Физические основы электронной техники

Элементы квантовой механики и теории поля. Электромагнитные поля в веществе. Корпускулярно-волновые свой­ства света. Волновые свойства частиц. Волновое уравнение. Применение уравнения Шредин­гера. Движение частиц через потенци­альный барьер. Линейный гармонический ос­циллятор. Электрон в атоме водорода. Туннельный эффект. Основные понятия статистической физики. Момент импульса частиц. Макроскопическая система. Статические распределения. Электронный газ в металле. Введение в физику твердого тела, элементы теории проводимости, модель твердого тела, кристаллическая ре­шетка, колебания решетки. Обратная решетка. Зоны Бриллюэна. Эффект Зеебека. Физика полупроводников. Диффузионные явления, проводимость полупроводни­ков. Контактные явления. Кон­такт двух металлов. Контакт металла и по­лупроводника. Контакт полупроводников с проводимостью разного типа. Физика генерации монохроматических излучений. Лазеры, светодиоды.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– основные свойства электромагнитного поля в веществе;

– основные понятия квантовой механики, статистической физики и физики твердого тела;

уметь:

– записывать и решать волновое уравнение, уравнение Шредингера;

– использовать при анализе функционирования радиоэлектронных средств основные явления физики твердого тела.

Электронные приборы

Физика полупроводников: электропроводность твердого тела, распределение Ферми, температурный потенциал, токи в полупроводникахn- иp-типа, уравнения диффузии, ток рекомбинации. Теория р-nперехода: больцмановское равновесие, зонная диаграмма р-nперехода, инжекция и экстракция, ширина р-n перехода, вольт-амперная характеристика идеализированного р-n перехода и реального диода, температурная зависимость параметров реального диода, тепловой ток, виды пробоя. Полупроводниковые диоды: выпрямительные диоды, варикапы, стабилитроны, стабисторы, импульсные диоды, диоды Шоттки, сверхвысокочастотные (СВЧ)-диоды. Биполярные транзисторы: активный нормальный режим работы, распределение зарядов в базе, токи в транзисторе, модель Эберса-Молла, малосигнальные параметры, транзистор как линейный четырехполюсник, h-параметры и их связь с физическими параметрами транзистора, динамические и тепловые модели биполярного транзистора, транзистор Шоттки. Основные схемы включения полупроводниковых диодов и биполярных транзисторов. Методы задания рабочего режима транзистора, статическая и динамическая линии нагрузки, термостабилизация точки покоя. Полевые транзисторы с управляющим р-nпереходом. Металл-диэлектрик- проводник (МДП)-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом, транзисторы со статической индукцией,IGBT-транзисторы и модули. Тиристоры: динисторы, тринисторы, симисторы. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы: светодиоды, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, диодные и транзисторные оптопары. Приборы с зарядовой связью. Акустоэлектронные приборы. Пьезоэлектронные приборы. Электровакуумные приборы. Электрон­ные лучевые трубки.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– физические основы функционирования электронных приборов, их конструкции, состав и классификацию;

– методы экспериментального определения характеристик электронных приборов;

уметь:

– определять требования к предельно-допустимым параметрам полупроводниковых приборов в различных режимах работы;

– рассчитывать параметры моделей электронных приборов.

Моделирование электронных устройств

Основные этапы проектирования устройств и систем промышленной электроники. Классификация методов моделирования. Узловой анализ активных цепей. Методы формирования уравнений, описывающих электрическую цепь­: формирование уравнений на основе метода узловых потенциалов, теории графов, табличный метод формирования уравнений, модификация табличного метода. Моделирование основных электронных компонентов. Чувствительность к малым и большим изменениям параметров. Минимизация чувствительности активной цепи. Применение вероятностных и имитационных методов в моделировании электронных устройств. Устройства промышленной электроники как объект оптимизации. Общая характеристика оптимизационных методов и этапы оптимизации: выбор критерия оптимизации, построение функции цели, формулировка ограничений.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– этапы моделирования электронных устройств;

– основные методы составления уравнений, описывающих электрическую цепь;

– методы построения и преобразования математических моделей элементов электронных схем;

уметь:

– выбирать оптимальный метод составления уравнений, описывающих электрическую цепь, и производить их решение;

– определять чувствительность характеристик схемы к изменению параметров элементов схемы;

– составлять целевые функции при оптимизации параметров электронных устройств;

– применять алгоритмы моделирования устройств промышленной электроники.

