Схемотехника

Бакалавриат 2019/2020

Статус: Курс обязательный (Информатика и вычислительная техника)

Направление: 09.03.01. Информатика и вычислительная техника

Кто читает: Департамент компьютерной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 3-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Попов Дмитрий Александрович, Сафонов Сергей Николаевич

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 92

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Целью курса «Схемотехника» является приобретение студентами теоретических знаний и практических навыков в области разработки аналоговых и цифровых электронных устройств. В курсе изучаются принципы построения и схемотехника электронных устройств. Основное внимание уделяется вопросам проектирования аналоговых и цифровых устройств с учетом требований обеспечения стабильности параметров в заданном диапазоне частот аналоговых и импульсных сигналов, при изменении температуры окружающей среды, отклонениях параметров элементов, воздействии внешних и внутренних помех. Разработка электронных схем выполняется в программе моделирования LTSpice. Курс расширяет знания, полученные в курсах «Электротехника», «Электроника и метрология». Полученные при изучении курса знания применяются при работе над проектами, прохождении практики, выполнении ВКР.

Цель освоения дисциплины

Формирование знаний научных проблем и методов их решения в области схемотехники аналоговых и цифровых устройств электронной аппаратуры.
Формирование способностей решения задач проектирования электронной аппаратуры с использованием современных методов и перспективной элементной базы;
Формирование способностей разрабатывать, проводить экспериментальные исследования новых образцов электронной аппаратуры;
Формирование умений выпускать техническую документацию на новые образцы электронной аппаратуры.

Планируемые результаты обучения

Знать: назначение, структуру, параметры операционных усилителей
Уметь: выбирать тип операционного усилителя для разрабатываемой аналоговой схемы.
Знать:причины зависимости усилительных свойств аналоговых устройств от частоты сигнала, способы описания частотных свойств, способы коррекции частотных характеристик.
Владеть:методами моделирования частотных характеристик усилительных устройств.
Знать: основные виды аналоговых устройств, принцип действия и схемотехнику аналоговых устройств.
Уметь:рассчитывать статические и динамические параметры аналоговых устройств.
Владеть:методами моделирования передаточных характеристик аналоговых устройств.
Уметь:рассчитывать усилительные устройства с заданными частотными характеристиками.

Содержание учебной дисциплины

Операционные усилители
Назначение операционных усилителей, классификация, области применения, понятие об идеальном ОУ, параметры на постоянном токе. Параметры, характеризующие статическую погрешность; принцип действия дифференциального каскада, схемотехника ОУ. Схемотехника дифференциального каскада, параметры усиления дифференциального сигнала, параметры генератора стабильного тока, синфазная погрешность дифференциального каскада. Способы подачи сигналов на входы ОУ; назначение и параметры цепей «UП», «0 В», «Общая», «Корпус», «Земля» в электронных устройствах.
Аналоговые устройства обработки сигналов
Принципы построения, схемотехника и параметры аналоговых устройств обработки сигналов.
Источники электропитания электронной аппаратуры
требования к источникам электропитания, параметры Источников, непрерывные и импульсные источники, последовательные и параллельные источники электропитания, структурные схемы и схемотехника источников; химические источники тока, солнечные панели. Пример расчета последовательного стабилизатора напряжения на операционном усилителе.
БИС и СБИС с программируемой структурой
Области применения микросхем с программируемой структурой, программируемые логические матрицы (ПЛМ), программируемая матричная логика (ПМЛ), базовые матричные кристаллы (БМК); СБИС с программируемыми и репрограммируемыми структурами, виды программирования СБИС программируемой логики; программируемые вентильные матрицы (FPGA), система межсоединений; СБИС «Система на кристалле».
Частотные параметры аналоговых устройств
Частотные параметры аналоговых устройств, способы представления коэффициента передачи: амплитудно-фазовая характеристика, амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, диаграммы Бодэ; условие устойчивости усилителя. Вывод аналитических соотношений для частотных характеристик, построение частотных характеристик в линейном и логарифмическом масштабах. Пример расчета амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристики.
Функциональные устройства комбинационного типа
Схемотехника электронных ключей и логических элементов
Схемотехника электронных ключей на биполярных транзисторах, статические и динамические параметры. Логические элементы ТТЛ, ТТЛШ, FAST – схемотехника, статические и динамические параметры; особенности применения микросхем, выполненных по биполярным технологиям. Схемотехника электронных ключей на МДП транзисторах, статические и динамические параметры; логические элементы КМДП, особенности применения микросхем, выполненных по МДП технологиям.
Схемотехника запоминающих устройств
Классификация запоминающих устройств (ЗУ), условные обозначения ЗУ, основные параметры ЗУ, ЗУ со словарной организацией, ЗУ с матричной организацией, ЗУ с комбинированной выборкой, элементы памяти ЗУ статического типа, Элементы памяти ЗУ динамического типа. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) – классификация, ПЗУ матричного типа – схема матрицы, топология матрицы; однократно программируемые ПЗУ с пережигаемыми перемычками; репрограммируемое ПЗУ на лавинно-инжекционных транзисторах с плавающим затвором, Репрограммируемое ПЗУ с электрической записью и стиранием информации.
Функциональные устройства последовательностного типа
Задачи синхронизации в цифровых устройствах, виды синхронных триггеров и способы описания их функционирования, области применения триггеров различных видов; назначение и схемотехника сдвиговых регистров; схемотехника счетчиков и делителей частоты. Асинхронные и синхронные триггеры, виды синхронных триггеров, способы управления синхронными триггерами.
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи
Назначение ЦАП и АЦП, статические и динамические параметры, теорема Котельникова, схемотехника ЦАП и АЦП: ЦАП с двоично-взвешенными резисторами, ЦАП на матрице R-2R. АЦП развертывающего преобразования, АЦП после-довательных приближений – структурная схема и алгоритм работы, АЦП параллельного преобразования, АЦП двойного интегрирования. Схемотехника и принцип действия АЦП двойного интегрирования и дельта-сигма АЦП, расчет параметров АЦП.
Активные фильтры.
Классификация активных фильтров, электрические параметры активных фильтров; фильтр нижних частот, зависимость амплитудно-частотной характеристики фильтра от его порядка и вида аппроксимирующего полинома; полосовой фильтр, режекторный фильтр; каскадное соединение фильтров. Параметры частотно-зависимых цепей, используемых в активных фильтрах.
Электромагнитная совместимость электронных устройств
Причины возникновения помех в цифровых устройствах, помехи в линиях передачи сигналов, помехи в цепях питания; помехи в электрически коротких линиях связи: в линиях связи с большой погонной емкостью, помехи в линиях связи с большой погонной индуктивностью; перекрестные помехи, вызванные емкостью между проводниками и взаимной индуктивностью между проводниками. Помехи в электрически длинных линиях связи, эквивалентная схема длинной линии, искажения импульсного сигнала, – задержка сигнала, уменьшение амплитуды, многократные отражения сигнала в длинной линии; согласование длинных линий. Помехи в цепях питания, причины возникновения помех; расчет статического режима цепей питания, импульсные помехи в цепях питания, способы подавления импульсных помех.
Обратные связи в аналоговых устройствах
Назначение обратных связей, влияние обратных связей на коэффициент передачи усилителя; согласование коэффициентов передачи усилителей с параметрами источников сигнала и нагрузки, размерности коэффициентов передачи усилителей. Структурные схемы усилителей с различными типами обратных связей, влияние вида обратной связи на параметры усилителя; использование частотозависимых обратных связей в аналоговых фильтрах. Вывод соотношений для параметров усилителей с различными типами обратных связей; пример расчета параметров усилителя с последовательной обратной связью по напряжению.
Помехоустойчивость аналоговых устройств
проблемы электромагнитной совместимости, причины возникновения помех в аналоговых устройствах: внешние электромагнитные поля, внутренние шумы электронной аппаратуры, большая длина линий связи; способы подавления помех: использование симметричных линий передачи сигналов, использование симметричного питания, конструктивное разделение аналоговых и цифровых устройств, экранирование. Способы помехоустойчивой передачи аналоговых сигналов; требования к передатчикам и приемникам аналоговых сигналов; схемотехника устройств помехоустойчивой передачи сигналов.

Элементы контроля

Практические занятия (лабораторные работы)
Опрос на лекции
Ответы на вопросы, выступления на семинар-ских занятиях
Домашнее задание
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (1 модуль)
0.15 * Домашнее задание + 0.15 * Опрос на лекции + 0.15 * Ответы на вопросы, выступления на семинар-ских занятиях + 0.15 * Практические занятия (лабораторные работы) + 0.4 * Экзамен
Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.15 * Домашнее задание + 0.15 * Опрос на лекции + 0.15 * Ответы на вопросы, выступления на семинар-ских занятиях + 0.15 * Практические занятия (лабораторные работы) + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины