Элементная база электронных устройств

А. Д. Артемов

ЭЛЕКТРОНИКА

Конспект лекций

Омск

Издательство ОмГТУ

2010

УДК 681.51 (078)

ББК 32.973 я 73

А 86

Рецензенты:

Ю. П. Котелевский, канд. техн. наук,
ген. директор ООО «АДЛ – Омск»;

В. И. Черняков, канд. техн. наук, доцент кафедры
«Электротехника и электрофикация» ОмГАУ

Артемов, А. Д.

А 86 Электроника:конспект лекций / А. Д. Артемов – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 88 с.

ISBN 978-5-8149-0938-1

В конспекте лекций отражены основные сведения по электронике, необходимые при разработке электронных устройств. Описаны пассивные и активные компоненты электронных цепей. Представлены свойства биполярных и полевых (униполярных) транзисторов, аналоговых и аналого-цифровых микросхем, интегральных микросхем, оптоэлектронных элементов. Изложены основные положения схемотехники цифровых микросхем. В лекциях отражены последние достижения в элементной базе, при этом уделено внимание схемотехнической реализации функций электронных устройств. Представлена содержательная часть микропроцессоров RISC архитектуры, сведения о компьютерном моделировании электронных устройств.

Предназначен для студентов дневной, вечерней и заочной форм обучения специальностей 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств» и 220401 – «Мехатроника».

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета

УДК 681.51 (078)

ББК 32.973 я 73

ISBN 978-5-8149-0938-1 © ГОУ ВПО «Омский государственный

технический университет», 2010

ВВЕДЕНИЕ

Электроника – это область науки и техники, которая занимается изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, принцип действия которых основан на протекании электрического тока в вакууме, газе, в твердом теле. Такими приборами являются: электронные приборы (ток в вакууме), ионные приборы (ток в газе), полупроводниковые приборы. В настоящее время наиболее распространены полупроводниковые приборы.

Часть электроники, которая занимается вопросами применения различных приборов, называется промышленной электроникой. Она разделяется на два направления.

1. Информационная электроника занимается вопросами управления различными процессами. К устройствам информационной электроники относятся: аналоговые усилители и преобразователи сигналов, генераторы сигналов, оптоэлектронные устройства, логические элементы, цифровые устройства, микропроцессорные системы. Они предназначены для измерения, обработки, передачи, хранения и отображения информации.

2. Энергетическая (силовая) электроника занимается преобразованием параметров электроэнергии. К устройствам энергетической электроники относятся: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения.

Конспект лекций «Электроника» посвящен информационной электронике, на которой базируются принципы функционирования, способы расчета и методы анализа соответствующих электронных устройств; является логическим продолжением курса «Общая электротехника».

Широкое применение информационной электроники базируется на возможности замены трудно измеряемых физических процессов соответствующими электрическими параметрами. Это позволяет относительно просто, в минимальных физических объемах, при высоком быстродействии и надежности функционирования реализовать требуемый алгоритм обработки информации, используемой в системах измерения, контроля и управления реально протекающих процессов. Подобные системы включают, как правило, три функциональных блока:

блок преобразования физической величины, преобразующий состояние процесса или объекта в соответствующий параметр электрического сигнала – датчик (первичный преобразователь);

блок преобразования электрических сигналов в электрические сигналы по заданному алгоритму – электронное устройство;

блок преобразования электрического сигнала в величину, с помощью которой осуществляется воздействие на состояние процесса или объекта – исполнительное устройство.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Классификация

Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передаче управления подразделяются на два класса: аналоговые (непрерывные) и дискретные (прерывные).

Аналоговые электронные устройства предназначены для приема и передачи электрического сигнала, изменяющегося по закону непрерывной (аналоговой) функции. В аналоговом электронном устройстве (АЭУ) каждому конкретному значению реальной величины на входе датчика соответствует однозначное, вполне определенное значение выбранного параметра постоянного или переменного тока. Это может быть напряжение или ток на участке электрической цепи, его частота, фаза и т. п.

Достоинством АЭУ являются: теоретически максимально допустимая точность и быстродействие; простота устройства.

Недостатками АУЭ являются: низкая помехоустойчивость и нестабильность параметров, обусловленные сильной зависимостью свойств от внешних дестабилизирующих воздействий: температуры, времени (старение элементов), действия внешних полей и т. п., большие искажения при передаче на значительные расстояния; трудность долговременного хранения результата; низкая энергетическая эффективность.