Теоретические основы информационно-измерительной техники

Классификация и математическое описание информационных сигналов. Характеристики детерминированных сигналов. Спектральный анализ. Принцип работы анализатора спектра. Понятия временных окон и их использование при измерении спектров сигналов. Корреляционный анализ детерминированного сигнала. Виды модуляции, модулированные сигналы и способы их получения. Теорема Котельникова и ее практическое применение. Основные характеристики случайных сигналов: математическое ожидание, дисперсия, корреляци­онная функция и спектральная плотность мощности. Методы измерения основных характеристик случайных сигналов. Понятие дискретного сигнала. Анализ информационных сигналов с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Восстановление сигнала по ДПФ. Понятие о быстром преобразовании Фурье (БПФ). Цифровая фильтрация информационно-измерительных сигналов. Оптимальная линейная фильтрация сигнала на фоне помех. Основные понятия теории обнару­жения и оценки параметров сигналов на фоне помех. Преобразование частоты и детектирование модулированных сигналов. Принципы адаптивной фильтрации.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– свойства информационных сигналов и методы их математического описания;

– принципы дискретизации сигналов и методы анализа дискретных сигналов;

– принципы цифровой фильтрации сигналов;

– принципы обнаружения и измерения параметров сигналов на фоне шумов;

уметь:

– использовать аналитическое описание информационных сигналов;

– определять параметры информационных сигналов при помощи спектрального и корреляционного анализа;

– рассчитывать параметры цифровых фильтров.

Аналоговая электроника

Обобщенные схемы электронных усилителей, основные пара­метры. Классификация усилителей по виду амплитудно-частотнойхарактеристики. Однокаскадные усилители на биполярных транзисторах в схеме включения с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором: малосигнальные схемы замещения,расчет по постоянному току, линии нагрузки и временные диаграммы сигналов, усилительные параметры. Ис­точники тока на биполярных и полевых транзисторах. Усилители с динамической нагрузкой. Эффект Мил­лера и способы его снижения. Усилители на полевых транзисторах. Классификация усилителей мощности. Классы усилителей А, В, АВ, С,D, Е, комбинированные классы: схемотехника, характеристики, энергетические парамет­ры.Диффе­ренциальный усилитель. Параметры дифференциального усилителя для дифференциального и синфазного сигналов. Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Операционные усилители (ОУ) – основные параметры и характеристики. Отрицательная обратная связь в усилителях. Виды обратной связи. Повторитель напряжения, неинвертирующий и инвертирующий усилители наОУ. Функциональные усилители на ОУ. Генераторы сигналов синусоидальной формы.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– параметры и характеристики типовых усилительных устройств;

– основные схемотехнические методы проектирования усилительных устройств;

– свойства линейных систем с отрицательной обратной связью;

уметь:

– производить расчет схем однокаскадных усилителей на транзисторах, предварительных усилителей, усилителей мощности, источников тока;

– производить анализ схем с отрицательной обратной связью.

Цифровая электроника

Системы счисления и методы кодирования, применяемые в цифровых устройствах. Основы булевой алгебры, минимизация логических схемс помощью логических функций и карт Карно. Схемотехника базовых логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), логики на комплементарных транзисторах (КМОП), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Основные интегральные микросхемы ТТЛ, КМОП и ЭСЛ. Комбинационные цифровые устройства: дешифраторы, муль­типлексоры, шифраторы, постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), программируемые логические матрицы (ПЛМ), программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), сумматоры, компараторы двоичных чисел, микросхемы контроля четности. Последовательностные устройства: триггеры, счетчики, регистры, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ). Импульсные цифровые устройства: одновибраторы, мультивибраторы, триггеры Шмитта, генераторы, управляемые напряжением. Цифровые устройства промыш­ленной электроники: цифровые фазовращатели, синтезаторы час­тот, фазовые и частотные импульсные детекторы, помехоустойчи­вые кодеры и декодеры на базе полиномиальных счетчиков, сигна­турные анализаторы цифровых устройств.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– системы счисления и способы кодирования, применяемые в цифровой электронике;

