Схемотехника электронных средств: Рабочая программа, задания на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы

Министерство образования Российской Федерации Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра радиотехники

СХЕМОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ Рабочая программа Задания на контрольную работу Методические указания к выполнению контрольной работы

Факультет радиоэлектроники

Направление и специальность подготовки дипломированных специалистов: 654300 – проектирование и технология электронных средств; 200800 – проектирование и технология радиоэлектронных средств Направление подготовки бакалавров: 551100 – проектирование и технология электронных средств

Санкт-Петербург

2003

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.375: 621.374

Схемотехника электронных средств: Рабочая программа, задания на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы. – СПб.: СЗТУ, 2003 г. – 15 с. Рабочая программа соответствует требованиям государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654300 – “Проектирование и технология электронных средств”; специальность 200800 – “Проектирование и технология радиоэлектронных средств” и направлению подготовки бакалавров 551100 – “Проектирование и технология электронных средств”. Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры радиотехники 11 ноября 2002 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 14 ноября 2002 г. Рецензенты: кафедра радиотехники СЗТУ (зав. кафедрой Г.И. Худяков, д-р техн. наук, проф.); Л.Х. Нурмухамедов, канд. техн. наук, доц. кафедры технической электроники Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения, засл. машиностроитель России). Составители: Л. В. Бесчетнова, канд. техн. наук, доц., Ю. И. Кузьмин, канд. физ.-мат. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заоный технический университет, 2003

2

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ “СХЕМОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ” Уровень развития промышленности на современном этапе определяется научно-техническим потенциалом. Выпускники высшей школы должны иметь высокую общенаучную и профессиональную подготовку, уметь самостоятельно решать задачи технологии и проектирования электронных средств. Целью дисциплины “Схемотехника электронных средств” является знакомство с основами схемотехники аналоговых и цифровых электронных средств. Основными задачами дисциплины являются: • освоение принципов построения и функционирования устройств аналоговой и цифровой электроники; • умение рассчитывать нелинейные электронные цепи постоянного и переменного тока; • обобщение динамических показателей электронных средств, используя понятие передаточной функции. 2. СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

Микропроцессорные комплексы и устройства

Основы импульсной и цифровой схемотехники; основные импульсные устройства

Использование ЭВМ при проектировании электронных средств

Каскады предварительного усиления; оконечные усилительные каскады, операционные усилители

Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току

Обратная связь и ее влияние на показатели и характеристики аналоговых устройств

Основы схемотехники аналоговых устройств

Введение. Показатели и характеристики электронных средств

Схемотехника электронных средств

3

3. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (Объем дисциплины 110 часов)

Введение (2 часа) [1], c.4–10; [3], c. 5–14

Определение аналоговых и цифровых электронных устройств. Принципы их построения и область применения. Понятие о работе транзисторов в активной области и в режиме насыщения. Краткий исторический обзор развития отечественной аналоговой и цифровой электроники. Значение дисциплины "Аналоговые и цифровые электронные устройства" для подготовки радиоконструкторов; ее содержание и связь с другими дисциплинами учебного плана. 3.1. Показатели и характеристики электронных средств (4 часа) [1], c. 10–41; [3], c. 10–14

Требования к аналоговым и цифровым электронным средствам. Характеристики и показатели, определяющие усиление, преобразование и искажения аналоговых и импульсных сигналов. Входные и выходные показатели. Значение ГОСТов при формулировании требований к показателям электронных средств. 3.2. Основы схемотехники аналоговых устройств (6 часов) [1], c. 64–97; [2], c. 14–31

Линейные интегральные схемы (ЛИС) как основа современной схемотехники аналоговых устройств. Понятие о реальных структурах ЛИС и методах их реализации. Эквивалентные схемы замещения биполярного и униполярного транзисторов. Схемы включения транзисторов с общим эмиттером, коллектором, базой и расчет их параметров. Частотные свойства элементарных каскадов; шумовые свойства планарных структур. Источники нестабильности работы транзисторных каскадов.