Дискретные электронные устройства (ДЭУ)предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, полученных путем квантования по времени и/или уровню исходной аналоговой функции. Поэтому действующие в них сигналы пропорциональны конечному числу выбранных по определенному закону значений реальной физической величины, отображенной в виде различных параметров импульсов напряжения или тока. Кроме конкретных значений параметров и их изменения для передачи информации используют последовательность или перепады импульсов. Основные параметры импульсных последовательностей, используемых в ДЭУ для отображения информации об импульсах и перепадах напряжения, изображены на рис. 1. а, б.

а) б)

Рис. 1. Основные параметры импульсов (а) и перепадов напряжения (б)

U_m – амплитуда импульса или перепада: наибольшее отклонение напряжения от исходного, установившегося значения U₀.

t_Ф, t_СП – длительность фронта и спада импульсов – временной интервал между моментами, в которые мгновенное напряжение удовлетворяет условию 0,1 U_m < u < 0,9 U_m.

Для перепадов аналогичные параметры называют длительностью фронта положительного t_Ф⁺ и отрицательного t_Ф^.

t_И – длительность импульсов – временной интервал между моментами на соседних интервалах t_Ф и t_СП, для которых u = 0,5 U_m.

T – период следования импульсов – временной интервал между моментами на соседних интервалах t_Ф и t_СП, для которых u = 0,5 U_m.

Величина f = 1 / T называется частотой следования импульсов;

t_n = T – t_И – длительность паузы между импульсами;

К_З = t_И / Т – коэффициент заполнения импульсов;

γ = Т / t_И – скважность импульсов.

К достоинствам ДЭУ следует отнести следующие.

1. В дискретных устройствах Р_И и Р_СР мощности связаны соотношением

Р_И = γР_СР.

При большой скважности (γ → ) можно получить существенное превышение мощности в импульсе над средним ее значением.

2. В ДЭУ усилительные приборы (транзисторы) используют в режиме (включено – выключено), при которых мощность, рассеиваемая в них, минимальна. Это повышает коэффициент использования усилительного прибора

К_ИС = Р_И / Р_{К max},

где Р_И = I_ИU_И – полезная мощность нагрузочного устройства;

Р_{И max} = I_ИU_П2 – мощность, рассеиваемая в выходной цепи усилительного прибора; U_П и U_П2 – напряжения нагрузочного устройства и выходной цепи.

3. Свойства дискретных устройств в меньшей степени зависят от нестабильности параметров используемых элементов. Меньшее тепловыделение в режиме ключа.

4. Помехоустойчивость ДЭУ выше, чем АЭУ, так как при передаче импульсов сокращается время, в течение которого помеха может повлиять на передаваемый сигнал.

5. ДЭУ характеризуется применением однотипных элементов в каналах передачи и хранения информации.

Указанные достоинства ДЭУ обусловили их широкое применение во многих областях как в силовой, так и информационной электронике.

По типу квантования сигнала ДЭУ делятся на три подкласса: импульсные, релейные и цифровые.

Импульсные электронные устройства реализуют квантование исходного сигнала по времени и преобразуют их в последовательность импульсов, как правило, неизменной частоты, хотя и нарушается непрерывность сигналов (информация) во времени, сами значения для выбранных моментов времени точно соответствуют значениям – непрерывность сигнала по величине сохраняется.

Релейные электронные устройства(РЭУ) реализуют квантование исходного сигнала по уровню и преобразуют его в ступенчатую функцию, высота каждой из ступенек пропорциональна наперед заданной величине. Изменение уровня сигнала происходит в произвольные моменты времени, определяемые только заданными уровнями и величиной. Поэтому аналогично с ИЭУ в моменты формирования ступенек сигнал точно отражает значение исходного уровня по величине и времени. Следовательно, при дискретизации представления по величине в РЭУ сохраняется непрерывность отображения по времени.

Особенная область применения РЭУ связана не с преобразованием информации, а с преобразованием энергии, т. е. с силовой электроникой.

Цифровые электронные устройства(ЦЭУ) реализуют квантование исходного сигнала как по времени, так и по величине, поэтому в фиксированные моменты времени такие сигналы соответствуют приближенным значениям. Однако в любом случае сигнал имеет конечное число его значений.

Конечному числу дискретных значений исходной физической величины можно поставить в соответствие некоторое число. Процесс замены дискретных уровней сигнала последовательностью чисел называется кодом сигнала.

Устройства, занимающиеся формированием, преобразованием и передачей кодов, поставленных в соответствие реальным значениям физических переменных, называют цифровыми устройствами.

Достоинства ЦЭУ: высокая помехоустойчивость; высокая надежность; возможность длительного хранения информации без ее потери; экономичность, обусловлена высокой технологичностью и повторяемостью устройств; а также совместимость с интегральной технологией.