Методические указания по изучению дисциплины «электроника»

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение
2. Организационно-методические указания изучения дисциплины «электроника»
2.1. Цели и задачи изучения дисциплины
2.2. Связь с другими дисциплинами
2.3. Знания, умения и навыки, которые должен приобрести студент в результате изучения дисциплины
2.4. Временной график
3. Программа дисциплины «электроника»
4. Основные виды занятий и особенности их проведения при изучении дисциплины
4.1. Тематика лекционных занятий
4.2. Тематика практических занятий
4.3. Тематика лабораторных занятий
4.4. Зачет и экзамен
5. Контрольные задания по дисциплине «электроника»
6. Комментарии к изучению дисциплины, оформлению заданий и отчётов
6.1. Рекомендации по изучению дисциплины «электроника»
6.2. Общая методика решения задач
6.3. Требования к оформлению контрольных заданий и лабораторных работ
6.4. Требования к выполнению лабораторных работ
7. Список рекомендуемой литературы
7.1. Основная литература
7.2. Дополнительная литература

1. ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания предназначены для студентов заочной и дистанционной форм обучения, изучающих курс электроники. Пособие включает общие указания по изучению курса, методические указания по решению задач, рекомендуемую литературу, контрольные задания и вопросы для самопроверки по отдельным темам курса. Кратко рассматриваются вопросы лабораторного практикума, который проводится во время экзаменационной сессии.
Методические указания составлены в соответствии с программой дисциплины «электроника» для специальностей 210100 – управление и информатика в технических системах и 220400 – программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем. Данные методические указания могут быть также использованы при изучении дисциплины «электроника» и «физические основы электроники» других технических специальностей и направлений подготовки бакалавров и инженеров.
При разработке методических указаний обобщён опыт ранее изданных кафедрой методических руководств, а также учтен опыт работы в этом направлении других вузов.

2. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ «ЭЛЕКТРОНИКА»

2.1. Цели и задачи изучения дисциплины

Дисциплина «Электроника» является общетехнической базовой для изучения специальных дисциплин, предусмотренных государственным образовательным стандартом.
Целью преподавания дисциплины является обеспечение ясного понимания студентами физических принципов работы, методов изготовления и возможностей применения электронных устройств на полупроводниковых приборах, задач, решаемых с помощью электронных устройств, а также формирование представлений о математических методах их анализа и проектирования.
При изучении дисциплины студенты должны изучить основные этапы полупроводниковой технологии, освоить теорию полупроводниковых приборов и их использование в электронных схемах. Полученные в лекционном курсе знания используются студентами на практических занятиях, расчёте контрольных заданий и при выполнении лабораторного практикума для изучения режимов работы и возможностей применения полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

2.2. Связь с другими дисциплинами

Дисциплина «Электроника» базируется на знаниях студентов, приобретенных в курсах общей физики и математики, теории цепей и сигналов, электротехники.

2.3. Знания, умения и навыки, которые должен приобрести студент в результате изучения дисциплины

В результате изучения дисциплины студенты должны:
знать назначение, области применения и физические принципы работы основных электронных устройств;
уметь пользоваться справочной литературой для выбора элементов электронных схем, производить необходимые расчеты, составлять математическое описание функционирования устройств и определять их характеристики;
иметь представление о современном состоянии вопроса в области электронных систем и устройств, их совершенствовании, о тенденциях в развитии элементной базы и конструктивных особенностях используемых устройств.

2.4. Временной график

Общее количество часов, которое отводится на изучение курса – 198. Аудиторных часов – 40, из них: лекций – 16 часов, практических занятий – 8 часов и лабораторных занятий – 16 часов. На самостоятельную работу студентов отводится 158 часов.

3. ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «ЭЛЕКТРОНИКА»

1. Основные задачи, решаемые электронной техникой.
Обработка и передача информации посредством электрических сигналов. Аналоговые и цифровые устройства. Основные операции, выполняемые над сигналами электронными устройствами. Основные виды преобразования электрической энергии электронными устройствами. Технологии проектирования современных электронных устройств.

2. Основы полупроводниковой технологии.
Электропроводимость полупроводников. Типы электрических переходов. Теория p-n перехода. Основные и неосновные носители заряда. Движение свободных носителей. Способы управления проводимостью в полупроводниках. Перенос и рассеяние носителей в полупроводниках. Математическое моделирование p-n перехода. Уравнения, статические и динамические характеристики. Высокочастотные свойства, барьерная емкость p-n перехода. Пробой p-n перехода. Барьер Шоттки.

