Методические указания. Электроника

### Методические указания

## Методические указания по изучению курса «Электроника»

Цель преподавания дисциплины состоит в изучении студентами принципов и особенностей работы полупроводниковых приборов, аналоговых и цифровых узлов и устройств.
В результате изучения курса студент должен знать устройство и принцип действия электронных приборов и основных типов функциональных узлов на их основе.
Студент должен уметь анализировать модели, определять параметры электронных приборов и функциональных широкого применения, объяснять назначение элементов и узлов электронной аппаратуры. Студент должен приобрести навыки выбора перспективных типов электронных приборов и функциональных узлов, компьютерного и натурного исследования полупроводниковых приборов и функциональных узлов на их основе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бобровский Ю.Л. и др. Под редакцией Федорова Н.Д. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. –М.: Радио и связь, 1998, -560 стр.
2. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь, 1990, -496 стр.
3. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. –М.: Высшая школа, 1987, -416с.
4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. –М.: Сов. Радио, 1980,-424стр.
5. Игнатов А.Н. Микроэлектронные устройства связи и радиовещания. –Томск: Радио и связь. Томское отделение, 1990, -400стр.
6. Бакалов В.П., Игнатов А.Н., Крук Б.И. Основы теории цепей и электроники – М.: Радио и связь, 1989,- 525 стр.
7. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника – Ростов-на-Дону «Феникс, 2000, -448 стр.
8. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – СПб: Корона-принт, 1998, -400 стр.

1. Полупроводниковые приборы
Вопросы, подлежащие изучению

1. Электронно-дырочный переход
2. Типы и свойства полупроводниковых диодов.
3. Биполярные транзисторы.
4. Полевые транзисторы.
5. Излучающие полупроводниковые приборы.
6. Фотоэлектрические приборы.

Пояснения к изучаемым вопросам.

Теоретический материал по полупроводниковым приборам (ПП) в достаточном объеме изложен в [ 6. стр.345-358].
При изучении этого материала необходимо усвоить основные фундаментальные понятия электроники:
- электропроводность ПП;
- дрейфовый и диффузионный токи;
- электронно-дырочный переход в состоянии равновесия, при прямом и обратном включениях.
Теоретический материал по разновидностям полупроводниковых диодов изложен в работах [ 6, стр. 359-360], [7, стр. 40-48].
Теоретический материал по биполярным транзисторам подробно излагается в учебных пособиях и учебниках [6, стр. 361-368], [7, стр. 53-86].
Основные вопросы теории ПТ в необходимом объеме рассматриваются в работах [6, стр. 369-378], [7, стр. 89-109].
Шумовые и частотные свойства транзисторов рассматриваются в учебнике [6, стр. 385-391].
Оптоэлектронные приборы рассматриваются в работах [6, стр. 406-410], [7, стр. 124-138].

Контрольные вопросы

1. Поясните свойства полупроводниковых материалов используемых в электронике.
2. Какой электропроводностью обладают полупроводники.
3. Дать определение дрейфовому и диффузионному токам в полупроводнике.
4. Объяснить устройство р-n-перехода.
5. Объяснить устройство р-n перехода при прямом включении.
6. Объяснить устройство р-n перехода при обратном включении.
7. Охарактеризовать типы и свойства полупроводниковых диодов.
8. Дать определение биполярному транзистору.
9. Изобразить и пояснить ход характеристик биполярных транзисторов.
10. Пояснить принцип действия биполярного транзистора.
11. Охарактеризовать дифференциальные Н-параметры биполярного транзистора.
12. Пояснить принцип действия полевого транзистора.
13. Принцип действия полевого транзистора с р-n переходом.
14. Пояснить принцип действия полевого транзистора со структурой МДП.
15. Изобразить и пояснить ход статических характеристик полевого транзистора.
16. Охарактеризуйте параметры полевого транзистора.
17. Охарактеризовать дифференциальные Y-параметры полевых транзисторов.
18. Изобразить и пояснить эквивалентные схемы полевых транзисторов.
19. Охарактеризовать эксплуатационные параметры биполярных и полевых транзисторов.
20. Пояснить работу биполярных и полевых транзисторов с нагрузкой.
21. Охарактеризовать усилительные свойства биполярных и полевых транзисторов.
22. Изобразить и пояснить частотные свойства биполярных и полевых транзисторов.
23. Охарактеризовать шумовые свойства биполярных и полевых транзисторов.
24. Объяснить устройство цифровых ключей на биполярных и полевых транзисторах.
25. Объяснить устройство аналоговых ключей на транзисторах.
26. Дать определение тиристорам.
27. Дать определение излучающим полупроводниковым приборам.
28. Дать определение фотоэлектрическим приборам.
29. Дать определение жидкокристаллическим индикаторам.

