книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства
..pdfВ. 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.