4444

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника

ВОРОНЕЖ 2018

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, В.В. Постников, В.В. Саушкин

ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника

ВОРОНЕЖ 2018

3

УДК 621.38 Ф50

Евсикова Н.Ю. Основы аналоговой электроники [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника / Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, В.В. Постников, В.В. Саушкин ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 22 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебным планом, образцы оформления индивидуальных заданий и отчета по по результатам экспериментальных исследований.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 3. Ил. 4. Библиогр.: 6 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензенты: кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры высшей математики и теоретической механики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» Гриднева И.В.

Ответственный редактор Евсикова Н.Ю.

Коллектив авторов, 2018

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2018

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Основы аналоговой электроники» изучает фундаментальные физические закономерности, лежащие в основе технологии аналоговой обработки сигналов. Например, принципы работы полупроводниковых приборов базируются на зонной теории кристаллов и принципах работы транзисторных схем, используемых в приемниках во всех областях экономики. Кроме того, оценка надежности современных ИС приобретает все большую значимость в связи с активным использованием мобильных устройств связи во всех областях современной жизни. Поэтому освоение этой дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического, технологического и экономического профиля.

Необходимо заметить, что фундаментальные закономерности, излагаемые в курсе «Основы аналоговой электроники» устанавливают иерархическую связь между задачами цифровых систем и особенностями микроструктуры их физических носителей, тем самым помогая студентам вырабатывать навыки оценки и прогнозирования эффективности новейших разработок в области современных технологий приема и обработки аналоговых сигналов.

Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)оформление отчетов по результатам экспериментальных исследова-

ний;

3)выполнение индивидуальных заданий;

4)самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;

5)подготовка к коллоквиумам и экзамену.

Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать, а преподавателю проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Основы аналоговой электроники» является формирование у студентов знаний и умений по проведению анализа основных характеристик электронных схем, характеристик их узлов и элементов

исвойств материалов, из которых их можно изготовить.

Воснову курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов, протекающих при аналоговой обработке сигналов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

– изучение основных законов квантовой механики и зонной теории кристаллов;

– формирование у бакалавров представления о физических свойствах материалов, используемых для создания аналоговых схем;

– овладение фундаментальными теориями физики полупроводников и полупроводниковых приборов;

– формирование навыков проведения вычислительного эксперимента и основ грамотного научного анализа и синтеза современной научной информации;

– освоение основных принципов описательного моделирования надежности технических объектов и сложных систем;

– формирование у студентов основ естественнонаучной картины мира.

Врезультате освоения дисциплины бакалавр или магистрант должен:

Знать:

–физические основы современной электроники, основные закономерности зонной модели и теории надежности ИС,·характеристики систем, осуществляющих аналоговую обработку сигналов;

уметь:

–осуществлять поиск основных параметров диодов и транзисторов по аббревиатуре с помощью специальной справочной литературы;

–определять параметры полупроводниковых приборов по экспериментально полученной ВАХ;

–оценивать влияние окружающей среды на надежность и характеристики ИС;

–использовать методы адекватного физического и математического моделирования для решения задач прикладного характера, а также для поиска решений при возникновении конкретных технических проблем;

владеть следующими навыками:

–использования принципов зонной модели кристаллов при оценке возможности применения новейших материалов при аналоговой обработке сигналов;

–применения основных методов физико-математического анализа для оценки влияния внешних воздействий на надежность электронных схем;

–обработки и интерпретирования результатов эксперимента/

7

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Этапы развития промышленной электроники. Основные свойства аналоговых полупроводниковых приборов. Основы физики полупроводниковых приборов.

Раздел 1. Элементы квантовой механики

1.1.Свободный электрон, электрон в потенциальной яме, потенциальные барьеры.

1.2.Кристаллы. Трансляционная симметрия. Ковалентная связь. Физическая модель: кристалл, как идеальная структура, полученная трансляцией элементарной ячейки (решетка Браве).

1.3.Кристалл, как цепочка потенциальных ям. Электрон в линейной цепочке потенциальных ям. Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории.

1.4.Число возможных состояний для электрона в кристалле с энергией

E>Ec.

1.5.Дефекты в кристаллах. Доноры и акцепторы. Примесные уровни.

1.6.Распределение Ферми-Дирака и Больцмана для числа электронов в зависимости от уровня энергии. Уровень Ферми.

1.7.Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла собственного полупроводника.

1.8.Примесные п/п. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла примесного полупроводника.

1.9.Распределение Бозе-Эйнштейна. Теория теплоемкости твердых тел. Фононы. Взаимодействие фононов с электронами.

1.10.Генерация. Рекомбинация. Термодинамическое равновесие. Основные носители. Электрическая нейтральность и концентрация основных носителей.

1.11.Неосновные носители. Инжекция. Экстракция.

1.12.Время жизни неосновных носителей. Прямая рекомбинация. Уровни инжекции. Способы инжектирования неосновных носителей.

1.13.Дрейфовый ток в полупроводниках. Проводимость полупроводников. Диффузия носителей заряда в полупроводниках. Длина свободного пробега электрона в полупроводниках.

