Б.Ф.Лаврентьев
АНАЛОГОВАЯ И ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
Йошкар-Ола
2000
ВВЕДЕНИЕ
Значительный прогресс в развитии многих областей науки и техники обусловлен 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 доля
электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых,
высококачественных микроэлектронных функциональных узлов различного назначения.
Внастоящее время промышленность выпускает все электронные функциональные узлы, необходимые для создания устройств измерительной и вычислительной техники: интегральные усилители, коммутаторы, логические элементы, цифровые устройства и т.д. Типовые электронные узлы позволяют собрать нужный электронный блок без детального расчета отдельных каскадов. Необходимо только подобрать интегральные микросхемы, разработать схему их соединения и ввести обратные связи требуемого вида.
Вцелом электроника включает в себя два направления: энергетическое (силовое), связанное с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики, металлургии, электротяги и т.д., и информационное, к которому относятся электронные средства, обеспечивающие измерения, контроль
иуправление различными процессами во многих инженерных и неинженерных областях.
Настоящее пособие "Аналоговая и цифровая электроника" посвящено, в основном, информационной электронике и написано в соответствии с программой курса “Аналоговая и цифровая электроника” для студентов, обучающихся по специальностям 220500 “Конструирование и технология ЭВС” и 200800 “Проектирование и технология радиоэлектронных средств”.
Учебное пособие состоит из четырех разделов. В первом разделе рассмотрена элементная база электронных устройств, второй посвящен вопросам построения аналоговых и импульсных электронных устройств, третий цифровой
электронике и четвертый раздел содержит информацию по электронным устройствам хранения и преобразования информации.
Вданном учебном пособии изложены в сжатой и доступной форме основные разделы программы курса, рассмотрены принципы функционирования,
выбора и практической реализации электронных устройств различного назначения, методы их анализа и расчета. Особое внимание уделяется вопросам практического построения аналоговых и цифровых электронных устройств.
1.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
ИКЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле при воздействии электрических или магнитных полей.
В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития электроники:
Первое поколение (1904 -1950гг.) характеризуется тем, что основу
элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные и газоразрядные приборы. К ним относятся электронные лампы, электронно- вакуумные трубки, газоразрядные индикаторы и др.
Второе поколение (1950 - начало 60-х гг.) характеризуется применением дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.)
Третье поколение (1960-1980гг.) связано с бурным развитием
микроэлектроники и с созданием интегральных схем различной степени интеграции, а также микросборок. На этом этапе электронные устройства характеризуются резким увеличением надежности, уменьшением габаритов, массы, энергопотребления.
Четвертое поколение (с 1980 гг. по настоящее время) характеризуется
дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств с использованием больших и сверхбольших интегральных схем.
Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса: аналоговые и дискретные.
Аналоговые электронные устройства предназначены для приема,
преобразования и передачи сигналов, которые изменяются по закону непрерывной (аналоговой) функции. Аналоговые ЭУ отличаются простотой, быстродействием,
однако имеют низкую помехоустойчивость и нестабильность параметров при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, например температуры, влажности, времени и т.д.
Дискретные электронные устройства предназначены для приема,
преобразования и передачи электрических сигналов, представленных в дискретной форме. Такие устройства отличаются высокой помехоустойчивостью, небольшой потребляемой мощностью и стоимостью.
В свою очередь дискретные электронные устройства подразделяются на
импульсные и цифровые.
Импульсные электронные устройства формируют импульсную последовательность сигналов. Процесс преобразования аналоговой информации в последовательность импульсов носит название импульсной модуляции. На практике широко используется амплитудная, широтно-импульсная и фазоимпульсная модуляция.
Вцифровых электронных устройствах происходит кодирование сигнала,
т.е. преобразование его в определенную последовательность однотипных импульсов.
Цифровые электронные устройства в настоящее время получили очень широкое распространение благодаря высокой надежности, высокой помехоустойчивости, возможности длительного хранения информации без ее потери; энергетической совместимости и интегральной технологичности элементной базы.
Вряде электронных устройств имеет место аналоговая и цифровая информация. Такие устройства относятся к комбинированным электронным устройствам.
К аналоговым электронным устройствам относятся:
электронные усилители, операционные усилители, коммутаторы, компараторы, стабилизаторы напряжения и т.д.
К импульсным электронным устройствам относятся:
мультивибраторы, одновибраторы, триггеры, блокинг-генераторы, функциональные преобразователи, генераторы пилообразного напряжения, таймеры и т.д.
К цифровым электронным устройствам относятся:
логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры и т.д.
К комбинированным электронным устройствам относятся:
аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи.
Все выше перечисленные электронные устройства рассмотрены в последующих главах настоящего учебного пособия.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Перечислите основные этапы развития электроники.
2.В чем принципиальное отличие третьего поколения элементной базы электроники от второго поколения?
3.Классификация электронных устройств.
4.Назначение аналоговых электронных устройств.
5.Какие ЭУ относятся к аналоговым?
6.Какие ЭУ относятся к импульсным?
7.Какие ЭУ относятся к цифровым?
2.ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
2.1.Электровакуумные приборы
Кэлектровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-лучевые трубки, электровакуумные фотоэлектронные приборы, вакуумные люминесцентные индикаторы и др.
Принцип действия электровакуумных приборов основан на создании электронного потока и управлении этим потоком свободных электронов с помощью электрических или электромагнитных полей. Для получения потока
свободных электронов используется специальный металлический или полупроводниковый электрод, называемый катодом. Процесс выхода электронов из катода называется электронной эмиссией. Как известно, выходу электронов из катода препятствуют силы двойного электрического слоя у его поверхности. Для
преодоления тормозящего действия двойного электрического слоя электронам необходимо сообщить дополнительную энергию. В зависимости от способа
сообщения электронам дополнительной энергии различают следующие виды электронной эмиссии:
термоэлектронную, при которой дополнительная энергия сообщается
электронам при нагреве катода; вторичную электронную, которая возникает при бомбардировке катода
потоком электронов или ионов, двигающихся с большой скоростью; фотоэлектронную, при которой на поверхность катода воздействует электромагнитное излучение; электростатическую, при которой выход электронов из катода
обеспечивается сильным электрическим полем у его поверхности.
Всовременных электронных приборах широкое распространение получили катоды с термоэлектронной эмиссией прямого и косвенного накала.
Вкатодах прямого накала ток проходит непосредственно по катоду, нагревая его. Обычно они изготавливаются из вольфрамовой проволоки и нагреваются до температуры более 2000єС. Для увеличения количества электронов, выходящих из катода, последний покрывается активным слоем, например, торием. Катоды прямого накала отличаются большим уровнем шумов,