Чижма С.Н. - Основы схемотехники 2008

УДК 62 ! . 3 82 (075. 8) ББК 32.85я73 ь! 59 Чижмв С. Н. Ч $9 Основы схемотехники; Учебное пособие для вузов, — Омск: Издательство «Апельсин», 2008. — 424 сл ил, 1БВХ 978-5-903328-11-6 Изложены принципы построения современных устройств электронных систем, предназначенных для формирования, генерирования и обработки информационных сигналов. В пособии нашли огра>кение последние достижения в элементной базе. Особое внимание улслено устройствам аналого-цифрового преобразования — АЦП и ЦАП, а также последним достижениям в области полупроводниковой памяти и программируемых логических интегральных схем.

ТЫз рго!есг Ьаз Ьееп бзпдег! »чгЬ зпррогг ггпу гйс Епгореап Согпш!за!оп, ТЫз рпЫшагюп гейесгз гйе шегчз оп)у оТ гйе ацгйог, апг! гйе Соплтпзгйоп саплог Ье ЬеЫ гезропыЫе Гог апу пас аЫсЬ гпау Ье шпаг!е оТ гйе !пбогпийоп сопгашес! гЬеге!и. Выпущено за счет средств «ТЕМПУС» УДК62!.382(075.8) ББК32. 85я73 О Чижма С.Н., 2008 © Издательство «Апельсин», 2008 ВВЕДЕНИЕ Электроника — наука о теории и практике работы электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборов и устройств. Микросхемотехника (интегральная схемотехника) — раздел электроники, охватывающий исследования и разработку схемотехнических решений (электрических и структурных схем), испольэуемых в интегральных микросхемах и электронной аппаратуре на их основе.

При этом аналоговая электроника охватывает только те электронные средства, которые предназначены для преобразования и обработки информации, изменяющейся по закону непрерывной функции, а цифровая электроника — средства для преобразования и обработки информации, изменяющейся по закону дискретной функции. Помимо этих двух понятий, применяют понятие «импульсная» электроника, смысл которого станет ясен из последующего изложения материала. Современную электронику можно разделить натри области: радиоэлектроника — раздел электроники, связанный с передачей, приемом и обработкой радиосигналов; энергетическая (промышленная или силовая), связанная с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики, электротяги, металлургии и пр.; информационная, к которой относятся электронные средства, обеспечивающие измерения, контроль и управление различными процессами, включая производство и научные исследования.

Электроника является универсальным и исключительно эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов. В последние годы прогресс в области обработки и передачи информации связан, в основном, с применением микропроцессоров и вычислительной техники. Сегодня компьютеры стали одними из самых массовых электронных устройств. С их помощью решаются сагиые сложные задачи в любой области деятельности современного общества. В состав современных компьютеров включаются разнообразные устройства усилительной, преобразовательной, радиоприемной и цифровой тех!шки.

Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ СЕРВЕР СЕТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ технологического пяоцессА ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОНТРОЛЛЕ ЦАП АЦП линии связи УСИЛИТЕЛЬ мощности УСИЛИТЕЛЬ мощности УСИЛИТЕЛЬ УСИЛИТЕЛЬ исполнительный МЕХАНИЗМ исполнительный МЕХАНИЗМ дятчик дхтчик ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС Рис.

!. Система управления технологическим процессом. На рис. ! приведен пример системы управления технологическим процессом. Датчики преобразуют информацию о параметрах технологического процесса в электрический сигнал. Эти сигналы фильтруются, уеиливаются и преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Затем они обрабатываются промышленным контроллером. Формируемые контроллером сигналы преобразуются в аналоговую форму с помощью цифра-аналоговых преобразователей ЩАП), усиливаются и подаются на силовые электронные устройства, управляющие исполнительными устройствами, непосредственно воздействующими на объект.

Рассмотренная система содержит электронные устройства, работающие с аналоговыми (усилители, исполнительные устройства) и цифровыми сигналамн «промьш1ленный контроллер), а также устройства, осушествляюшее преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно (А! (Г! и ЦАП). В процессе формирования, передачи и обработки электрические сигналы подвергаются различным преобразованиям: усилению, фильтрации для устранения искажений и защиты от помех, формируются цо форме, амплитуде, длительности. Для этого используют электронные устройства, которые состоят из электронных элементов и пассивных электрических цепей (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности), предназначенных для связи отдельных электронных элементов, либо выполняющих самостоятельные функции преобразования электрических сигналов. Характеристики электронных устройств определяются, прежде всего, характеристиками составляющих их электронных элементов.

Благодаря их уникальным особенностям формирование, обработка, преобразование электрических сигналов может осушествляться с частотой в десятки и сотни мегагерц, уровень сигнала может быть усилен от долей микровольта до сотен вольт, а его мощность — от долей нановатг до сотен киловатт. С помошью электронных цифровых и цифро-аналоговых устройств над электрическими сигналамн можно выполнять арифметические и логические операции, операции дифференцирования, интегрирования и преобразования практически по любому математическому закону. Электронные элементы современных электронных устройств выпускаются промышленностью в двух видах: !) в виде отдельных дискретных компонентов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.)„ 2) в виде микросхем (интегральных схем), в которых в одном корпусе в один функциональный узел объединен ряд отдельных элементов, выполненных, как правило, на одном кристалле полупроводника.

Элементы первого вида применяются преимущественно в силовых цепях автоматики, которые менее сложны по схемотехнике, рассеивают большее количество теплоты, имеют большие габаритные размеры. Используются они также в слаботочных цепях для согласования отдельных микросхем, корректировки характеристик некоторых устройств и в случаях, когда применение микросхем по тем или иным причинам нецелесообразно. Область использования элементов второго вида непрерывно расши рясгся.

Они выполняют все более сложные функции, включают в себя все большее число отдельных электронных элементов. Вершиной современного развития электроники является создание в одном корпусе (на одном кристалле) программируемых электронных элементов — микропроцессорных наборов и микроЭВМ, применение которых открывает новый этап в развитии всех областей техники, и в особенности автоматики. Независимо от степени сложности микросхем и широты выполняемых ими функций основу их структуры составляют элементарные схемы, физические принципы и особенности работы которых наиболее просто и эффективно проявляются при моделировании микросхем с помощью отдельных дискретных электронных и электрических элементов. Это способствует более глубокому пониманию принципов построения электронных устройств любой степени сложности, позволяет более эффективно и полно использовать их качества, упрощает процесс настройки и поиск неисправностей.

В силу этого в данном учебнике принят принцип нарастания сложности материала", простейшие электрические цепи, применяемые для решения разлнчнык задач в современной электронике; принципы работы, характеристики и особенности отдельных электронных элементов.„усилительные и ключевые свойства элементарных однокаскадных электронных схем; усилители, генераторы и формирователи электрических сигналов, выполненные на дискретных элементах, простейших интегральных схемах, интегральных схемах более''высокой степени сложности; простейшие цифровые микросхемы н состоящие из них более сложные функциональные устронства; устройства цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования, Таким образом, прн изучении каждой электронной схемы рассматриваются ее внешние характеристики и описывающие их математические и схемные модели, а затем анализируется ее работа как системы, состоящей из более простых элементов.