– основы булевой алгебры;

– способы минимизации логических схем;

– методы анализа и синтеза комбинационных, последовательностных и импульсных устройств;

уметь:

– анализировать процессы, происходящие в цифровых схемах, при различных режимах эксплуатации;

– использовать цифровые интегральные микросхемы при проектировании устройств промышленной электроники.

Теория автоматического управления

Задачи и основные понятия автоматического регулирования: объект, регулируемая величина, уставка, регулятор. Классификация систем автоматического регулирования. Типовые и особые звенья систем автоматического управления (САУ). Виды соединений звеньев. Структурные схемы САУ. Эквивалентные преобразования структурных схем. Виды и свойства обратных связей в САУ. Установив­шийся режим статических и астатических систем. Влияние возмуще­ний и помех. Алгебраические и частотные критерии устойчивости.Амплитудно-фазовые характеристики. Логарифмические частотные характеристики. Понятие о синтезе САУ. Последовательная и параллельная коррекция САУ. Критерии качества процесса регулирования САУ. Расчет САУ по показателям качества. Типовые регуляторы САУ. Нелинейные системы управления. Импульсные и цифровые системы управления. Измерительные и исполнительные элементы САУ.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– схемы, временные и частотные характеристики типовых звеньев систем автоматического управления;

– принципы построения основных видов САУ;

– методы анализа САУ;

уметь:

– выбирать структуру и технические средства САУ при заданных требованиях к характеристикам и показателям качества управления и регулирования;

– анализировать устойчивость и качество САУ.

Микроэлектроника и микросхемотехника

Основные технологические операции при производстве гиб­ридных интегральных схем. Элементы гибридных интегральных схем – резисторы и конденсаторы. Основные технологические опе­рации при производстве полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС). Элементы полупроводниковых ИМС – диоды, рези­сторы, конденсаторы, транзисторы. Схемотехника, анализ основ­ных характеристик и расчет каскадов интеграль­ных микросхем. Интегральные источники постоянного тока и опорного напряже­ния. Термокомпенсация и термостабилизация. Операционные усилители в интегральном исполнении: назначение, классификация, структурные схемы, схемотехника универсальных и прецизионных операционных усилителей, шумовые параметры.Назначение, схемотехника, ос­новные параметры и примеры применения типовых аналоговых ИМС – стабилизаторов и компараторов напряжения, аналоговых ключей, устройств выборки и хранения, аналоговых перемножителей сигналов, цифро-аналого­вых и аналого-цифровых преобразователей, микросхем для устройств связи.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– основные принципы, методы и средства реализации технологических процессов производства интегральных микросхем;

– структурные схемы и особенности схемотехники интегральных микросхем;

уметь:

– измерять электрические характеристики и определять основные технические параметры аналоговых интегральных микросхем;

– применять интегральные микросхемы при проектировании радиоэлектронных схем.

Микропроцессорная техника

Базовые понятия и определения микропроцессорной техники: микропроцессор, микроЭВМ, микропроцессорная система (МПС), микроконтроллер, однокристальный микроконтроллер. Классификация микропроцессоров, основные варианты их архитектуры. Общая структура и принципы функционирования МПС. Система команд и способы адресации операндов. Интерфейсы МПС. Классификация и структура однокристальных микроконтроллеров. Семейства микроконтроллеров. Процессорное ядро микроконтроллера, память программ и данных, порты ввода/вывода, таймеры и процессоры событий, интерфейсы. Система команд микроконтроллеров. Проектирование устройств на однокристальных микроконтроллерах. Основные этапы разработки. Разработка аппаратных средств. Разработка и отладка программного обеспечения, программные симуляторы. Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств: внутрисхемные эмуляторы, отладочные платы, мониторы отладки, эмуляторы ПЗУ, специализированные отладочные интерфейсы. Программирование процедур обработки данных, выполнение математических операций над целыми и дробными числами в форматах с фиксированной и плавающей запятой, программирование типовых процедур управления и контроля, сопряжения с индикаторами, клавиатурой, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями. Применение языка С для разработки программного обеспечения.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– характеристики и типы микропроцессоров;