3. Диоды.
Вольтамперные характеристики (ВАХ), динамические свойства, основные справочные параметры. Эквивалентная схема замещения диода. Диод под внешним напряжением. Стабилитрон. ВАХ, эквивалентная схема замещения стабилитрона, справочные параметры. Применение стабилитронов. Туннельный диод.

4. Биполярный транзистор.
Теория работы и принцип действия биполярного транзистора. ВАХ транзистора. Четыре режима работы транзистора (отсечка, насыщение, активный и инверсный). Схемы замещения. Н-параметры малосигнальной модели биполярного транзистора и их определение. Высокочастотные свойства биполярного транзистора. Работа транзистора в схеме. Температурная стабильность каскадов на биполярном транзисторе.

5. Полевой транзистор.
Теория работы и принцип действия полевого транзистора. ВАХ транзистора. Схема замещения. Основные параметры транзисторов. Высокочастотные свойства полевого транзистора. Работа полевого транзистора в схеме.

6. Тиристор.
Принцип действия, основные характеристики и параметры, области применения тиристоров.

7. Усилитель электрических сигналов.
Усилители различного назначения, их основные характеристики и показатели работы. Линейные и нелинейные искажения. Основные схемы включения активных элементов. Сравнительные характеристики усилительных каскадов. Усилительные каскады на биполярных транзисторах. Анализ по постоянному и переменному токам. Режимы работы транзисторов. Анализ усилителей в области низких и высоких частот. Составной транзистор. Дифференциальный усилительный каскад.

8. Некоторые вопросы общей теории обратных связей применительно к усилительным устройствам.
Влияние отрицательной обратной связи на входное и выходное сопротивление и амплитудно-частотную характеристику усилителя. Проблема устойчивости усилителя с обратной связью.

9. Генератор электрических колебаний.
Генераторы гармонических сигналов и основные принципы их построения. Генераторы сигналов специальной формы. Генератор на туннельном диоде.

10. Операционный усилитель (ОУ).
Принцип работы, основные характеристики и параметры операционных усилителей. Обеспечение статического режима работы ОУ. Функциональные преобразователи сигналов на ОУ. Модель идеального ОУ и ее использование для анализа основных функциональных преобразователей сигналов.

11. Устройства преобразования электрических сигналов.
Умножители и преобразователи частоты. Модуляторы. Детекторы. Масштабные усилители.

12. Источники электропитания электронных устройств.
Диодные выпрямители. Схемы выпрямителей. Стабилизаторы питающих напряжений. Фильтры. Параметрические, компенсационные и импульсные стабилизаторы напряжения.

13. Основы оптоэлектроники и криоэлектроники.
Назначение и характеристики оптоэлектронных приборов. Фотодетекторы. Модуляторы.

14. Основы цифровой электроники.
Преимущества цифровой электроники. Транзисторный ключ. Элементы И, ИЛИ, НЕ. Схемотехника и основные параметры элементов. Основы алгебры логики. Теоремы алгебры логики. Минимизация логических функций. Комбинационные логические устройства. Примеры комбинационных устройств. Цифровые устройства: триггеры, счетчики, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи.

4. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЗАНЯТИЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРОВЕДЕНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. Тематика лекционных занятий

1. Основные задачи, решаемые электронной техникой (1 ч.) Основы полупроводниковой технологии (1 ч.)
2. Диоды (1 ч.) Биполярный транзистор (1 ч.)
3. Полевой транзистор (1 ч.) Тиристор (1 ч.)
4. Усилитель электрических сигналов (1 ч.) Теория обратных связей в усилителях (1 ч.)
5. Генератор электрических колебаний (1 ч.) Операционный усилитель (1 ч.)
6. Устройства преобразования электрических сигналов (1 ч.) Источники электропитания электронных устройств (1 ч.) Основы оптоэлектроники и криоэлектроники (1 ч.)
7. Основы цифровой электроники (4 ч.)

4.2. Тематика практических занятий

1. Сигналы, определение их параметров.
Дифференциальное уравнение как математическая модель электронных устройств. Комплексный коэффициент передачи. Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика. Переходная характеристика. Связь временных и частотных характеристик. Электрические фильтры. Цепь первого порядка. Частотные свойства RC-цепей первого порядка (НЧ и ВЧ фильтр). Граничная частота, коэффициент частотных искажений. Прохождение импульсных сигналов через RC-цепи первого порядка.

