Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 1

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Ю.П. Колонтаєвський, А.Г. Сосков

ЕЛЕКТРОНІКА і

МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

За редакцією доктора технічних наук, професора А.Г. Соскова

Затверджено Міністерством освіти і науки України як підручник для студентів вищих навчальних закладів

Друге видання

Київ «Каравела» 2009

Затверджено Міністерством освіти і науки України як підручник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямками «Електромеханіка» та «Електротехніка» (лист № 14/18.2-2321 від 22.01.2004)

Рецензенти:

Жемеров Г.Г.,

доктор технічних наук, професор кафедри промислової і біомедичної електроніки Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут»;

Кононов Б.Т.,

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор кафедри електропостачання Харківського військового університету.

УДК 621.38(075.8)

ББК 31.2

К45

К45 Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г.

Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник. 2-е вид. / За ред. А.Г. Соско­ва. - К: Каравела, 2009. - 416 с.

ISBN 966-8019-38-5

Розглянуто принцип дії, характеристики, параметри та області застосу­вання електронних напівпровідникових приладів; побудову та роботу при­строїв інформаційної електроніки: підсилювачів напруги змінного та по­стійного струмів, імпульсних і цифрових пристроїв, виконаних на основі дискретних елементів та інтегральних мікросхем; пристроїв енергетичної електроніки: вентильних ведених мережею та автономних перетворювачів; наведено методики розрахунку основних вузлів електронних пристроїв.

Для студентів, які навчаються за напрямками «Електромеханіка» та «Електротехніка». Може бути корисним неспеціалістам у галузі електро­ніки для самоосвіти.

УДК 621.38(075.8) ББК 31.2

ISBN 966-8019-38-5 © Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г., 2009 © Видавництво «Каравела», 2009

Зміст

ПЕРЕДМОВА........................................................................................................9

ВСТУП ................................................................................................................10

РОЗДІЛ 1. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ

ПРИЛАДІВ........................................................................................17

1.1. Напівпровідники. Загальні відомості ..........................................................17

1.2. Фізичні основи роботи електронно-діркового переходу (p-n переходу).....20

Контрольні запитання.........................................................................................23

РОЗДІЛ 2. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА ЇХ СТИСЛА

ХАРАКТЕРИСТИКА ........................................................................ 24

2.1. Класифікація напівпровідникових приладів................................................24

2.2. Напівпровідникові резистори......................................................................24

2.3. Напівпровідникові діоди...............................................................................25

2.4. Біполярні транзистори.................................................................................31

2.4.1. Побудова та принцип дії транзистора................................................31

2.4.2. Основні схеми вмикання і статичні характеристики біполярного транзистора ................................................................... 34

2.4.3. Біполярний транзистор як активний чотириполюсник (h-параметри)......................................................................................39

2.4.4. Основні режими роботи біполярного транзистора..........................41

2.4.5. Складені транзистори..........................................................................44

2.4.6. Одноперехідний транзистор...............................................................46

2.5. Уніполярні (польові) транзистори...............................................................47

2.5.1. Загальні відомості...............................................................................47

2.5.2. Польові транзистори з керуючим _p-n переходом.............................47

2.5.3. СІТ-транзистори..................................................................................51

2.5.4. Польові транзистори з ізольованим затвором (МДН-транзистори)... 52

2.5.5. Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ)....................54

2.6. Перемикаючі напівпровідникові прилади (тиристори) .............................. 56

2.6.1. Диністори............................................................................................57

2.6.2. Триністор (керований діод)................................................................59

2.6.3. Спеціальні типи тиристорів (симістор, фототиристор, двоопераційний тиристор, оптронний тиристор)............................. 63

2.6.4. Електростатичні тиристори................................................................65

2.6.5. Запірний тиристор з МОН-керуванням............................................66

2.7. Інтегральні мікросхеми ................................................................................ 66

2.7.1. Загальні відомості................................................................................66

2.7.2. Гібридні ІМС .......................................................................................67

2.7.3. Напівпровідникові ІМС ....................................................................... 69

2.7.4. Призначення і параметри ІМС ........................................................... 69

2.8. Сучасний стан і тенденції розвитку керованих силових напівпровідникових приладів ....................................................................... 72

Контрольні запитання ......................................................................................... 81

РОЗДІЛ 3. ПІДСИЛЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ.

ПІДСИЛЮВАЧІ НАПРУГИ ЗМІННОГО СТРУМУ........................83

3.1. Загальні відомості про підсилювачі та їх класифікація...............................83

3.2. Основні параметри і характеристики підсилювачів ...................................85

3.3. Принципи побудови підсилювачів..............................................................87

3.4. Основні режими (класи) роботи підсилювачів...........................................89

3.5. Кола зміщення підсилюючих каскадів.........................................................90

3.6. Температурна стабілізація підсилювачів......................................................92

3.7. Каскади попереднього підсилення ................................................................ 94

3.7.1. Каскад попереднього підсилення на біполярному транзисторі з СЕ ... 94

3.7.2. Підсилюючий каскад з СК (емітерний повторювач)............................99

3.7.3. Підсилюючий каскад з СБ ................................................................... 101

3.8. Каскади попереднього підсилення на польових транзисторах .................. 103

3.8.1. Підсилюючий каскад з СВ................................................................. 103

3.8.2. Підсилюючий каскад з СС................................................................. 105

3.8.3. Зворотні зв'язки у підсилювачах......................................................107

3.9. Багатокаскадні підсилювачі ....................................................................... 111

3.9.1. Багатокаскадні підсилювачі з резистивно-ємнісними міжкаскадними зв'язками ................................................................ 111

3.9.2. Багатокаскадні підсилювачі з трансформаторними зв'язками....... 114

3.9.3. Безтрансформаторні вихідні каскади підсилення ............................ 118

3.9.4. Вибіркові підсилювачі ....................................................................... 120

Контрольні запитання ....................................................................................... 122

РОЗДІЛ 4. ПІДСИЛЮВАЧІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ.....................................123

4.1. Загальні відомості ......................................................................................123

4.2. Підсилювач прямого підсилення............................................................... 124

4.3. Балансні ППС.............................................................................................. 126

4.4. Диференційний ППС ................................................................................. 128

4.5. Підсилювачі з подвійним перетворенням................................................. 129

4.6. Операційні підсилювачі ............................................................................. 129

4.6.1. Загальні відомості ............................................................................. 129

4.6.2. Інвертуючий підсилювач .................................................................. 136

4.6.3. Неінвертуючий підсилювач .............................................................. 138

4.6.4. Перетворювач струму у напругу..................................................... 139

4.6.5. Інвертуючий суматор ....................................................................... 140

4.6.6. Неінвертуючий суматор ................................................................... 140

4.6.7. Інтегруючий підсилювач (інтегратор) .............................................. 142

4.6.8. Диференціюючий підсилювач (диференціатор) .............................. 143

4.6.9. Компаратори (схеми порівняння) ...................................................... 143

4.6.10. Підсилювач змінного струму на ОП з однополярним живленням... 144

4.6.11. Збільшення потужності вихідного сигналу ОП................................145

4.6.12. Прецизійний випрямляч .................................................................. 145

Контрольні запитання ....................................................................................... 147

РОЗДІЛ 5. ІМПУЛЬСНІ ПРИСТРОЇ................................................................. 148

5.1. Загальні відомості про імпульсні пристрої. Параметри імпульсів.......... 148

5.2. Електронні ключі та найпростіші схеми формування імпульсів.............151

5.3. Мультивібратори........................................................................................ 154

5.3.1. Загальні відомості ............................................................................. 154

5.3.2. Мультивібратор з колекторно-базовими зв'язками

у автоколивальному режимі ............................................................ 155

5.3.3. Мультивібратор на ОП ..................................................................... 160

5.3.4. Одновібратор з колекторно-базовими зв'язками

(чекаючий мультивібратор) ............................................................. 162

5.3.5. Одновібратор на ОП ......................................................................... 164

5.4. Блокінг-генератори .................................................................................... 165

Контрольні запитання ....................................................................................... 170

РОЗДІЛ 6. ЛОГІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ..................................................................... 171

6.1. Алгебра логіки............................................................................................171

6.2. Реалізація простих логічних функцій. Логічні елементи..........................173

Контрольні запитання ....................................................................................... 178

РОЗДІЛ 7. ТРИГЕРИ.........................................................................................179

7.1. Загальні відомості про тригери та їх призначення ................................... 179

7.2. Тригер на біполярних транзисторах

(симетричний тригер з лічильним запуском).......................................... 179

7.3. Тригери на логічних елементах................................................................. 187.3.1. RS-тригер ..........................................................................................183

7.3.2. Тригер D-типу (D-тригер)................................................................ 185

7.3.3. Тригер 7-типу (7-тригер)..................................................................186

7.3.4. JK-тригер ..........................................................................................186

Контрольні запитання ....................................................................................... 187

РОЗДІЛ 8. ЦИФРОВІ МПСРОЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ................................. 188

8.1. Поняття про цифрові мікроелектронні пристрої.....................................188

8.2. Реалізація складних логічних функцій ....................................................... 188

8.3. Дешифратори ............................................................................................. 192

8.4. Мультиплексори......................................................................................... 193

8.5. Лічильники імпульсів ................................................................................. 194

8.6. Регістри ....................................................................................................... 198

8.7. Цифро-аналогові (ЦАП) і аналого-цифрові (АЦП) перетворювачі ........ 199

8.7.1. Будова і робота ЦАП........................................................................199

8.7.2. АЦП послідовного наближення ...................................................... 204

8.8. Мультивібратори і одновібратори на логічних елементах і тригерах ...... 207

8.9. ІМС таймера К1006ВИ1 (555)..................................................................... 210

8.10. Мікропроцесорні пристрої...................................................................... 212

8.10.1. Загальні положення. Дещо з історії процесорів..........................212

8.10.2. Особливості роботи і використання мікропроцесорів. Двійкова

система числення. Структура мікропроцесорної системи...................215

8.10.3. Структура мікропроцесора..........................................................219

8.10.4. Запам'ятовуючі пристрої. Загальні відомості.............................220

8.10.5. Запам'ятовуючі пристрої для зберігання оперативної інформації (ОЗП).....................................................................................221

8.10.6. Запам'ятовуючі пристрої для зберігання постійної інформації

(ПЗП) ........................................................................................................ 222

8.10.7. Алгоритм. Способи представлення алгоритму..........................224

8.10.8. Завдання і виконання програм МПП..........................................224

8.10.9. Шістнаддяткова система числення...............................................226

8.10.10. Асемблер.....................................................................................227

8.10.11. Програмовані логічні контролери.............................................. 229

8.10.12. Мікроконтролери........................................................................232

8.10.13. Структура мікроконтролера.......................................................235

8.10.14. Співставлення основних етапів створення пристроїв керування на основі цифрових автоматів з жорсткою логікою і програмованих 237

Контрольні запитання ....................................................................................... 238

РОЗДІЛ 9. ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНІ ПРИСТРОЇ. ВИПРЯМЛЯЧІ.......................241

9.1. Загальні відомості та класифікація............................................................241

9.2. Експлуатаційні параметри і характеристики випрямлячів......................... 244

9.3. Робота однофазного двопівперіодного випрямляча з нульовим виводом на активне навантаження............................................................................ 246

9.4. Робота однофазного мостового випрямляча на активне навантаження.... 250

9.5. Трифазні випрямлячі.................................................................................. 252

9.5.1. Схема Міткевича...............................................................................252

9.5.2. Схема Ларіонова............................................................................... 255

9.6. Згладжуючі фільтри ................................................................................... 258

9.6.1. Основні поняття про фільтри...........................................................258

9.6.2. Робота однофазних двопівперіодних випрямлячів на активно-ємнісне навантаження..................................................260

9.6.3. Робота однофазних двопівперіодних випрямлячів на активно-індуктивне навантаження.............................................263

9.6.4. Деякі особливості роботи фільтрів..................................................267

9.7. Зовнішні характеристики випрямлячів.....................................................269

9.8. Стабілізатори напруги................................................................................ 271

9.8.1. Параметричні стабілізатори ............................................................. 271

9.8.2. Компенсаційні стабілізатори............................................................273

9.9. Стабілізатори струму.................................................................................276

9.10. Керовані випрямлячі................................................................................279

9.10.1. Методи і пристрої регулювання напруги постійного струму .... 279

9.10.2. Однофазний двопівперіодний керований випрямляч з нульовим виводом.....................................................................286

9.10.3. Робота керованого випрямляча на активно-індуктивне навантаження................................................................................288

9.11. Системи імпульсно-фазового керування (СІФК)...................................291

9.11.1. Загальні положення ......................................................................291

9.11.2. СІФК з горизонтальним керуванням...........................................292

9.11.3. СІФК з вертикальним керуванням...............................................294

9.12. Побудова типових вузлів СІФК з вертикальним керуванням................296

9.12.1. Генератор лінійно змінюваної напруги (ГЛН )...........................296

9.12.2. Вузол порівняння (ВП) .................................................................299

9.12.3. Імпульсний підсилювач потужності ............................................300

9.12.4. Приклади реалізації СІФК.............................................................301

9.13. СІФК з цифровим керуванням................................................................304

Контрольні запитання ....................................................................................... 306

РОЗДІЛ 10. ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНІ ПРИСТРОЇ.

РЕГУЛЯТОРИ (ПЕРЕРИВАЧІ) ЗМІННОГО СТРУМУ.................309

10.1. Загальні відомості і класифікація.............................................................309

10.2. Однофазні регулятори змінного струму.................................................311

10.3. Трифазні регулятори змінного струму...................................................318

10.4. Схеми запуску керованих напівпровідникових приладів у регуляторах напруги.............................................................................324

Контрольні запитання ....................................................................................... 336

РОЗДІЛ 11. ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНІ ПРИСТРОЇ. ІНВЕРТОРИ.

ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ЧАСТОТИ ....................................................... 338

11.1. Автономні інвертори...............................................................................338

11.1.1. Призначення та класифікація.......................................................338

11.1.2. Однофазний інвертор струму......................................................340

11.1.3. Півмостовий однофазний інвертор напруги..............................342

11.1.4. Інвертори напруги на повністю керованих напівпровідникових приладах ..................................................... 345

11.1.5. Випрямлячі з багатократним перетворенням.............................351

11.2. Інвертори, ведені мережею.....................................................................352

11.3. Приклади застосування інверторів із використанням мікроелектронних пристроїв..................................................................355

11.4. Перетворювачі частоти............................................................................359

Контрольні запитання ....................................................................................... 362

РОЗДІЛ 12. ВПЛИВ ВЕНТИЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ НА МЕРЕЖУ.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНА СУМІСНІСТЬ..........................................363

12.1. Загальні відомості про електромагнітну сумісність...............................363

12.2. Коефіцієнт потужності вентильних перетворювачів та основні шляхи його зниження..........................................................................................365

12.3. Некеровані джерела реактивної потужності...........................................370

12.4. Керовані джерела реактивної потужності................................................375

12.4.1. Принцип керування параметрами змінного струму у чотириквадрантних перетворювачах з імпульсною модуляцією .. 375

12.4.2. Регулювання неактивної потужності..............................................382

12.4.3. Регульований повний опір.............................................................386

12.4.4. Комбінований фільтр змінного струму......................................... 388

Контрольні запитання ....................................................................................... 391

ПІСЛЯМОВА .................................................................................................... 393

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА..................................................................395

ПРИЙНЯТІ СКОРОЧЕННЯ..............................................................................397

ОСНОВНІ ЛІТЕРНІ ПОЗНАЧЕННЯ.................................................................399

ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК .......................................................................... 408

ПЕРЕДМОВА

Цей підручник створено на основі багаторічного досвіду викла­дання авторами дисциплін «Електроніка і мікросхемотехніка» та «Промислова електроніка» на кафедрі електротехніки Харківсь­кої національної академії міського господарства для студентів, які навчаються за напрямками «Електромеханіка» та «Електро­техніка».

У пропонованому виданні виправлено деякі недоліки поперед­нього і додано відомості про новітні тенденції розвитку приладів і схемотехніки електроніки.

Метою викладання є знайомство тих, хто навчається, з фізич­ними основами, будовою та параметрами електронних напівпро­відникових приладів, набуття ними навичок побудови і аналізу схем електронних пристроїв, застосування таких пристроїв при ви­рішенні виробничих завдань.

Оскільки дане видання орієнтоване на неспеціалістів власне з електроніки, то основна увага у ньому приділяється роз'ясненню принципів будови та функціонування електронних приладів та схемотехнічних прийомів, що застосовуються при створенні ти­пових електронних пристроїв.

Наслідком навчання повинно бути вміння грамотно формулю­вати технічні завдання на розробку електронних пристроїв для вирішення конкретних завдань за фахом та забезпечувати заявки на сучасне електронне устаткування, вміння експлуатувати елек­тронне технологічне устаткування та проектувати найпростіші електронні пристрої.

Лвтори підручника:

Колонтаєвський Юрій Павлович, кандидат технічних наук, доцент Харківська національна академія міського господарства, доцент кафедри електротехніки

Сосков Анатолій Георгійович, доктор технічних наук, професор Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри електротехніки

Електроніка - це галузь науки і техніки, що вивчає:

фізичні явища, пов'язані зі зміною концентрації і переміщенням заряджених часток у вакуумі, газі та твердих кристалічних тілах;

електричні характеристики та параметри електронновакуумних, іонних та напівпровідникових приладів;

властивості пристроїв і систем, у яких застосовуються електронно-вакуумні, іонні та напівпровідникові прилади.

Перший із цих напрямків складає основу фізичної електроніки, другий і третій - технічної електроніки.

У свою чергу, технічна електроніка має чотири головних напрямки: радіоелектроніка, промислова електроніка, ядерна та біологічна елек­троніка.

Радіоелектроніка пов'язана з радіотехнікою, бо є основою радіо­зв'язку, телебачення, радіолокації, радіоуправління, радіонавігації, радіо­астрономії.

