Гусев - Электроника (Гусев - Электроника)

В. Г. Гусев, Ю. М, Гусев Электроника Издание второе, переработанное и дополненное Допущено Государственным комитетом СССР по народному образование в качестве учебного пособия для студентов приборостроительных специальностей вузов 3 ""о ® Москва «Высшая школа» 1991 пиядисловия В данной книге использованы лекции, читаемые авторами в Уфимском авиационном институте, а также некоторые оригинальные результа~ы их научно-исследовательских работ по созданию электронных устройств автоматики и преобразователей измерительной техники. Главная цель, которая была поставлена при подготовке рукописи, заключалась в изложении основных положений электроники в доступной и лаконичной форме. Формализованные математические методы анализа практически не использовались, так как, несмотря на свои преимущества при расчете конкретных цепей, они затушевывают физическую картину происходящих процессов и не способствуют их целостному восприятию.

Было также учтено, что в настоящее время в процессе обучения большое внимание уделяется самостоятельной работе студентов. Для повышения ее эффективности необходимо, чтобы основные вопросы, важные для конкретной дисциплины, были изложены в ограниченном количестве литературных источников. Поэтому при подготовке второго издания книги сделана попытка собрать воедино сведения, которые требуются специалистам, занимающимся созданием электронных информационных устройств. При сборе материала и выборе мез одики его изложения большую роль сыграли обсуждения плана-проспекта, проведенные на кафедрах «Промышленная автоматика» и «Радиоэлектроника» Московского института электронной техники.

Авторы признательны д-ру техн, наук, проф. Б. И. Белову, д-ру техн. наук, проф. Л. И. Волгину, д-ру техн. наук, проф. В. Г. Домрачеву, д-ру техн. наук, проф. Н. Д. Дубовому, д-ру техн, наук, проф. Н. Е. Конюхову, д-ру техн. наук, проф. Ю. И. Коневу, д-ру техн. наук К.

Л. Куликовскому, д-ру техн. наук, проф. В. А. Кустову, д-ру техн. наук, проф. В. А. Лабунцову, д-ру техн. наук, проф. А. А. Маслову, д-ру техн. наук, проф. А. Ф. Сазонову за оказанную помощь при работе над рукописью. Авторы также выражают благодарность коллективу кафедры «Промышленная электроника» МИРЭА и зав.

кафедрой канд. техн. наук, доц. Г. И. Изаюровой за ценные замечания, сделанные при рецензировании данной работы. При подготовке книги большую помощь оказали сотрулники кафедр «Информационно-измерительная техника» и «Промышленная электроника» Уфимского авиационного института. Техническое оформление рукописи выполнено инженером Н. Н.Михайловой. Пожелания и замечания по книге просим направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29~14, издательство «Высшая школа».

Авторы ВВЕДЕНИЕ Значи.тельные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики и вычислительной техники. Причем тенденция развития такова, что лоля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых, высококачественных, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения. Они представляют собой полупроводниковые пластины малой толщины, на которой на площадях в доли — несколько квадратных миллиметров выполнены десятки тысяч электрически соединенных между собой в соответствии с требуемыми схемами элементов электроники (полевых и биполярных транзисторов, конденсаторов и др.).

Причем эти элементы, как правило, получают одновременно (по групповой технологии) в едином технологическом цикле, который почти полностью автоматизирован. Поэтому стоимость интегральных схем при массовом производстве мало зависит от количества в них элементов и разброс параметров от образца к образцу сравнительно невелик. Промышленность выпускает почти все электронные функциональные узлы, необходимые для создания устройств измерительной и вычислительной техники, а также систем автоматики: интегральные электронные усилители электрических сигналов; коммутаторы; логические элементы; пере- множители электрических напряжений; триггеры; счетчики импульсов; регистры; сумматоры и т. д. На основе больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем созданы и выпускают микропроцессоры и микропроцессорные комплекты, представляющие собой вычислительную машину или ее основные узлы, изготовленные в одном корпусе или в нескольких малогабаритных корпусах.