2. Элементы и узлы аналоговых устройств
Вопросы, подлежащие изучению

1. Понятие об интегральных операционных усилителях (ОУ), их характеристиках и параметрах. Основные типы ОУ.
2. Структура ОУ, назначение основных узлов ОУ.
3. Основные функциональные устройства на основе ОУ.
4. Аналоговые перемножители сигналов.
5. Аналоговые электронные ключи.

Пояснения к изучаемым вопросам

1. Понятие об интегральных операционных усилителях (ОУ), их основные характеристики и параметры изложены в [1, с. 239-242], [2, с. 381-385], [3, с. 313-324], [5, с. 90-98].
2. Современные интегральные ОУ содержат три каскада: входной, промежуточный и выходной. Входной каскад всегда является дифференциальным каскадом, промежуточный – каскадом сдвига уровня и выходной – эмиттерный повторитель [1, с. 224-239], [2, с. 375-381], [3, с. 308-313], [5, с. 99-102].
3. Обратите внимание на основной принцип применения ОУ – включение глубокой отрицательной обратной связи (ООС), позволяющей за счет избыточного коэффициента усиления обеспечить независимость параметров функционального устройства от параметров ОУ. Основные сведения о принципах применения ОУ содержится в [2, с. 385-398, 408-412] и [5, с. 102-106]. Очень коротко [1, с. 242-246] и [3, с. 325-327].
Одним из признаков классификации аналоговых устройств является полоса
(диапазон ) рабочих частот. Особую группу аналоговых ИМС составляют
схемы для частотной селекции [2, с. 398-408] и [5, с. 306-213].

4. Понятие об аналоговых перемножителях сигналов (АПС), примеры
построения устройств преобразования сигналов на основе АПС приводятся в [2, с. 462-470] и в [5, с. 265-273]. Следует отметить, что функции, реализуемые АПС, могут быть получены и без их использования, например, с помощью стандартных ОУ. Однако, применение специализированных АПС позволяет существенно повысить точность преобразования и расширить частотный диапазон.
5. Аналоговые электронные ключи и многоканальные электронные
коммутаторы используются в тех случаях, когда коммутируемая цепь должна быть изолирована от управляющей цепи, а коммутируемый аналоговый сигнал должен испытывать минимальные искажения при прохождении через коммутируемую цепь. Электронные ключи, используемые в логических ИМС, для этой цели, как правило, не пригодны, так как в них управляющая (входная) и коммутируемая (выходная) цепи имеют общую точку. Поэтому были разработаны специальные ИМС аналоговых коммутаторов на основе МДП-
транзисторов. Описание таких ИМС можно найти в [5, с. 148-160, 164-198].
Другим примером интегрального коммутатора аналоговых сигналов могут быть оптоэлектронные коммутаторы [5, с. 160-164].
Контрольные вопросы
1. Приведите характеристики и перечислите параметры ОУ.
2. Из каких основных каскадов состоят интегральные ОУ? Приведите схемы этих каскадов и поясните принцип их работы.
3. Начертите схему дифференциального усилительного каскада и поясните, какие точки являются входом схемы, а какие выходом; как влияет на величину выходного сигнала синфазный входной сигнал и дифференциальный входной сигнал; от каких факторов зависит коэффициент усиления?
4. Какие устройства обработки сигналов можно построить на основе ОУ?
5. Какие устройства преобразования сигналов можно построить на основе АПС?

3. Элементы и узлы цифровых устройств
Вопросы, подлежащие изучению

1. Определение понятий “цифровые устройства”, “цифровые интегральные микросхемы”. Система параметров цифровых интегральных микросхем (ИМС).
2. Транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Статический и динамический режимы работы. Ключ с диодом Шоттки. Ключи на полевых транзисторах.
3. Логические элементы на биполярных транзисторах: ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, ИИЛ.
4. Логические элементы на МДП- транзисторах: пМДП, рМДП, КМДП.
5. Интегральные триггеры и запоминающие устройства.
6. Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (ВИС и СБИС).