4

3.3. Обратная связь и ее влияние на показатели и характеристики аналоговых устройств (6 часов) [1], c. 41–64; [2], c. 35–43

Принцип и назначение обратной связи. Основные способы ее обеспечения. Влияние обратной связи на основные показатели усилительных устройств и на чувствительность этих устройств к изменению параметров их элементов. Устойчивость устройств, охваченных отрицательной обратной связью, и ее определение с помощью различных критериев. 3.4. Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току (6 часов) [1], c. 108–134

Цепи питания, обеспечивающие режим работы транзисторов по постоянному току. Значение этих цепей. Обеспечение необходимого режима работы транзисторов по постоянному току с помощью простейших цепей. Влияние условий эксплуатации и разброса параметров транзисторов на режим их работы по постоянному току; необходимость стабилизации тока покоя выходной цепи транзистора. Стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току с помощью отрицательной обратной связи. Цепи, обеспечивающие стабилизацию в одиночных каскадах. Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току в многокаскадных устройствах с непосредственной связью между каскадами; дрейф нуля. 3.5. Каскады предварительного усиления (6 часов) [1], c. 135–182; [2], c. 44–73

Требования, предъявляемые к каскадам предварительного усиления, и особенности их анализа, связанные с мал ым уровнем входного сигнала, при котором нелинейность характеристик транзистора можно не учитывать. Модели усилительных элементов, используемые при анализе этих каскадов. Применение ЭВМ при расчетах по полным эквивалентным схемам. Значение машинных методов расчета при разработке усилителей, изготавливаемых по интегральной технологии. Дифференциальный усилительный каскад. Основные свойства и расчет этого каскада. Коэффициент усиления по дифференциальному и синфазному сигналам. Относительное ослабление синфазной составляющей сигнала. Дифференциальные усилительные каскады с повышенным значением коэффициента усиления и входного сопротивления. Применение токового зеркала в дифференциальном каскаде. Частотные искажения в области нижних частот и искажения вершины импульса, возникающие в резисторных каскадах усилителей пере5

менного тока вследствие наличия разделительных конденсаторов и блокировочных конденсаторов в эмиттерной (истоковой) цепи усилительного элемента. Входные каскады предварительного усиления и их шумовые свойства; определение шумов, вносимых этими каскадами. 3.6. Оконечные усилительные каскады (6 часов) [1], c. 183–210

Требования, предъявляемые к оконечным каскадам усиления, и особенности их расчета, обусловленные использованием большого участка нагрузочной характеристики, нелинейность которой необходимо учитывать. Режим работы усилительных элементов в усилительных каскадах. Коэффициент полезного действия и допустимая мощность рассеяния на транзисторе с учетом температуры окружающей среды и наличия резистора. Однотактные каскады. Построение нагрузочных характеристик. Определение нелинейных искажений. Двухтактные оконечные каскады. Особенности работы и свойства двухтактных каскадов. Применение режима В. Нелинейные искажения в двухтактных каскадах. Бестрансформаторые двухтактные каскады в усилителях постоянного тока и в усилителях звуковой частоты. 3.7. Операционные усилители (10 часов) [1], c. 232–236; [2], c. 74–130, c. 148–214

Значение операционных усилителей как основы современных аналоговых электронных устройств. Типовые структуры и каскады операционных усилителей. Схемы включения ОУ в усилительной аппаратуре: инвертирующее, неинвертирующее, дифференциальное, логарифмическое, в режиме умножения сигналов. Выпрямители и детекторы сигналов; интеграторы и дифференциаторы. Простые полосовые схемы на ОУ: фильтр Баттерворта, линейный фильтр и активные фильтры. Генераторы синусоидальных колебаний с использованием стандартных RСцепей; мультивибраторы и компараторы на ОУ. 3.8. Использование ЭВМ при проектировании электронных средств (4 часа) [5], c. 65–70

Основные понятия о системе схемотехнического моделирования MICROCAP. Перечень решаемых задач. Порядок решения задач моделирования. Библиотека компонентов, состав библиотеки. Выбор из библиотеки компонентов, используемых в моделируемом радиоэлектронном устройстве. Изменения библиотеки и ее пополнения.

6

3.9. Основы импульсной и цифровой схемотехники (10 часов) [3], c. 29–145; [5], c. 31–65; [6], c. 146–221

Линейные формирователи импульсов, дифференцирующие и укорачивающие цепи, интегрирующие цепи; импульсные трансформаторы, линии задержки и формирующие линии. Нелинейные формирователи импульсов: диодные и транзисторные ключи, транзисторные переключатели тока, ограничители и фиксаторы уровня. 3.10. Основные импульсные устройства (14 часов) [3], c. 202–251, c. 351–373; [6], c. 360–390

Общие свойства триггеров и требования к ним. Симметричный транзисторный триггер. Схемы запуска триггера, обеспечение состояния покоя триггера. Варианты схем триггеров. Общая характеристика логических схем. Транзисторные логические схемы. Цифровые счетчики импульсов, дешифраторы, запоминающие устройства, регистры. Понятие о селекции импульсных сигналов. 3.11. Микропроцессорные комплексы и устройства (8 часов) [2], c. 305–355; [3], c. 360–373