– назначение и основные параметры элементов микропроцессорных систем;

– структуру однокристальных микроконтроллеров и принципы работы микропроцессорных устройств на их базе;

– методы сопряжения микропроцессорных систем с внешними устройствами;

уметь:

– проектировать микропроцессорные устройства, реализующие заданные функции управления и обработки информации;

– разрабатывать программное обеспечение для микроконтроллерных устройств и выполнять его отладку.

Конструирование радиоэлектронных средств

Условия эксплуатации радиоэлектронных средств (РЭС). Климатические, механические и радиационные факторы, влияющие на работу РЭС. Методы конструирования, иерархия базовых конструкций, компоновочные схемы, критерии компоновки. Основные этапы и стадии проектирования РЭС, конструкторская документация. Проектирование типовых конструкций первого уровня – электронных узлов на печатных платах. Алгоритмы решения схемно-топологических задач: компоновки (разрезания и покрытия) и размещения элементов, трассировки соединений. Элементы разъемных электрических соединений. Принципы эргономики и технического дизайна в проектировании конструкций верхних уровней. Порядок формирования технических условий на электронные устройства. Способы защиты аппаратуры от механических воздействий, вибрационные модели несущих конструкций. Механизмы теплообмена, расчет теплового сопротивления конструкции. Обеспечение нормального теплового режима работы РЭС, выбор системы и характеристик устройств охлаждения. Конструктивные методы защиты РЭС от внутренних и внешних электромагнитных помех. Надежность РЭС. Основные свойства надежности, показатели надежности восстанавливаемой и невосстанавливаемой аппаратуры. Структурные, конструкторско-технологические и эксплуатационные способы обеспечения и повышения надежности. Формулирование требований к надежности, оценка надежности РЭС как сложного объекта, проектирование комплекта запасных изделий и принадлежностей. Комплексная оценка качества электронных изделий: показатели назначения и надежности, безопасности и эргономики, технологичности и патентно-правовые; комплексная оценка качества конструкции.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

• основные задачи, методы и этапы конструкторского проектирования РЭС, возможности и средства автоматизации;

• принципы конструирования РЭС с учетом воздействия внешних факторов;

• основные конструкторские документы, принципы обеспечения качества, в том числе технологичности, конструкции РЭС;

уметь:

• выбирать методы конструирования и компоновочные схемы РЭС;

• проектировать электронные узлы на печатных платах с применением средств автоматизации;

• анализировать условия эксплуатации РЭС, выбирать методы ее защиты от внешних воздействий.

Преобразовательная техника

Источники питания устройств промышленной электроники: анализ и расчет схем силовых выпрями­телей, сглаживающих фильтров, стабилизаторов напряжения и тока. Элементы силовой преобразовательной техники: инверторы, конверторы. Характеристики формы информационно-измерительных сигналов. Преобразователи формы информационного сигнала на основе схем с операционными усилителями (ОУ): схемы масштабирования, измерительные выпрямители, модуляторы, демо­дуляторы, логарифмический и антилогарифмический усилители, идеальные диоды на основе ОУ, измерители среднего значения переменного напряжения, фазочувствительные выпрямители, усилители-ограничители. Генераторы сигналов специальной формы.Первичные датчики – преобразователи неэлектрических величин. Измерительные цепи для датчиков физических величин, способы повышения чувствительности и точности.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

– основные принципы построения схем источников питания;

– характеристики формы сигналов;

– типовые схемы информационных преобразователей;

уметь:

– анализировать устройства преобразования сигналов;

– проектировать схемы источников питания, элементов силовой преобразовательной техники, преобразователей формы информационного сигнала, генераторов сигналов специальной формы;

– проектировать измерительные цепи для датчиков физических величин.