2. Методы расчёта нелинейных схем.
Схемы применения диода и стабилитрона. Графический расчет. Аналитический расчет нелинейных схем. Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе. Назначение элементов. Анализ по постоянному и переменному току. Выбор рабочей точки транзистора. Энергетические режимы. Малосигнальная схема замещения усилителя, расчет основных параметров: коэффициента усиления, входного и выходного сопротивления. Расчёт элементов схемы. Оценка влияния обратных связей на характеристики усилителя.

3. Расчёт схем на интегральном ОУ.
Характеристики и параметры интегрального ОУ. Расчет функциональных преобразователей на основе ОУ: усилители, сумматоры, интеграторы и т.п.

4. Цифровая электроника.
Преобразование логической функции к минимальному виду. Синтез цифрового устройства по логической функции.

4.3. Тематика лабораторных занятий

4.3.1. Лабораторная работа 1. Исследование характеристик полупроводниковых диодов [1]
4.3.2. Лабораторная работа 2. Бестрансформаторные усилители мощности [2]
4.3.3. Лабораторная работа 3. Функциональное применение операционных усилителей [3]
4.3.4. Лабораторная работа 4. Исследование логических элементов И-НЕ [4]
4.4. Зачет и экзамен

Для получения зачета необходимо выполнить контрольное задание и лабораторные работы. Экзамен проводится в письменной форме. Экзаменационные билеты включают теоретический материал и задачи на расчёт электронных устройств и схем.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОНИКА»

5.1. Общая информация
5.2. Задание 1. Описание сигналов
5.3. Задание 2. Частотные характеристики линейных цепей
5.4. Задание 3. Расчёт линейного звукового усилителя
5.5. Задание 4. Расчёт мультивибратора на ОУ
5.6. Задание 5. Расчёт одновибратора на ОУ
5.7. Задание 6. Расчёт активной RLC цепи
5.8. Задание 7. Расчет фильтра нижних частот
5.9. Задание 8. Минимизация логических функций
5.10. Задание 9. Минимизация логических функций
5.11. Задание 10. Синтез логических устройств

6. КОММЕНТАРИИ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ, ОФОРМЛЕНИЮ ЗАДАНИЙ И ОТЧЁТОВ

7. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

7.1. Основная литература

1. Исследование характеристик полупроводниковых диодов. Методические указания к лабораторной работе для студентов электротехнических специальностей / С.А. Зайдман. Томск: изд-во ТПИ, 1980. – 13 с.
2. Бестрансформаторные усилители мощности. Методические указания к лабораторной работе для студентов электротехнических специальностей / В.М. Сергеев. – Томск: изд-во ТПУ, 2000. – 8 с.
3. Функциональное применение операционных усилителей. Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Электронные устройства информационно-измерительной техники» для студентов электротехнических специальностей всех видов обучения / Э.И. Цимбалист. – Томск: изд-во ТПУ, 1995. – 20 с.
4. Исследование логических элементов И-НЕ. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Электроника и микроэлектроника» для студентов электротехнических специальностей всех видов обучения / В.Л. Ким. – Томск: изд-во ТПУ, 2000. – 12 с.
5. Сергеев В.М. и др. Электроника: учеб. пособие. ч. 1. – Томск: ТПУ, 2000.
6. Сергеев В.М. и др. Пособие для курсового проектирования (расчёт основных электронных устройств). – Томск: ТПУ, 1979.
7. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – СПб: Корона принт, 2000 – 416 с.
8. Электроника и радиотехника / Э.И. Цимбалист – Томск: ТПУ, 1975.
9. Электротехника / Под. ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985.
10. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н. Общая электротехника. –- М.: Энергоатомиздат, 1985.
11. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1983.
12. Сборник задач по общей электротехнике / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1986.
13. Основы промышленной электроники. Учеб. пособие / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1986. – 335 с.
14. Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника. – М.: Недра, 1990. – 373 с.
15. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств. – М.: Высшая школа, 1989. – 335 с.
16. Глазенко Т.А., Прянишников В.А. Электротехника и основы электроники. Учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 1996. – 207 с.
17. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.
18. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.
19. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991.

7.2. Дополнительная литература

20. Джонс М.Х. Электроника: практический курс. – М.: Постмаркет, 1999.
21. Электротехника. Программированное учебное пособие / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1983.
22. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. – М.: Мир, 2001.
23. Общая электротехника / Под ред. А.Т. Блажнина. – Л.: Энергия, 1979.
24. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М.: Энергия, 1973.
25. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства. – М.: Радио и связь, 1992.
26. Иванов А.А. Справочник по электротехнике. – Киев: Вища школа, 1984.

Контактная информация
О.В. Стукач
Томский политехнический университет
просп. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия
E-mail: tomsk@ieee.org