Аппаратные средства микропроцессорных комплексов. Структуры и системы команд микропроцессора К5844К1. Основные принципы микропрограммного управления. Операции над входными данными, цифровые преобразователи. 3.12. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (18 часов)

№ Темы лекций п/п 1 Введение. Принципы построения электронных средств. Основные технические показатели электронных средств 2 Основы схемотехники аналоговых устройств 3 Оборотная связь и ее влияние на показатели и характеристики аналоговых устройств 4 Обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току 5 Каскады предварительного усиления и оконечные усилительные каскады 6 Операционные усилители 7 Основы импульсной и цифровой схемотехники 8 Основные импульсные устройства 9 Микропроцессоры, комплексы и устройства

Объем, часы 2 2 2 2 2 2 2 2 2 7

3.13. Темы лабораторных занятий (8 часов)

Темы лабораторных работ 1 1. Исследование свойств отрицательной обратной связи 2. Исследование операционного усилителя

3. Исследование триггерных и пересчетных устройств на микросхемах средней степени интеграции 4. Исследование функциональных импульсных и цифровых устройств

Объем, часы 2 2

2

2 2

Описание деятельности студента 3 При выполнении работы студент исследует влияние основных видов обратной связи на показатели усилителя При выполнении работы студент изучает основные схемы включения операционных усилителей и их показатели При выполнении работы студент собирает схемы триггеров и пересчетных устройств и исследует их свойства При выполнении работ студент исследует на стенде работу функциональных импульсных цифровых устройств

3.14. Темы практических занятий Темы практических занятий Выбор типов оконечных транзисторов и энергетический расчет оконечного каскада

Объем, часы 2

4. ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ 4.1. Методы расчета нелинейных цепей. 4.2. Типовые функциональные каскады полупроводникового усилителя. 4.3. Обратная связь в усилителях. 4.4. Схемотехника усилительных устройств на биполярных транзисторах. 4.5. Схемотехника усилительных устройств на полевых транзисторах. 4.6. Операционные усилители. 4.7. Преобразователи аналоговых сигналов на операционных усилителях. 4.8. Работа транзистора в ключевом режиме. 4.9. Триггерные и генераторные устройства. 4.10. Минимизация логических устройств. 8

4.11. Комбинационные логические устройства. 4.12. Последовательные логические устройства. 4.13. Арифметико-логические устройства. 4.14. Аналогово-цифровые преобразователи. 4.15. Цифроаналоговые преобразователи. 5. ЛИТЕРАТУРА 1. Оподчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник (Полный курс). – М.: “Горячая линия-телеком”, 1999. 2. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1983. 3. Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов. – М.: Высш. школа, 1984. 4. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Сов. Радио, 1979. 5. Импульсные устройства: Учеб. пособие. – Л.: СЗПИ, 1990. 6. Бесчетнова Л.В., Кузьмин Ю.И., Малинин С.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Письменные лекции. – СПб.: СЗТУ, 2001. – 128 с. 6. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ 6.1. В чем заключается основное отличие цифровых устройств от аналоговых? 6.2. Какие характеристики и показатели определяют усиление аналоговых сигналов? 6.3. Какие характеристики и показатели определяют преобразование импульсных сигналов? 6.4. Какие характеристики и показатели определяют преобразование аналоговых сигналов? 6.5. Какие характеристики и показатели определяют искажения аналоговых сигналов? 6.6. Какие характеристики и показатели определяют искажение импульсных сигналов? 6.7. Назовите входные показатели аналоговых устройств. 6.8. Назовите выходные показатели цифровых устройств. 6.9. Назовите выходные показатели аналоговых устройств. 6.10. Назовите входные показатели цифровых устройств. 6.11. Какие интегральные схемы являются основой современных аналоговых устройств? 6.12. Назовите источники нестабильности работы транзисторных каскадов. 6.13. Каково назначение обратной связи в аналоговых электронных устройствах? 6.14. Какие критерии определяют устойчивость устройств, охваченных отрицательной обратной связью? 9

6.15. Как влияют условия эксплуатации и разброса параметров транзисторов на режим их работы по постоянному току? 6.16. При каком условии можно не учитывать нелинейность характеристик транзисторов в каскадах предварительного усиления? 6.17. Что такое нагрузочная характеристика однотактного оконечного усилительного каскада? 6.18. Какие электронные схемы могут быть построены с помощью операционных усилителей? 6.19. Что такое селекция импульсных сигналов? 6.20. Что такое логические схемы? 7. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ Дисциплина “Схемотехника электронных средств” изучается в 7-м семестре. По изучаемому материалу студенты выполняют контрольную работу. Контрольная работа состоит из 2 задач. Варианты заданий студенты выбирают из соответствующих таблиц по последней цифре шифра. 7.1. Задание 1 Студенты решают задание 1, в котором необходимо рассчитать двухтактный трансформаторный оконечный каскад ОЭ (схема приведена на рис. 1) с транзисторами одинакового типа проводимости, работающими в режиме В.

Рис. 1. Трансформаторный оконечный каскад, работающий в режиме В Содержание расчетов

10

1. Определить режим работы транзистора по выходной цепи, рассчитав параметры Vкэ0 , I к 0 , I к max ,η . 2. Определить режим работы транзистора по входной цепи, рассчитав величины I б 0 ,U бэ0 , I вх 0 , Rвх , Pвх . 3. Рассчитать коэффициенты усиления каскада по току K I , по напряжению K V и по мощности K p . При проведении расчетов необходимо выполнить электри-

ческий расчет выходного трансформатора, определив индуктивность первичной обмотки L, активное сопротивление первичной r1 и вторичной r2 обмоток; рассчитать нелинейную стабилизацию исходного режима, определив сопротивление резисторов R1 и R2 =

Rш ⋅ R т . Rш + R т

Исходные данные для расчета приведены в табл. 1, в которой приняты обозначения: P2 – выходная мощность усилителя; Rн – сопротивление нагрузки; Е к – напряжение источника питания; t c max – максимальная температура окружающей cреды; f н – нижняя частота среза усилителя; М hl – допустимый коэффициент частотных искажений, обусловленных индуктивностью трансформатора. 7.2. Методические указания к решению задачи 1 1. Для расчета каскада используется графоаналитический метод. Колебательная мощность P~ , которую должен отдать транзистор, определяется в соответствии с выражением P~ = P2 / η T ,

где P2 – заданная величина мощности усилителя; η T = 0,6...0,85 – КПД выходного трансформатора. Варианты 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

Тип транзистора КТ814Б КТ814В КТ814Б КТ814В КТ814В КТ814Б КТ814Б КТ814В КТ816А КТ816Б

P2, Вт

Rн, Ом

Eк, В

tc max, °C

ƒн, Гц

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0

10 8 8 6 8 8 4 6 8 6

12 14 16 24 24 28 32 35 37 30

+35 +45 +40 +45 +40 +45 +40 +45 +30 +45

20 30 40 60 60 70 80 30 50 60

Таблица 1 Мhl 1,13 1,09 1,08 1,06 1,06 1,05 1,04 1,08 1,05 1,05

2. Исходное напряжение между коллектором и эмиттером рассчитывается как U кэ0 ≅ 0,9 E к . Амплитуда напряжения в коллекторной цепи U км = U кэ 0 − U OCT ,

где U OCT – остаточное напряжение, отсекающее на выходной статической характеристике транзистора область больших нелинейных искажений. 11

3. Максимальный ток коллектора I к max определяется как I к max = 2 P~ / U км ; ток покоя I кср ≅ I к max / π . 4. Потребляемая мощность Р0 рассчитывается следующим образом: P0 = 2 E к ⋅ I кср , где I кср ≅ I к max / π . 5. Режим работы каскада по входной цепи рассчитывается по входным и выходным характеристикам транзистора VT1 (рис. 2а, б). На выходной характеристике транзистора по рассчитанным I к max , I к 0 , Е к ,U бэ0 ,U КТ строим нагрузочную прямую и на пересечении нагрузочной прямой и кривых коллекторного тока определяем номинальный ток базы I б 0 и максимальный ток базы I б max . (рис. 2б). Отметив на выходной характеристике (рис. 2а) значение найденных токов I б 0 и I бм определяем соответствующие им значения начального базового смещения U бэ 0 и максимального базового смещения U бэ max . Амплитуды переменной составляющей входного напряжения U бм и тока I бм равны: U бм = U бэ max − U бэ0 ; I бм = I б max − I б 0 .

Входную мощность каскада определяем как Рвх =

1 I бм ⋅ U бм . 2

Входное сопротивление Rвх определяется как Rвх = U бм / I бм . Iб

Iк Iб max

Iб max

Iбо Iбо Uкэ Uбэ Uбэо

U

бэ max

Uост

Uкт Uкэо

Ек

Uбм а

б

Рис. 2. Входные (а) и выходные (б) характеристики биполярного транзистора 6. Расчет элементов температурной стабилизации выполняется следующим образом. Величина сопротивления делителя в цепи базы выбирается из соотношения Rдел = (0,5...1,5) Rвх , где эквивалентное сопротивление делителя 12

R1 ⋅ R2 , R1 + R2

Rдел =

причем R2 =

Rш ⋅ RT . Rш + RT

Требуемый коэффициент деления делителя смещения при температуре 20…25°C определяется следующим образом: δ = U бэ0 / Е к .