1.14.Подвижность зарядов. Соотношение Эйнштейна. Пространственный

заряд.

1.15.Физические основы промышленной электроники.

Раздел 2. Физика p-n перехода

2.1.Современные способы получения p-n перехода.

2.2.Процессы при образовании p-n перехода. Виды p-n перехода.

2.3.Потенциальный барьер. Термодинамическое равновесие p-n перехода. Разность потенциалов и диффузионный поток через p-n переход.

2.4.Гипотеза обеднения. Модель Эмберса-Мола. ВАХ p-n перехода.

2.5.Выпрямительные диоды. Обратный ток. Ёмкость p-n перехода.

8

2.6.Эффект Ганна. Тунельный эффект.

2.7.Эффект Зеебека и Пельтье. Твердотельные термоэлектрические преобразователи.

Раздел 3. Полупроводниковые диоды

3.1.Классификация полупроводниковых диодов. Способы получения и типы полупроводниковых диодов.

3.2.Входные и выходные характеристики выпрямительных диодов. Обратный ток. Температурная зависимость обратного тока.

3.3.Искажения сигнала. Время задержки. Основные параметры выпрямительных диодов.

3.4.Специальные диоды и характеристики области p-n перехода. Варикапы.

3.5.Оптические свойства полупроводников.

3.6.Светодиоды и фотодиоды.

3.7.Эффект Гана и туннельный эффект. Диоды сверх высокой частоты.

3.8.Обратный ток и стабилитроны.

Раздел 4. Биполярный транзистор

4.1.Структура биполярного транзистора. Распределения носителей заряда в биполярном транзисторе.

4.2.Динамика перераспределения заряда в транзисторе в схеме с общей базой. Транзистор с точки зрения зонной теории.

4.3.Эквивалентная схема биполярного транзистора.

4.4.Схемы включения биполярного транзистора. Входная и выходная характеристики биполярного транзистора. Системы параметров биполярного транзистора.

4.5.Динамический режим работы транзистора. Нагрузочная прямая и рабочая точка. Режим отсечки и насыщения.

4.6.Ключевой режим работы биполярного транзистора.

4.7.Выходной ток и температурная нестабильность биполярного транзи-

стора.

Раздел 5. Униполярный транзистор

5.1.Контактная разность потенциалов. Динамика движения электронов во внешнем поле. Температурная зависимость тока через контакт.

5.2.Обратный ток. Преимущества и недостатки. Диоды Шоттки и их характеристики.

5.3.Условия вырожденности полупроводников. Гетеропереходы и состояния электрона в сложных полупроводниковых структурах.

5.4.Структура полевого транзистора. Моделирование и стоковая характеристика. Истоковая и стоковая характеристики униполярного транзистора. Основные параметры полевого транзистора.

Раздел 6. Интегральные схемы (ИС)

6.1.Классификация интегральных схем. ГИС и микросхемы. Аналоговые элементы микросхем.

6.2.Входные и выходные характеристики микросхем. Статические и динамические характеристики микросхем.

9

6.3.Булева алгебра. Цифровые ИС. Особенности работы цифровых ИС. Примеры простейших ИС.

6.4.Эквивалентная схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Эквивалентная схема ЦАП. Основные характеристики АЦП и ЦАП.

Раздел 7. Теория надежности интегральных схем

7.1.Надежность. Вербальные параметры надежности производителя и потребителя электронной продукции. Статистическая система отбраковки.

7.2.Вероятностная модель надежности микросхем. Интенсивность отказов

ИС.

7.3.Зависимость интенсивности отказов от времени работы электронной продукции. Время надежной работы ИС.

7.4.Статистические методы оценки надежности ИС.

7.5.Физика отказов диодов и транзисторов. Плазменные области и износостойкость аналоговой базы ИС.

7.6.Налаженность технологического процесса и температурный коэффициент перехода.

7.7.Условия эксплуатации и сложность ИС.

7.8.Методы оценки интенсивности отказов ИС, основанные на знаниях о физических причинах отказов.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Методические указания студентам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по подготовке к практическим занятиям;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по подготовке к лабораторным занятиям;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к экзамену.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

10

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Индивидуальное задание представляет собой набор задач, относящихся к определенному разделу дисциплины «Основы аналоговой электроники», которые можно решить аналитически или с использованием формализованного моделирования. Цель индивидуального задания – практическое освоение теоретического курса и приобретение навыков решения задач, имеющих как учебный, так и прикладной характер.

Решенные примеры не заменяют учебный и лекционный материал, поэтому перед выполнением задач следует ознакомиться с соответствующими разделами теоретического курса лекций или учебников, которые приведены в рекомендуемом списке литературы.

В процессе расчетов следует обратить внимание на согласованность единиц измерения величин, входящих в формулы. (Не забывайте писать, в каких единицах получен результат). Рекомендуемые единицы измерения приведены в перечне используемых обозначений. Все арифметические вычисления следует выполнять с точностью до трёх значащих цифр, принятой для инженерных расчётов.

После решения задач, входящих в задание, листы с решениями брошюруются и снабжаются титульным листом с обязательным указанием дисциплины, номера варианта задания и данных студента.