Пояснение к изучаемым вопросам

1. Содержание понятий цифровые устройства, цифровые ИМС и определения основных параметров цифровых ИМС можно изучать по [с.247-256], [с. 53-62], [3, с. 260-264], а также [с. 244-246, 348-350, 370-372].
2. Теоретический материал по схемам ключей на биполярных транзисторах достаточно подробно изложен в [с.246-262, 275-278]. Очень кратко в [1, с.256-257].
При изучении этого материала следует, прежде всего, научиться на примере простейшего ключа [рис.8.2] различать управляющую цепь и управляемую (коммутируемую) цепь; научиться определять с помощью статических характеристик транзистора [рис. 8.3], в каком состоянии находится ключевой транзистор при различных значениях управляющего напряжения.
При рассмотрении динамического режима работы ключа, т.е. переходных процессов переключения ключа, нужно разобраться в том, как влияют на быстродействие ключа (времена задержки) такие факторы, как входные и выходные емкости ключа, степень насыщения транзистора.
3. Необходимый минимум сведений по схемотехнике логических элементов на биполярных транзисторах содержится в [ 1, с. 260-273] [4, с. 348-363]. Более подробно те же вопросы изложены в [2, с. 74-106]. В [ 3, с.264-268, 284-286] вопросы схемотехники логических элементов рассмотрены слишком сжато, почти без объяснений физических принципов работы.
4. Логические элементы на МДП-транзисторах лучше всего изучать по [4,
с.266-275, 364-369]. Для более подробного изучения можно использовать [2,
с.106-116]. В учебных пособиях [ 1,с. 273-276] и [3, с. 278-284] материал изложен слишком кратко.
5. На основе простейших логических элементов реализуются интегральные
триггеры. Функциональное отличие триггера от логического элемента состоит в том, что триггер обладает двумя устойчивыми состояниями по каждому из выходов. Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое возможен при определенной логической комбинации входных сигналов. По логической структуре переключения различают типы триггеров. Необходимо знать принципы их построения и типы [4, с. 378-385]. Подробно схемотехническое построение отдельных типов триггеров изложено в [2, с. 156- 203]. Кратко в [1, с. 278-280]. Триггер является элементарной ячейкой запоминающих устройств. Следует различать типы запоминающих устройств и их основные параметры [4, с. 378-385]. Подробно [2, с. 239-271]. Разнообразие видов триггеров объясняется их применением для построения различных логических и арифметических устройств.
6. Понятие о БИС и СБИС, сведения о проблемах их создания и перспективах развития имеются в [1, 281-287], [3, с. 210-241] и [4, с. 385-392]. Важно обратить внимание на то, что отличие БИС от интегральных микросхем малой степени интеграции не только количественное, но и качественное. Чем сложнее БИС и чем больше элементов она содержит, тем труднее обеспечить ее универсальность, чтобы получить экономически оправданный объем выпуска БИС. Примерами удачного сочетания высокой сложности с универсальностью применения могут служить микропроцессорные БИС и БИС запоминающих устройств.

4. Большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС)
Вопросы, подлежащие изучению

1. Общая характеристика БИС и СБИС.
2. Особенности схемотехники БИС и СБИС.
3. Основные типы БИС и СБИС.

