Евгений Николаев – Основы разработки электронных устройств (страница 1)
Основы разработки электронных устройств
Евгений Вадимович Николаев
© Евгений Вадимович Николаев, 2026
© Евгений Николаев, дизайн обложки, 2026
ISBN 978-5-0069-5684-1
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Николаев Евгений Вадимович
Основы разработки электронных устройств.
Автор – разработчик электроники специального назначения, имеющий за плечами более десяти лет практической работы. Более четырёх лет он также занимается преподавательской деятельностью (в институте и индивидуально).
Книга является практическим учебным пособием для студентов, самоучек и начинающих инженеров, которые хотят не просто повторять чужие схемы, а понимать и проектировать электронные устройства.
Вы хотите не просто изучать теорию, а хотите разрабатывать электрические схемы? Разрабатывать электронные устройства? Эта книга для Вас!
Аннотация
Обучаясь в высшем учебном заведении на кафедре радиотехнической электроники, я застал на своей и других кафедрах большое количество преподавателей в возрасте, увлечённых своим делом, с горящими глазами, лавирующих в истории развития электроники и принципах её работы, как рыбы в океане.
На тот момент мне казалась невероятной такая глубина понимания и такой уровень знаний – ещё и в хронологически верном порядке. Со временем у меня сложилось определённое предположение. Да, эти преподаватели читают свою дисциплину десятилетиями – отсюда такое познание. Хотя, разумеется, это не единственная причина: среди них встречались настоящие профессионалы своего дела, профессионализм которых напрямую не связан с таким количеством лет.
Но среди и первых, и вторых всё равно есть общий нюанс: человек прожил все эти этапы развития электроники. Она развивалась вместе с ним – от простого к сложному, так же, как те, кто рос в эпоху развития телефонов, помнят важность ИК-порта, Bluetooth. В том числе и поэтому среди сотрудников в возрасте больше специалистов: они разобрались в электронике от простого к сложному, буквально проживая её развитие.
Мы не учимся сразу бегать: сначала нам нужно научиться ходить, перед этим – делать один шаг, поднимать и опускать ногу, а до этого – держать равновесие.
В практической сфере инженерии без понимания процессов не создать рабочий, сложный, уникальный продукт – можно будет только повторять и получать нечто похожее, но уже более кривое.
В качестве аналогии можно вспомнить, как в школе при попытке списать непонятное слово из чужой тетради учащийся выводит максимально похожую закорючку на ту, что видит, в надежде, что тот, кто будет проверять, решит, что это то, что нужно.
Всё это привело меня к, казалось бы, всем известному подходу, который стал основой этой книги: от простого к сложному, от реализации устройств в условиях ограничений XX века до практически безграничных (на фоне тех ограничений) возможностей микроконтроллерных устройств.
Не устать, а понять и что-то обрести для себя – принцип, который я стараюсь сохранять в педагогической деятельности. Хотя «повтори так 100—500 раз, чтобы запомнить», никто не отменял – он является таким же рабочим. Не нужно слепо учить, нужно понять. Выученная информация без повторений или использования со временем может забыться. Информация, которую вы получили из практического опыта, останется с вами. Понимание, а не простое знание, позволит вам не просто делать, а создавать уникальное.
Эта книга нацелена на то, чтобы помочь вам понять. На основе опыта педагогической практики знаю, что это возможно, если вы не просто прочтёте эту книгу, а пройдёте материал с первой до последней страницы, не пропуская задания. Книга поможет понять, что делать, как делать и, самое главное, – зачем. Понять, как устроена электроника и почему она работает именно так.
Разработка материала и написание этой книги стали возможными благодаря моему десятилетнему опыту работы разработчиком электроники различного назначения и трёхлетнему опыту преподавания в институте.
ВВЕДЕНИЕ
Идея прийти к таким задачам и комплексу заданий пришла после классического вопроса одной студентки лично мне: «Зачем нам это нужно?». Вопрос, которым я и сам часто задавался во время своей учебы в университете, предпочитая осознавать значение того, что я делаю.
Материал книги направлен на проработку алгоритмизации задач проектирования электронных устройств и в целом формирования подхода к комплексной разработке, от проработки логики, проектирования электрических схем, до основ написания программного обеспечения.
