования электронной аппаратуры. Модули, а в дальнейшем микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзисторной электроники и привели к возникновению интегральной электроники, или микроэлектроники.

Совершенствование технологии изготовления интегральных микросхем позволило увеличить плотность упаковки электронных компонентов, расположив их на одном кристалле. Если плотность упаковки вакуумной техники оценивалась величиной 0,3 элемента в 1 см3, транзисторной – 2,5 эл/см3, то плотность упаковки в интегральных микросхемах достигла многих тысяч элементов. При этом предельное число транзисторов в одной микросхеме уже превышает миллионы.

В конце 70-х годов на основе больших интегральных микросхем были созданы принципиально новые – программируемые устройства: микропроцессоры, микроконтроллеры, программируемые логические интегральные схемы, устройства памяти и др. Это дало новый импульс интенсивному развитию электроники и привело к разработке и широкому применению электронных вычислительных машин, различных микропроцессорных систем, устройств мобильной связи, цифровых фото - и видеокамер, телевизоров др. При этом отдельные разделы электроники переросли в самостоятельные направления –микропроцессорная техника, телекоммутационные устройства, цифровое телевидение и т. д.

Интенсивное развитие электроники продолжается и в настоящее время. Обновляется ее компонентная база, разрабатываются новые электронные устройства. Для их освоения и грамотного использования необходима достаточно глубокая теоретическая подготовка. Специалисты различных направлений (в том числе неэлектротехнического профиля) должны иметь представление об используемой базе и принципах работы аналоговых, цифровых и программируемых устройств электроники. Именно эти вопросы и рассматриваются в учебном пособии.

1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

В современных электронных устройствах, в основном, применяют полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и интегральные микросхемы. В отличие от пассивных элементов: резисторов, конденсаторов, дросселей (прил. 1) – их называют активными элементами. В последнее время все чаще резисторы и конденсаторы выполняют как полупроводниковые элементы в составе интегральных микросхем или в виде отдельных сборок.

1.1. Диоды

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор (ППП) с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, магнито-, тензо-, фото-, светодиоды и др.

Выпрямительные диоды. Работа диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер). Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4…0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым). При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 1.1 показаны условное графическое обозначение (УГО) диода, его идеальная и реальная вольт-амперная характеристики (ВАХ). Видимый излом ВАХ в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На ВАХ реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает. Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды. Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150…200 °С против 80…100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60…80 А/см2 против 20…40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от Ge, который относится к редкоземельным элементам).

К преимуществам Ge-диодов можно отнести малое падение напряжения при протекании прямого тока (0,3…0,6 В против

0,8…1,2 В).

Кроме названных ПП материалов, в сверхвысокочастотных цепях используют арсенид галлия GaAs.

Полупроводниковые (ПП) диоды по технологии изготовления делятся на два класса: точечные и плоскостные.

Точечный диод образуют Si- или Ge-пластина n-типа площадью 0,5…1,5 мм2 и стальная игла, образующая p–n-переход в месте контакта. В результате малой площади переход имеет малую емкость, следовательно, такой диод способен работать в высокочастотных цепях. Но ток через переход не может быть большим (обычно не более 100 мА).

Плоскостной диод состоит из двух соединенных Si- или Ge-пластин с разной электропроводностью. Большая площадь контакта ведет к большой емкости перехода и относительно низкой рабочей частоте, но проходящий ток может быть большим (до 6000 А).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток Iпр.max;

– максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max;

– максимально допустимая частота fmax.

По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:

– малой мощности, прямой ток до 300 мА;

– средней мощности, прямой ток 300 мА…10 А;