Пояснения к изучаемым вопросам

1. Повышение степени интеграции является основной тенденцией развития микроэлектроники, так как использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей аппаратуры. Пути повышения степени интеграции и проблемы, связанные с созданием БИС и СБИС, подробно описаны в [3, с. 210-257]. Кратко в [1, с. 281 284].
2. В цифровых БИС находят применение базовые ячейки, занимающие малую площадь на подложке и обладающие минимальной потребляемой мощностью (n-МДП, КМДП, И2Л).
В настоящее время для создания БИС и СБИС начали использоваться функционально-интегрированные структуры, в частности приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые рассмотрены ниже.
3. Увеличение степени интеграции приводит к резкому сужению сферы применения БИС и СБИС, что делает их производство нецелесообразным. Исключение составляют БИС и СБИС для средств вычислительной техники. Использование базовых матричных кристаллов при создании БИС и СБИС частного применения снимают экономические ограничения. Эти вопросы рассмотрены в [ 1, с. 284-287].
Широкое применение средств вычислительной техники и цифровой обработки сигналов стимулируется созданием цифровых БИС микропроцессоров, однокристальных микро-ЭВМ, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП). Начальные сведения о таких БИС содержатся в [2, с. 307-349].
4. Понятие о БИС и СБИС, сведения о проблемах их создания и перспективах развития имеются в [1, 281-287], [3, с. 210-241] и [4, с. 385-392]. Важно обратить внимание на то, что отличие БИС от интегральных микросхем малой степени интеграции не только количественное, но и качественное. Чем сложнее БИС и чем больше элементов она содержит, тем труднее обеспечить ее универсальность, чтобы получить экономически оправданный объем выпуска БИС. Примерами удачного сочетания высокой сложности с универсальностью применения могут служить микропроцессорные БИС и БИС запоминающих устройств.

Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятию большая интегральная схема (БИС).
2. В чем заключаются принципиальные преимущества БИС?
3. Перечислите основные проблемы, возникающие при повышении степени
интеграции БИС.
4. Какие базовые интегральные элементы используются в БИС и почему?
5. Перечислите основные виды универсальных БИС.
6. Дайте определение понятия микропроцессор , поясните, из каких
основных узлов он состоит?
7. Поясните назначение БИС АЦП и ЦАП.

5. Функциональная электроника
Вопросы, подлежащие изучению
1. Приборы с зарядовой связью (ПЗС).
2. Магнитоэлектронные приборы.
3. Акустоэлектронные приборы.
Пояснения к изучаемым вопросам
1-3. Общая характеристика различных направлений функциональной электроники рассмотрена в [1, с. 287-288].
Приборы с зарядовой связью лучше изучать по [1, с. 294-301] и [4, с. 392-399].
Магнитоэлектронные приборы и, в частности запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), кратко описаны [1, с. 291-294] и [3, с. 387-390].

Контрольные вопросы

1. В чем состоит основное отличие приборов функциональной электроники от обычных интегральных микросхем?
2. Каким образом происходит формирование, хранение перенос зарядовых пакетов в приборах с зарядовой связью?
3. Назовите область применения приборов с зарядовой связью.
4. На каких принципах основана запись и хранение информации в магнитоэлектронных приборах?
5. Какие функции преобразования и обработки сигналов можно реализовать с помощью акустоэлектронных приборов?

Содержание лекций

1. Транзисторные ключи – основа построения цифровых ИМС (2 ч.).
2. Логические элементы на биполярных транзисторах (3 ч.).
3. Логические элементы на МДП-транзисторах (2 ч.).
4. Большие ИМС (4 ч.).
5. Операционные усилители. Параметры, характеристики и устройства на их основе (3 ч.).

Перечень лабораторных работ

1. Исследование ЦИМС ТТЛ.
2. Исследование ЦИМС КМДП.
3. Исследование характеристик и параметров ОУ.

Введение

Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов «Телекоммуникаций» предусмотрено изучение курса «Электроника» (дисциплина ОПД Ф02.02) в объеме 85 часов.
Изучение курса «Электроника» базируется на знаниях, полученных в предыдущем семестре по курсу «Физические основы электроники», а также на содержании курсов «Физика», «Высшая математика» и «Теория электрических цепей». В процессе обучения предусмотрены: выполнение курсовой работы, лабораторного практикума и сдача экзамена.

ЛИТЕРАТУРА

2. Бобровский Ю.Л. и др. Под редакцией Федорова Н.Д. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. –М.: Радио и связь, 1998, -560 стр.
3. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь, 1990, -496 стр.
4. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. –М.: Высшая школа, 1987, -416с.
5. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. –М.: Сов. Радио, 1980,-424стр.
6. Игнатов А.Н. Микроэлектронные устройства связи и радиовещания. –Томск: Радио и связь. Томское отделение, 1990, -400стр.
7. Бакалов В.П., Игнатов А.Н., Крук Б.И. Основы теории цепей и электроники – М.: Радио и связь, 1989,- 525 стр.
8. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника – Ростов-на-Дону «Феникс, 2000, -448 стр.
9. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – СПб: Корона-принт, 1998, -400 стр.