Почему такое разнообразие? Нам приходится заниматься различной работой, и не все проекты нам близки, когда мы к ним приступаем. Хорошая новость заключается в том, что наш мозг устроен таким образом, что любая задача становится близка, если мы над ней достаточно долго работаем.
Поэтому учебные проекты, которые погружают в процесс на длительное время или вовлекают в свою историю – способны заинтересовать, в том числе поэтому каждая задача в книге имеет действительно глубокую степень погружения по количеству заданий или по степени описания условий.
Кроме того, в жизни иногда может не хватать необходимых условий, могут быть данные с другого проекта или тот, кто ставит задачу – не может обозначить вводные структурировано.
Книга подготавливает читателя ко всем вариантам.
Как читать?
Разумеется, вы можете прочитать эту книгу так, как вам будет удобно, но для того чтобы получить для себя из нее максимум я рекомендую определенный порядок описанный ниже.
Книга содержит три типа материала. Первый – это теория, которая приводится простым языком, благодаря личному опыту разработки и педагогической практики автора.
Главу «Создание полупроводниковой электроники» можно читать целиком, чтение можно сочетать с конспектированием, если так вы лучше усваиваете материал. Глава позволит понять взаимосвязь между разными полупроводниковыми приборами, взаимосвязь между разными дисциплинами и основу работы полупроводниковых приборов и электроники.
Второй тип материала – задачи. Обучающемуся задачи необходимы для усвоения знаний, преподавателю же они могут послужить в качестве материалов для практических, контрольных занятий или материалов для самоподготовки. Каждая задача содержит не только постановку задачи, но и описание обстановки, локации, для погружения читателя в задачу, для легкого изучения, и поясняющий материал, чтобы вопрос «зачем нам это?» сразу находил свой ответ в этой книге.
Глава «Операции основных операций с логическими сигналами» так же содержит теоретические сведения, но в конце главы содержит задания. Задания рекомендуется выполнять в полной мере. К прочтению следующей главы переходить после выполнения всех заданий.
К одним и тем же задачам приводится много заданий. Книга построена таким образом, что если вы не обладаете специализированными знаниями до чтения этой книги, то при первом прочтении книги вы можете выполнить только часть этих заданий. В заданиях каждой задачи это описывается. После полного прочтения книги вы можете вернуться к этим задачам и выполнить следующую часть заданий, в этот момент вы уже будете обладать необходимыми навыками и знаниями, либо, при необходимости, нужно изучить дополнительные сторонние теоретические материалы. Во всех задачах так же присутствуют задания, для выполнения которых требуется самостоятельная подготовка вне материалов этой книги и интересные задания могут найти для себя даже подготовленные специалисты.
Таким образом, для полной проработки материала необходимо будет после первого прочтения книги вернуться к первым задачам и изучить материалы книги второй раз в части задач. При каждом последующем изучении вы будете решать уже известные вам задачи другим способом или обращая внимание на другие нюансы.
Перед каждой задачей приводится описание, поясняющее для чего выполнение этой задачи читателю, чему он научится, что повторит и где и в каком виде это используется.
Третий тип материала – художественное повествование. Эта часть книги идет после теории и разнесена между задачами. Сюжет повествования вплетается в задачи, а постановка задач следует из истории. Эта часть книги рассказывает о работе в инженерии и реализации собственных проектов. В центре истории молодой специалист – разработчик электроники, который кроме основного места работы занимается своим проектом. Художественное повествование выделено курсивом. Этот тип материала является не обязательным в том случае, если вы хотите исключительно решать представленные в этой книге задачи.
1 Основы электроники
1.1 Развитие и основы полупроводниковой электроники
Люди всегда интересовались окружающим миром и проводили различные исследования. Так однажды установили, что есть тела, которые проводят электрический ток, сегодня, мы называем эти тела проводниками, а есть тела, которые его не проводят, такие тела назвали диэлектриками. С развитием науки установили, что носителями электрического тока в материалах являются электроны.
Позже заметили, что среди материалов встречаются те, которые проводят электрический ток, но только если его достаточно много. Такие материалы назвали полупроводниками. Если у проводников и диэлектриков были очевидные применения, то у полупроводников в таком виде нет.