• Промислова електроніка пов'язана із застосуванням електрон­них пристроїв у різних галузях промисловості і обслуговує ці галузі при­строями контролю, керування, вимірювання, перетворення електрич­ної енергії, а також технологічним обладнанням.

Ядерна електроніка пов'язана з процесами отримання, вивчення та використання елементарних часток.

Біологічна електроніка охоплює використання електронних при­строїв у біологічних дослідженнях, особливо у медицині (медична елек­троніка).

Специфіка окремих галузей технічної електроніки полягає у особ­ливостях використання електронних пристроїв, їхніх схем та технічних характеристик. Так, наприклад, схеми й характеристики випрямлячів у потужних енергетичних установках відрізняються від схем та харак­теристик випрямлячів радіотехнічних пристроїв.

Слід зазначити, що в наш час прогрес майже в усіх галузях науки і техніки багато у чому зумовлений успіхами електроніки. Тому знання основ технічної електроніки необхідні інженерові будь-якої спеціальності.

Особливо важливо уявляти можливості сучасної електроніки для вирішення наукових та технічних задач у тій чи іншій галузі. Багатозадач керування, вимірювання, інтенсифікації технологічних процесів, що виникають у різних галузях техніки, можуть бути успішно розв'я­зані спеціалістами, знайомими з основами електроніки.

Промислова електроніка, якою ми в основному будемо займатися надалі, має три складові: інформаційна електроніка, енергетична елек­троніка, електронна технологія.

• Інформаційна електроніка складає основу електронно-обчис­лювальної та інформаційно-вимірювальної техніки, а також пристроїв автоматики. До неї належать електронні пристрої одержання, опрацю­вання та зберігання інформації, пристрої керування різними об'єктами та технологічними установками: пристрої, що обробляють інформацію, представлену у вигляді електричних сигналів (неперервних або диск­ретних).

• Енергетична електроніка пов'язана з питаннями перетворення електричної енергії та пристроями і системами перетворення електрич­ної енергії середньої і великої потужності. Сюди належать перетворю­вачі змінного струму в постійний (випрямлячі), постійного струму в змінний (інвертори), перетворювачі частоти, регулятори і т. п.

Електронна технологія забезпечує використання електронних при­строїв у технологічних цілях. Це, наприклад, застосування високочас­тотного генератора для сушіння деревини, нагріву, плавлення та зва­рювання металів, приготування їжі (НВЧ-піч) тощо.

Розвиток сучасної промислової електроніки нерозривно пов'язаний із досягненнями мікроелектроніки, яка, у свою чергу, базується на інтегральній технології. Остання дозволила отримувати вузли елек­тронних пристроїв, перш за все інформаційної електроніки, в мікрови-конанні - у вигляді інтегральних мікросхем.

Питаннями побудови електронних пристроїв на інтегральних мікро­схемах займається мікросхемотехніка.

Дисципліна "Електроніка і мікросхемотехніка" орієнтована на за­своєння знань зі застосування електронних пристроїв у різних галузях промисловості за їхньої побудови переважно на інтегральних мікро­схемах.

Вона тісно пов'язана з електротехнічними дисциплінами, що вивча­ються Вами у вузі, і базується на курсах вищої математики, фізики, теоретичних основ електротехніки, електричних вимірювань.

У свою чергу, ця дисципліна є базисом для вивчення основ обчис­лювальної техніки, автоматики, перетворювальної техніки, автомати­зованого електроприводу та інших спеціальних дисциплін.

Якщо подивитись на історію розвитку електроніки, то, насамперед зазначимо, що успіхи, досягнуті електронікою, історично значною мірою пов'язані з розвитком радіотехніки. Обидві ці галузі техніки розвивалися у тісному взаємозв'язку. Електронновакуумні та напівпро­відникові електронні прилади є основними елементами радіотехніч­них пристроїв і визначають найважливіші показники радіоапаратури. З іншого боку, необхідність вирішення багатьох проблем радіотехніки ставила перед електронікою ряд завдань, вирішення яких сприяло винаходу нових та удосконаленню існуючих електронних приладів, схе­мотехнічних рішень.

Електронні пристрої широко використовуються у радіозв'язку, теле­баченні, запису та відтворенні звуку, радіолокації та інших галузях радіо­електроніки. У той же час без них неможливо уявити сучасне облад­нання або вироби в автоматиці і телемеханіці, провідному зв'язку, атомній та ракетній техніці, астрономії, метрології, машинобудуванні, вимірювальній техніці, медицині і т. ін.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка