ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

В.В. Филинов, А. В. Филинова

Э лектроника и основы измерений

Учебное пособие

Курс лекций

Москва-2008

УТВЕРЖДЕНО

Ученым советом МГУПИ

в качестве учебного пособия

предоставлено кафедрой

электротехника и электроника

ИС-7 МГУПИ,

Зав.кафедрой д.т.н.,

проф. Шатерников В. Е.

Автор: д.т.н., профессор Филинов В. В.,

Старший преподаватель Филинова А.В.

«Электроника и основы измерений»

Представляет собой электронный вариант курса лекций, читаемой кафедрой ИС-7 МГУПИ по дисциплинам “электротехника и электроника” и “электроника” по разделу “Электроника и основы измерений”.

Предназначен для студентов технических направлений и специальностей МГУПИ.

Может быть использовано студентами для самостоятельной подготовки.

Рецензент -д.т.н., профессор Шкатов П.Н.

Компьютерная верстка – Аракелов П. Г.

© Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики. 2008

© Филинова А.В., Филинов В. В., 2008

Оглавление

1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ……………………………………5

1.1. Полупроводниковые приборы…………………………...............………….5

1.1.1. Общие сведения………………………......…………….................……..…...5

1.1.2. Полупроводниковые материалы……………………..................…………...6

1.1.3. Р-n-переход и его свойства………….………………................………..…...8

1.1.4. Полупроводниковые диоды………………………..................…………….12

1.1.5. Биполярные транзисторы………………………….................................…..19

1.1.6. Полевые транзисторы………………………………….................……..…..25

1.1.7. Тиристоры………………………………………..…….................………….29

1.2. Интегральные микросхемы……………………...…………………...…….30

1.3. Система обозначений полупроводниковых приборов и интегральных микросхем……………………………………............…….....................................32

2. ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ…………………………..34

2.1. Усилительные устройства..............................................................................34

2.1.1. Классификация усилителей............................................................................34

2.1.2. Параметры и характеристики усилителей....................................................35

2.1.3. Принцип работы усилителя. ..........................................................................38

2.1.4. Усилители напряжения с общим эмиттером

(Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой)......................................39

2.1.5. Эмиттерный повторитель..............................................................................45

2.1.6. Усилительный каскад на полевом транзисторе..........................................46

2.1.7. Истоковый повторитель................................................................................48

2.1.8. Усилители мощности.....................................................................................49

2.1.9 . Многокаскадные усилители.........................................................................51

2.1.10. Усилитель постоянного тока.. ....................................................................53

2.1.11. Обратные связи в усилителях......................................................................56

2.1.12. Операционный усилитель. ..........................................................................57

2.1.13. Избирательный усилитель………………………………………………...59

2.2. Генераторы электрических сигналов..........................................................60

2.3. Источники питания электронных устройств.............................................63

2.3.1. Однополупериодный выпрямитель...............................................................64

2.3.2. Мостовая схема выпрямителя........................................................................65

2.3.3. Сглаживающие фильтры................................................................................66

2.3.4. Внешняя характеристика выпрямителя........................................................68

2.3.5. Стабилизаторы напряжения...........................................................................68

3. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ………………………………70

3.1. Общие сведения………………………………………………………………70

3.2. Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов……………………………………………………………………………78

3.3. Импульсный режим работы операционных усилителей……………….78

3.4. Логические элементы, серии цифровых интегральных микросхем…..82

3.5. Триггеры………………………………………………………………………91

3.6. Счетчики импульсов………………………………………………………...93

3.7. Регистры, дешифраторы, мультиплексоры………………………………95

3.8. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП)………………………………………………………………………………..98

3.9. Основные сведения о микропроцессорах………………………………..102

4.ОСНОВЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ……………………………….107

4.1. Общие сведения и основные понятия …………………………………...107

4.2. Характеристики измерительных приборов……………………………..108

4.3. Системы электроизмерительных приборов…………………………….109

4.4. Условные обозначения на шкале приборов…………………………….114

4.5. Метод построения амперметров и вольтметров непосредственной оценки…………………………………….………………………………………116

4.6. Электронные приборы непосредственной оценки……………………..118

4.7. Измерение мощности в цепях постоянного тока и активной мощности в цепях переменного тока………………………………………………………121

4.8. Методы построения приборов сравнения (компенсация)…………….124

4.9. Измерение параметров электрических цепей…………………………..128

4.10. Измерения электрических величин цифровыми приборами……….129

4.11. Электронно-лучевой осциллограф……………………………………...132

Список рекомендуемой литературы…………………………………………..133

1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Полупроводниковые приборы

1. 1.1.1 Общие сведения

Электроника - область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, принципы построения и свойства устройств с их использованием.

В своем развитии электроника прошла несколько этапов. Первое электронное устройства (конец века) выполнялись на электровакуумных приборах (электронных лампах). С середины века широкое применение нашли полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры), изготовляемые как отдельные, самостоятельные элементы, из которых собирались электронные устройства. В последнюю четверть века основой многих электронных устройств стали интегральные микросхемы, представляющие пластинку полупроводника с размещенными на ней множеством транзисторов и других элементов электрических цепей. Со времени их изобретения (США, 1959г.) интегральные микросхемы постоянно совершенствуются и усложняются. В современных сверхбольших интегральных схемах счет уже идет на десятки миллионов транзисторов и других элементов.

В настоящее время для решения тех или иных задач (преобразования вида энергии, усиление сигналов, генерирование мощных излучений, управление электродвигателями, обработки цифровой информации, и ее отображение и т. п.) используются все виды электронных приборов, но явное преимущество сохраняется за полупроводниковыми приборами и микросхемами.

Элементарная база электроники включает в себя пассивные (не преобразующие электрическую энергию) и активные (преобразующие электрическую энергию) элементы.

К пассивным элементам относятся сопротивления (R), емкости (C) и индуктивности(L). Реальные компоненты отражающие свойства R, C и L - резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности могут существенно отличаться от их идеальных моделей. Эти отличия зависят от технологии, материала и условий эксплуатации.

Резисторы, помимо активного сопротивления, обладают ощутимой на высоких частотах проходной емкостью, включенной параллельно активному сопротивлению и составляющей от сотых долей до единиц пикофарад. Лакопленочные и иные резисторы, в которых используются сплошные слои проводящего материала, почти не имеют собственной индуктивности, и ею можно пренебречь вплоть до частот в сотни мегагерц, но между их проводящим слоем и другими частями схемы образуются паразитные конденсаторы с емкостями до несколько пикофарад. Как правило, эти емкости больше, чем проходные. Другой недостаток резисторов этих типов - сильная зависимость активного сопротивления от времени, температуры и влажности. Обычно сопротивление резисторов не выходят из пределов, оговоренных в технических условиях, но нельзя применить их в устройствах, рассчитанных на меньшие отклонения.

Проволочные резисторы обладают значительно большей температурой и временной стабильностью, но у них большие паразитные емкости и значительны паразитные индуктивности. В цепях, где точность и стабильность активных элементов имеет решающее значение, проволочные резисторы незаменимы.

Реальные конденсаторы еще больше отличаются от идеала, чем резисторы. Прежде всего, у них есть сопротивление утечки, шунтирующее емкость. Для высококачественных конденсаторов (например, слюдяных, фторопластовых, керамических и т.п.) собственные утечки составляют при малой влажности и нормальной температуре гигаомы (1 ГОм = 10 Ом) и в большей мере зависят от состояния поверхности корпуса или монтажной платы, чем от диэлектрика. Конденсаты с большими емкостями, например электролитические, имеют сопротивление утечки в сотни, иногда - десятки килоом, но зато могут иметь емкости до десятков и сотен тысяч мкФ. Промежуточное положение занимают бумажные и пленочные конденсаторы.

Катушки индуктивности, не имеющие ферромагнитных сердечников, могут быть достаточно близки к идеальной индуктивности, но даже в них сопротивление провода играет роль. В дросселях с сердечниками нелинейность последних приводит к тому, что отличия от идеальной индуктивности оказываются очень существенными. Другая особенность, вносимая сердечниками, - потери энергии на их перемагничивание и на вихревые токи Фуко в них. Эта энергия в конечном счете обращается в тепловую и ведет к нагреву сердечника. Последнее обстоятельство во много определяет КПД и качество трансформаторов.

1.1.2. Полупроводниковые материалы

Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками.

По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное электрическое сопротивление полупроводников при комнатной температуре лежит в пределах 10 -10 Ом см. В качестве полупроводниковых веществ используется кремний (Si), германий(Ge) (элементы IV группы периодической системы Менделеева), а также селен, арсенид галлия, фосфид галлия, и др.

Особенностью полупроводников отличительной от металлов и диэлектриков является их способность в широких пределах менять свою проводимость при изменении внешних энергетических воздействиях (температуры, света, электромагнитного поля, механических деформаций и т.д.).

Электропроводимость чистых однородных полупроводников при температуре, отличной от абсолютного нуля, обусловлена по- парным образованием (генерацией) свободных носителей заряда - электронов и дырок.