 |
|
УКАЗАНИЯ ПО ИХ ИЗУЧЕНИЮ
Методические указания и контрольные задания
По дисциплине
«ЭЛЕКТРОНИКА»
Для студентов заочного обучения специальности
ЭВТ и АСУ электротехнического факультета
Пермь, 2008 г.
I. УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
В дисциплине "Электроника. " студенты знакомятся с исключительно важной и интересной отраслью современной техники - электроникой, представленной на современном этапе, в основном микроэлектроникой (для некоторых специальностей этот курс называется промышленной электроникой, электронными элементами автоматики и др.) Электроника играет огромную роль во всех областях человеческой деятельности. Особенно велика ее роль в техническом прогрессе. Круг вопросов, связанных с электроникой, весьма обширен и сложен. В курсе рассматривается лишь часть вопросов, таких, как физические основы действия и характеристики электронных полупроводниковых приборов, как дискретных, так и микроэлектронных; схемы и принцип работы распространенных, несложных электронных устройств, на базе которых создаются более сложные устройства различных управляющих и вычислительных систем.
Следует иметь в виду, что при самостоятельном изучении электроники студенты встречают ряд трудностей, связанных с появлением в ходе изучения новых понятий и явлений. Для успешного изучения дисциплины электроники необходимы знания основ электротехники (ТОЭ) и физики и достаточная настойчивость и систематичность при изучении. Для студентов читаются установочные лекции, в которых даются более подробные указания и уточнения по изучению дисциплины. На примерах раскрывается содержание некоторых (ключевых) тем, их глубина и порядок изучения. Для удобства изучения материал дисциплины разбит на небольшие темы, а в каждой теме выделены более мелкие вопросы, являющиеся ключевыми в данной теме, на которые следует обратить внимание при изучении.
В процессе изучения нужно выполнить контрольные задания, приведенные в конце указаний. После выполнения контрольных заданий студенты выполняют лабораторные работы в лаборатории электроники кафедры автоматики и телемеханики (лаб. 330, корпус А, комплекс) под руководством преподавателя. После получения зачетов по контрольным заданиям и по лабораторным работам (по лабораторным работам студенты сдают отчеты индивидуально) студенты допускаются к сдаче экзамена и зачета.
Распределение объемов учебных занятий по дисциплине приведено в табл. 1.
Таблица 1
| Занятия, часов | ||||||
| Дисциплина | Семестр | Лекции | Лабор. работы | Самост. работа | Выполнение контр. работы | Контроль |
| Электроника | Контр. работа | Экзамен |
Основной формой изучения дисциплины является самостоятельная работа с использованием рекомендованной литературы. Можно использовать другую учебную литературу (не приведенную в списке), предназначенную для вузов или для радиотехнических и электротехнических техникумов. Литература для радиолюбителей и неэлектротехнических учебных заведений не годится.
II. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1982.
2. Бобров И.И., Кропачев Г.В. Физические основы микроэлектроники. Часть 1. Пермь: ПГТУ, 1995.
3. Бобров И.И., Кропачев Г.В. Физические основы микроэлектроники. Часть 2. Пермь: ПГТУ, 1998.
4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.
5. Алексенко А.Г., Шагурин А.А. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1982.
6. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Горячая линия – Телеком, 1999.
Дополнительная
7. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977.
8. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.: Сов. радио, 1980.
9. Бобров И.И. Управляемые и неуправляемые преобразователи. - Пермь: ППИ, 1973.
10. Бобров И.И. Основы промышленной электроники. - Пермь: ППИ, 1971.
11. Бобров И.И. Расчет дискретных и микроэлектронных усилителей: Пермь, ПГТУ, 1998.
III. Перечень тем
1. Введение.
2. Полупроводники.
3. Электронно-дырочные переходы. Диоды.
4. Биполярные транзисторы.
5. Полевые транзисторы.
6. Тиристоры.
7. Выпрямители. Сглаживающие фильтры.
8. Транзисторные усилители низкой частоты.
9. Усилители мощности.
10. Обратная связь в усилителях.
11. Операционные усилители. УПТ.
12. Фильтры.
13. Транзисторные ключи. Логические элементы.
14. Триггеры.