Функции, выполняемые интегральными схемами микропроцессоров, могут быть заданы подачей на их входы внешних электрических сигналов, осуществляемой по определенной программе. Тем самым данные микросхемы позволяют реализовать большое количество разнообразных операций по обработке цифровых сигналов без каких-либо изменений в технологии их изготовления.

Использование базовых матричных кристаллов и программируемых логических матриц является другим способом расширения функциональных возможностей интегральных схем. В массовом количестве изготовляются единые матрицы нескоммутированных (не соединенных между собой) элементов. Электрические связи между ними выполняют индивидуально на этапе формирования разводки, исходя из требований заказчика. Изготовив базовую матрицу или программируемую логическую матрицу одного типа, на ее основе можно создать сотни разнообразных функциональных узлов различного назначения.

Причем различие между базовыми матричными кристаллами и логическими программируемыми матрицами заключается в том, что в последних соединениях можно не только создавать, но и разрушать. Созданы также более простые полузаказные интегральные схемы, содержащие наборы элементов. Из них могут быть получены и аналоговые устройства, например усилители электрических сигналов. Это позволяет снизить затразы на проектирование и производство электронных устройств различного назначения и уменьшить сроки их внедрения в серийное производство.

В развитии электроники на протяжении многих лет остается стабильным только одно это непрерывное изменение элементной и схемотехнической баз. В связи с широким выбором интегральных схем, параметры которых известны из технических условий, изменились задачи, стоящие перед разработчиками электронной аппаратуры. Если раньше значительная часть времени уходила на расчеты режимов отдельных каскадов, определение их параметров, решение вопросов термостабилизации и т. п., то в настоящее время главное внимание уделяется вопросам выбора схем соединений и взаимного согласования микросхем. Типовые микроузлы позволяют собрать нужный электронный блок без детального расчета отдельных каскадов.

Разработчик электронной аппаратуры, определив, какие преобразования должен претерпеть электрический сигнал, подбирает необходимые интегральные микросхемы, разрабатывает схему их соединений и вводит обрат ные связи требуемого вида. И только в том случае, когда выпускаемые интегральные микросхемы не позволяют решить какой-то конкретный вопрос, к ним добавляют отдельные узлы на дискретных компонентах, требующие проведения соответствующих расчетов, или разрабатывают микросхемы частного применения.

Эффективное применение интегральных микросхем, особенно аналогового типа, невозможно без знания принципов их действия и основных параметров, а также теории электронных цепей. 11оэтому изучению данной дисциплины обычно уделяется повышенное внимание. У различных специальностей электротехнического профиля на изучение электроники выделяется разное количество часов. Соответственно в рабочих программах кафедрами устанавливается приоритет тех или иных разделов. Настоящая книга в первую очередь сориентирована на использование в учебном процессе специальностей информационного профиля. Вопросы создания силовых электронных цепей в ней практически не рассмотрены.

В то же время достаточно подробно изложены сведения о функциональных узлах и компонентах, применяемых в измерительной технике, приборостроении, автоматике, вычислительной технике. Книга будет полезна для студентов, углубленно изучающих основы электроники, а также для инженерно-технических работников при их переподготовке или изменении профиля работы. ГЛАВА) ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 5 1.1. РЕЗИСТОРЫ Ре з исто р ы (сопротивления) это наиболее распространенные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.

В зависимости от назначения резисторы подразделяются на две группы: 1) общего назначения (диапазоны номиналов 1 Ом- 10 МОм, номинальные мощности рассеивания 0,062— 100 Вт); 2) снеииалъного назначения, которые подразделяются на: а) высокоомные резисторы (от десятков мегаом до сотен тераом, рабочее напряжение 100--400 В); б) высоковольтные (сопротивления до 10 ' Ом, рабочее напряжение единицы — десятки кВ); в) высокочасз.отные (имею~ малые собственные емкости и индуктивности); г) прецизионные (повышенная точность — допуск 0,001 — 1Уго, стабилыюстлн номиналы 0,1 Ом !О МОм, номинальные мощности рассеивания до 2 Вт). Переменные резисторы подразделяются на подстрочные и регулировочные.