Последовательное сопротивление делителя ′ = R1 + R2 = Rдел

Rдел . δ (1 − δ )

Сопротивление плеч делителя 1 R1 = Rдел − R2 ; 1 R2 = δRдел .

Сопротивление резисторов Rш и Rт в контрольной работе не определяют. 7. Расчет электрических параметров выходного трансформатора производится в соответствии со следующими выражениями. Коэффициент трансформации по отношению к половине первичной обмотки n=

RН , η T Rk ~n

где Rk ~n =

U km . I max

Активное сопротивление половины первичной обмотки r1п = 0,58(1 − η Т ) Rk ~ n .

Активное сопротивление вторичной обмотки r2 = 0,42

1 − ηT

ηT

Rk ~ n .

Индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора L=

Rk ~ n − r1 2πf н M hl2 − 1

.

7.3. Задача 2 Спроектировать схему автогенератора линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН) ступенчатого типа на интегральных микросхемах с применением цифроаналогового преобразования для следующих параметров, указанных в табл. 2.

13

Таблица 2 tпр·10-6, с tобр·10-6, с Um вых, В ξср, %

1 0,1 20 5 0,1

2 1 30 6 0,2

3 10 40 7 0,3

4 20 50 8 0,4

Последняя цифра шифра 5 6 7 30 50 70 60 70 80 9 10 11 0,5 0,6 0,7

8 90 90 12 0,8

9 100 100 13 0,9

0 1000 110 14 1,0

7.4. Методические указания к решению задачи 2 1. Средняя величина коэффициента нелинейности определяет неравномерность характеристики схемы преобразования ЦАП (при равномерном шаге квантования): ξ ср = ∆U / U m вых ,

где U твых – максимальное выходное напряжение; U = U твых / n; n – требуемое число ступенек на интервале прямого хода t пр . 2. Требуемое число ступенек определяется по формуле n ≥ 10 / ξ ср .

3. Определив разрядность ЦАП по формуле m = log 2 n, необходимо выбрать тип ИМС ЦАП. 4. Уточняется число ступенек nУТ = 2 m. 5. Определяется напряжение, эквивалентное единице младшего разряда U = U т / nУТ .

6. Выбирается кодозадающее устройство на входе ЦАП, в качестве которого можно использовать либо счетчик с переменным коэффициентом счета, либо сдвигающий регистр. При этом оценивается необходимое число корпусов интегральных схем ⎤n ⎡ k = ⎥ ут ⎢, ⎦ kk ⎣

где k – число корпусов ИМС; kk – число разрядов счетчика в одном корпусе выбранной ИМС; ] [ – усреднение до ближайшего целого в сторону увеличения. 7. Определяется частота повторения входной импульсной последовательности fвх =nут/tпр. 8. В качестве генератора fвх имеет смысл использовать либо автоколебательный мультивибратор, либо таймер. Если fвх низкая (порядка единиц герц), то целесообразно между генератором и кодозадающим устройством включить счетчик с требуемым переменным коэффициентом счета. Рекомендуется величину fr выбирать равной 1 кГц, 1 МГц, 10 МГц. Требуемый коэффициент пересчета k д = f г / f вх .

9. Число требуемых корпусов счетчика q=kд/kд1, где kд1 – коэффициент пересчета счетчика, размещенного в одном корпусе ИМС.

14

К155ИЕ8

Кд=2

C

GN

К155ИЕ7 1 2 4

V1

V 32

К155ИД4 Р 2,5 МГц D

39,06 кГц A B

8

прямой +1 обратный − 1

К118ПА3 1 2 3 4

≥ 15 ≤0

ЦАП К155ИЕ7 1 2 4 8

Кд=256 К155ИЕ6

5 6 7 8

К155ЛН3

C V1 V 32

Р

+1 −1

Рис. 3. Функциональная схема автогенератора 10. По результатам расчета начертить функциональную схему автогенератора с указанием типов выбранных ИМС. При выполнении контрольной работы 2 рекомендуется использовать литературу [3]. Пример выполнения схемы автогенератора приведен на рис. 3.

15

Сводный темплан 2003 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Редактор А.В. Алехина Подписано в печать Б. кн.-журн.

.03.2003.

Формат 60 х 84 1/10.

П.л. 1,0. Б.л. 0,5. РТП РИО СЗТУ. Тираж 200. Заказ

Северо-Западный государственный заочный технический университет РОИ СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

16