15. Регистры.
16. Счетчики.
17. Комбинационные схемы.
18. Аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.
19. Генераторы гармонических колебаний.
20. Импульсные генераторы. Мультивибраторы.
IY. СОДЕРЖАНИЕ ТЕМ И МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ ПО ИХ ИЗУЧЕНИЮ
При изучении дисциплины электроники следует пользоваться, как правило, основной литературой. В ней наиболее доступно и кратко изложены основные вопросы программы дисциплины электроники. В дополнительной литературе эти же вопросы изложены более полно и строго, с использованием математического аппарата, как в области дискретной электроники [4], так и в области цифровой техники [5]. Работы [6,7] могут облегчить выполнение контрольных работ.
Для каждой части темы указаны источники литературы с указанием глав и параграфов, например, [2, гл.3, §4,6]. Первым всегда указан тот источник, который наиболее полно соответствует программе.
1. Введение.
Роль электроники. Особые свойства электронных приборов. Развитие электроники. Дискретные полупроводниковые приборы. Интегральные схемы.
Литература: [1, 2, 3, 4].
2. Полупроводники.
Общая характеристика полупроводниковых материалов. Собственные полупроводники - кристаллическая структура, зонные диаграммы. Примесные полупроводники n-типа (электронные) и р-типа (дырочные) - кристаллическая структура, зонные диаграммы.
Прохождение тока через полупроводники: электронная и дырочная, дрейфовая и диффузионная составляющие полного тока в полупроводнике.
Литература: [1, §1,1], [2, гл. 1], [7, гл. 1]
3. Электронно-дырочные переходы. Диоды.
Образование и равновесие электронно-дырочного перехода (р-n-перехода) в кристалле с резкой границей между зонами с разным типом проводимости (между р- и n-зонами). Токи в p-n-переходе в равновесии (тепловой и диффузионный). Смещение p-n-перехода внешним напряжением. Прямое и обратное направление. Эквивалент ключа.
Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода (теоретическая).
Диоды. Устройство и принцип действия. Сопоставление с p-n-переходом. ВАХ диода теоретическая и реальная Различия реальной и теоретической ВАХ. Пробой p-n-перехода (диода). Параметры диода.
Разновидности диодов: выпрямительные диоды (силовые, средней и малой мощности), кремниевые стабилитроны, импульсные диоды, туннельные и обращенные диоды. Дополнительные параметры, характеризующие различные группы диодов (например, стабилитронов, импульсных диодов и др.).
Литература: [1, §1,2], [2, гл. 3,4,5], [4, §2.3 ¸ 2.6], [7, гл. 2,3].
4. Биполярные транзисторы.
Этот раздел является ключевым для всего курса электроники, поэтому проработать (изучить) его следует особенно внимательно.
Биполярный бездрейфовый транзистор p-n-p и n-p-n-типа. Устройство и принцип действия p-n-p-транзистора. Потенциальная диаграмма. Потоки носителей в эмиттерном и коллекторном р-n-переходах и в базе. Управление током коллекторного перехода. Коэффициент передачи тока a. Связь величины a с толщиной базы W и со средней длиной диффузии Lp дырок в n-области (базе). Транзистор n-p-n-типа и его отличия от р-n-p-транзистора.
Три схемы включения транзистора в электрической цепи: ОБ, ОЭ, ОК и краткая их характеристика.
Статические характеристики транзистора - выходные (коллекторные) и входные (эмиттерные) для схем ОБ и ОЭ. Предельные режимы по постоянному току.
Литература: [1, § 1.3], [3, § 1.1 ¸ 1.4], [4, § 2.7], [7, § 4.1 ¸ 4.3].
Режим малого сигнала (малых приращений DI , DU). Внутренние малосигнальные параметры транзистора: rэ, rб, a(b), rk(rk*), Ck(Ck*). Т-образная эквивалентная малосигнальная схема транзистора ОБ и ОЭ с использованием внутренних малосигнальных параметров. Зависимость внутренних малосигнальных параметров от режима (Ik, Uk) и от температуры.
Литература: [1, § 1.3], [3, § 1.6], [4, § 2.7], [7, § 4.4 ¸ 4.7].
Четырехполюсниковые малосигнальные параметры - h-параметры транзистора. Эквивалентная схема транзистора с использованием h-параметров (малосигнальная). Достоинства и недостатки h-параметров. Связь h-параметров с внутренними малосигнальными параметрами. Определение h-параметров по статическим характеристикам транзистора.
Литература: [1, § 1.3], [3, § 1.6.2], [4, § 2.7], [7, §4.8].
Частотные свойства транзистора (инерционность). Время прохождения (пролета) базы инжектированными носителями ta. Зависимость коэффициента передачи тока a от частоты. Барьерная емкость Ск. Граничная частота fa.
Дрейфовый транзистор и его частотные свойства. Наличие электрического поля в базе и его роль. Время пролета ta дрейфового транзистора и влияние электрического поля в базе на это время. Сопоставление частотных свойств (инерционности) дрейфового и бездрейфового транзисторов.
Литература: [1, § 1.3], [3, § 1.7], [4, § 2.7], [7, § 4.12].
5. Полевые транзисторы.
Особенности полевых транзисторов. Управление выходным током при помощи электрического поля. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (унитрон). Устройство и принцип действия. Режим обеднения. Статические характеристики: стоковые (выходные) и стоково-затворные (передаточные).
МОП-транзисторы. Структура и особенности МОП-транзисторов.
МОП-транзисторы со встроенным каналом n-типа. Устройство и принцип действия. Режимы обогащения и обеднения. Статические характеристики: стоковые и стоково-затворные.
МОП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа. Устройство и принцип действия. Режим обеднения. Статические характеристики: стоковые и стоково-затворные.
Параметры полевых транзисторов. Малосигнальная эквивалентная схема.
Литература: [1, § 1.4], [3, гл. 2], [4, § 2.10], [7, § 5.4-5.5].
6. Тиристоры.
Общая характеристика тиристоров (структура, назначение, роль). Устройство и принцип действия тиристора. Схема включения тиристора в электрическую цепь. Вольтамперная характеристика (ВАХ). Состояния "включено", "выключено". Эквивалент ключа. Процессы включения и выключения тиристора. Параметры. Разновидности тиристоров.
Литература: [1, § 1.5], [3, гл. 3], [4, §2.9], [7, §5.3].
7. Неуправляемые выпрямители. Сглаживающие фильтры.
Назначение и классификация выпрямителей по напряжению, по мощности, по устройству.
Однополупериодный выпрямитель. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Правило нахождения выпрямленных величин (использование коэффициентов рядов Фурье). Расчетные соотношения для напряжений и токов (соотношения между величинами выпрямленных и переменных токов и напряжений).
Литература: [9, § 1.1 - 1.2].
Двухполупериодный выпрямитель. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Расчетные соотношения для напряжений и токов.
Литература: [1, § 5.2], [9, § 1.4].
Однофазный мостовой выпрямитель. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Расчетные соотношения для напряжений и токов.
Литература: [1, § 5.3], [9, § 1.5].
Работа выпрямителя на емкостную нагрузку (на фильтр типа "С"). Временные диаграммы. Вспомогательный параметр А. Графики параметров В(А), D(А), F(A). Пульсации, сглаживание пульсаций, график параметра Н(А). Определение величины емкости фильтра. Фильтр типа "L". Расчетные соотношения для токов.
Литература: [1, § 5.2], [9, § 1.7].
8. Усилители низкой частоты.
Назначение и классификация усилителей. Основные характеристики (параметры) усилителя: коэффициенты усиления, частотные, фазовые и нелинейные искажения, входное и выходное сопротивления.
Литература: [1, § 2.2], [10, гл. 2, § 1,2] , [4, § 4.1].
Усилительный каскад является базовым в аналоговой технике как дискретной, так и интегральной. Поэтому эта тема ключевая в электронике. Хорошие знания усилительного каскада – залог успешного изучения всей электроники и микроэлектроники. Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой (ОЭ). Схема, ее работа. Графический анализ работы схемы. Режим покоя. Выбор и задание режима покоя.
Литература: [1, § 2.2], [10, гл. 2, § 4] , [4, § 4.3], [7, § 6.1].
Стабильность режима покоя. Дестабилизирующие факторы. Способы стабилизации режима покоя - эмиттерная (основная) и коллекторная. Коэффициент нестабильности и его связь с параметрами схемы. Выбор элементов схемы для обеспечения заданный величины коэффициента нестабильности.
Литература: [1, § 2.2], [10, гл.2, § 5], [4, § 4.3], [7, § 6.2].
Режим каскада по переменному току (режим малого сигнала). Эквивалентная схема каскада для малых сигналов. Параметры усилительного каскада по переменному току (для области средних частот).
Частотная зависимость свойств каскада (частотная характеристика) в области низших частот. Элементы схемы, влияющие на частотную характеристику в области низших частот и выбор этих элементов для обеспечения заданного вида частотной характеристики в области низших частот. Частотная характеристика каскада в области высших частот. Выбор элементов, обеспечивающих заданную частотную характеристику в области высших частот.
Литература: [1, § 2.2], [10, гл.2, §4, гл.3, §3], [4, §4.5], [7, §7.3, 7.4].
9. Усилители мощности.
Определение. Классы усиления А, В, АВ. Однотактный усилитель мощности класса А. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Режим большого сигнала. Графический анализ. Энергетические соотношения в усилителе мощности класса А (мощность в нагрузке Рн, мощность на выходе каскада Р2, мощность потребления от источника питания Рпотр, мощность рассеяния Ррасс, к.п.д. каскада hА, коэффициенты использования по току y и напряжению x).
Литература: [1, § 2.5], [10, гл.3. §5], [4, §4.12].
Двухтактный усилитель мощности класса В (АВ). Схема, ее работа. Временные диаграммы. Графический анализ. Энергетические соотношения. Здесь может рассматриваться либо трансформаторный, либо бестрансформаторный усилитель класса В (АВ).
Литература: [1, § 2.5], [10, гл.3. § 5], [4, § 4.12, §4.13].
Оценка нелинейных искажений (коэффициента гармоник) в усилителях мощности. Построение сквозной динамической характеристики. Определение коэффициента гармоник методом пяти ординат. Способы уменьшения нелинейных искажений.
Литература: [10, гл.3. §5].
10. Обратная связь в усилителях.
Виды обратной связи - паразитная и внешняя, последовательная и параллельная, обратная связь по напряжению и по току, положительная и отрицательная. Влияние отрицательной обратной связи на параметры усилителя. Применение отрицательной обратной связи в усилителях.
Литература: [1, § 2.6], [10, гл.3. § 6], [4, § 4.2].
11. Операционные усилители. Усилители постоянного тока (УПТ).
Определение УПТ. Межкаскадные связи. Дрейф нуля. Интегральный дифференциальный усилитель (ИС-ДУ) - основа УПТ. Схема ИС ДУ и ее работа. Генератор стабильного тока (ГСТ). Дифференциальный и синфазный сигналы. Отклик (реакция) ДУ на дифференциальный и синфазный сигналы. Балансировка ДУ. Параметры ДУ.
Операционный усилитель (ОУ). Схема, ее работа. Характеристики ОУ (передаточная и частотная). Параметры ОУ. Идеальный ОУ. Способы включения ОУ в усилительных схемах-инвертирующее и неинвертирующее. Их параметры. Понятие об устойчивости и коррекции ОУ.
Литература: [1, §2.7, §2.8], [6, §3.2, § 3.4 ¸ 3.6].
12. Фильтры.
Избирательные RC и LC-цепи. Активные фильтры нижних и верхних частот. Активные полосовые фильтры. Фильтры 1-го порядка. Фильтры 2-го порядка.
Литература: [4, §6.3-6.4], [5, §10.4].
13. Транзисторные ключи. Логические элементы.
Транзисторный ключ является базовым (основным) элементом импульсной и цифровой техники. Хорошее знание транзисторного ключа крайне необходимо для понимания и эффективного применения импульсных и цифровых устройств.
Схема транзисторного ключа и ее работа. Режим отсечки. Активный режим. Режим насыщения. Степень насыщения. Влияние глубокого насыщения на быстродействие ключа. Быстродействие ключа. Аналоговые и цифровые ключи.
Литература: [1, § 3.2], [10, гл. 9, § 5] , [4, § 7.3 ¸ 7.4], [7, гл. 14].
Логические элементы на транзисторах, диодах и резисторах, выполняющие операции отрицания (инвертирование) “НЕ”, логического сложения “ИЛИ”, логического умножения “И”. Двухступенчатые элементы “И-НЕ”, “ИЛИ-НЕ”. Базовый логический элемент транзисторно-транзистор-ный (ТТЛ) - “И-НЕ”.
Литература: [1, § 3.10], [6, § 1.1 ¸ 1.6], [4, § 8.1, § 8.2].
14. Триггеры.
Определение и классификация триггеров - синхронные и асинхронные, RS-, D-, T-, JK-триггеры. Асинхронный RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ. Асинхронный RS-триггер на элементах И-НЕ. Синхронный RS-триггер, тактируемый уровнем. Синхронный RS-триггер, тактируемый фронтом, по системе “MS” с запрещающими связями. Синхронный и асинхронный Т-триггеры. D-триггер. JK-триггер. Для всех триггеров нужно знать таблицы состояний, закон функционирования, принципиальные схемы на уровне логических элементов.
Литература: [1, § 3.12], [6, § 2.2 ¸ 2.4], [4, § 8.4].
15. Регистры.
Назначение и типы. Разряд регистра - элемент памяти, схемы приема и выдачи информации. Параллельные регистры (регистры памяти). Последовательные (сдвиговые) регистры, сдвиг вправо и влево. Реверсивные регистры. Универсальные регистры.
Литература: [6, § 2.6], [5, §5.2], [1, §3.14].
16. Счетчики.
Назначение. Двоичные счетчики. Параметры счетчиков. Последовательные счетчики с непосредственной связью. Таблица состояний. Последовательные счетчики со сквозным переносом. Суммирующие и вычитающие счетчики. Параллельные счетчики на синхронных Т-триггерах. Параллельные счетчики на асинхронных Т-триггерах (параллельные счетчики с переносом). Десятичные (декадные) счетчики.
Литература: [6, § 2.7], [5, § 5.3], [1, §3.13].
17. Комбинационные схемы. Шифраторы, дешифраторы. Мультиплексоры, демультиплексоры. Сумматоры. Понятие о ПЛИС.
Литература: [1, § 3.15], [5, § 3.2 – 3.4].
18. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Взаимное преобразование цифровых и аналоговых величин. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с резисторами веса. Пассивные микросхемы резисторных матриц. Простейший аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на базе ЦАП, счетчика и компаратора. АЦП с двойным интегрированием.
Литература: [5, § 11.4 – 11.8].
19. Генераторы (автогенераторы) синусоидальных колебаний.
Назначение автогенераторов. Диапазон частот. Трансформаторные LC-автогенераторы. Схема, колебательный контур и его роль, положительная обратная связь. Условия самовозбуждения - баланс фаз и баланс амплитуд. Частота генерации. Установление амплитуды колебаний. Трехточечные LC-автогенераторы - емкостная “трехточка”, индуктивная “трехточка”. Стабильность частоты LC - автогенераторов.
RC-автогенераторы, диапазон частот. RC - автогенератор с фазоповорачивающей цепочкой (на транзисторе или на ОУ). Схема, ее работа, условия самовозбуждения, частота генерации. RC-автогенератор с мостом Вина (на транзисторах или на ОУ). Схема, ее работа, условия самовозбуждения, частота генерации. Стабильность частоты RC-автогенераторов.
Литература: [1, § 2.11], [10, гл. 8, §§ 1,3,4,5], [4, § 8.6], [6, § 3.7.5].
20. Импульсные генераторы. Мультивибраторы.
Симметричный мультивибратор на транзисторах. Схема и ее работа. Временные диаграммы. Процессы заряда-разряда емкостей. Полупериоды Т1, Т2, период Т колебаний. Стабильность периода (частоты) колебаний.
Мультивибратор на ОУ. Схема, eе работа. Временные диаграммы. Период колебаний Т.
Мультивибратор на логических элементах И-НЕ. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Период колебаний Т. Стабильность Т.
Литература: [1, § 3.4], [10, гл. XI, §3], [6, §3.7], [7, §17.1].