Elektronika_i_skhemotekhnika

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Факультет технической кибернетики Кафедра «Системный анализ и управление»

Лыпарь Ю. И.

ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА

Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению: «СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И УПРАВЛЕНИЕ» подисциплине "Электроника и схемотехника"

Санкт-Петербург

2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

3.4. Качество электронных устройств и структурные способы его

6.1.3. Транзисторно-транзисторные компоненты (ТТЛ) «И-НЕ» 208

3.4.3.Критерии синтеза структур коэффициентов определителя

K(s), обеспечивающие устойчивость системы не зависящей от значений

4.3. Структурный аспект. Принципы построения выпрямителей 137

5.3.2. Дифференциальный каскад с повышенным коэффициентом

6.1.3. Транзисторно-транзисторные компоненты (ТТЛ) «И-НЕ» 208

6.2.Синтез триггеров

6.3.Элементы преобразования аналогового сигнала в цифровой

ПРЕДИСЛОВИЕ Содержание пособия соответствует стандарту дисциплины

"Электротехника и электроника". Изложение материала выстроено в соответствии с системным подходом и показано его практическое применение при решении конкретных задач. Пособие предназначено, прежде всего, для организации выполнения расчѐтных заданий и выполнения научноисследовательских работ студентами в лаборатории. Для удобства пользователей пособием все необходимые теоретические, расчѐтные и методические материалы объединены в одной книге.

Дисциплина и перечисленные практические занятия в соответствии с учебным планом проводятся параллельно. Поэтому для успешного освоения студентами всего материала, учебное пособие содержит теоретические и методические материалы необходимые для выполнения расчѐтных заданий и исследовательских лабораторных работ. В частности, из электротехники в пособии изложены основные методы расчѐта теории электрических цепей. Так как проектирование и анализ аналоговых электронных устройств базируется на теории графов, то необходимые понятия и методы, необходимые для этого, здесь также приведены.

Методические материалы состоят из программ работ, методик настройки электронных устройств и поиска неисправностей в них. Материалы также содержат указания студентам по самостоятельной подготовке к выполнению экспериментальных работ.

При выполнении исследовательских работ обучающимся приходиться использовать часть измерительных приборов, им мало знакомым. Поэтому в пособии приведены краткие инструкции по их применению и описания методик измерения. Различные исследуемые устройства собираются на стенде, описание которого также имеется в пособии.

Кроме того, теоретическая часть пособия содержит методики расчѐта некоторых узлов и элементов электронных устройств, а также примеры расчѐтных заданий.

Экспериментальные и расчѐтные работы проводятся студентами индивидуально, что существенно повышает их компетенции по выполнению самостоятельных исследований, приобретаются навыки расчѐта, как простых элементов, так и сложных устройств; организации экспериментальных работ и оценивания влияния факторов, которые не проявляются при упрощѐнном изучении работы устройств.

При написании методических материалов автору существенную помощь оказали сотрудники, с которыми он вместе проводит лабораторные занятия: к.ф.м.н. Федяков В.П. и доц. Кирсяев А.Н.

ОСОБЕННОСТИ ИЗЛОЖЕНИЯ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

В учебных пособиях по схемотехнике электронных устройств общепринято излагать учебный материал путѐм анализа схем большого числа известных устройств. Их разделяют по функциональному назначению. В результате анализа определяются достоинства и недостатки устройств, в лучших пособиях определяются ограничения на области применения и изредка приводятся методики расчѐта параметров элементов устройств. Следовательно, такие пособия в основном ориентированы на подготовку бакалавра по этой дисциплине.

Для университетов, осуществляющих подготовку инженеров и магистров такие учебные пособия мало пригодны, так как они не дают ответа на вопрос: «Что делать?», когда известные устройства не позволяют решить новую задачу.

Эта проблема характерна для отечественной и зарубежной школ образования. Она обусловлена отсутствовавшей до недавнего времени общей теории синтеза структур. В самом деле, если опубликованные схемы не позволяют решить вновь возникшую задачу, а задача важна, то наиболее квалифицированные специалисты (селекционеры) одновременно во всѐм мире решают возникшую задачу перебором возможных вариантов решения. Так как число специалистов огромно, то одному из них или коллективу удаѐтся интуитивно найти приемлемое решение, которое в дальнейшем патентуется. Подобным образом совершенствуется техника в любой области знания, а выдача патентов подтверждает несостоятельность науки в решении структурных задач.

При быстро меняющейся технологии интегральных схем (примерно раз в 18 месяцев это происходит вот уже сорок лет и впервые было подмечено одним из основателей компании Intel ещѐ в начале семидесятых годов прошлого века) необходимость разрабатывать новые схемные решения возникает значительно чаще, чем раньше. Стоимость проектирования «систем на кристалле», уже сейчас содержащих нескольких миллиардов транзисторов, составляет несколько миллиардов долларов и значительную еѐ часть тратят на проектирование аналоговых устройств кристалла, а также на тестирование и исправление ошибок проектирования цифровой части системы.

Таким образом, потребность в специалистах, умеющих быстро проектировать качественные аналоговые и цифровые устройства, их совместное использование на одном кристалле вместе с датчиками информации об окружающей среде чрезвычайно велика.

В работах [1-6] изложена и обоснована системная теория синтеза аналоговых электронных устройств, позволяющая формально решать изобретательские задачи, связанные с синтезом принципов и способов построения этих устройств, а также синтезом их структур [4]. В работе [2] предложена сжимающаяся спиралевидная модель проектирования (рис.П.1), содержащая четыре аспекта: функциональный, структурный, конструкторский и технологический. В работах [1,2] теоретически показано, что проектирование по каждому из аспектов должно содержать (чтобы избежать принятия интуитивных решений) 7 этапов.

Предложенный процесс системного синтеза схем образно можно представить в виде воронки (вихря), внутри которой находятся сетки по числу этапов проектирования. Ячейки сетки изменяют свои размеры и конфигурацию по мере прохождения этапов. Сквозь сетку проходят только эффективные решения, т.е. решения удовлетворяющие требованиям качества изделия задания на проектирование.

Процесс проектирования начинается с огромного числа возможных решений (более чем 4 10110 ), а по его окончании порождается конечное множество конкурирующих вариантов. На сетках остаются решения, отвергнутые при конкретном задании на проектирование, но сохраняемые в базе знаний для возможного использования в проектах с другими требованиями.

Эта весьма универсальная модель проектирования положена в основу системного построения учебного материала. Изложение ведѐтся от заданных функциональных преобразований сигналов к принципам построения, получению математической модели характеристик, к исчислению способов, соединяющих математическую модель и наиболее важную часть будущей структуры устройства. Завершается изложение синтезом эффективной структуры устройства, в примерах показывается синтез параметров еѐ элементов.

Формализация задания Принципы построения

Потребность в новом объекте

Рис. П-1. Спиралевидная модель проектирования

Что касается допусков на изготовление параметров, то они определяются выбранной технологией изготовления изделий, а также способами и структурами компонентов. Ориентируясь на микро- и наносхемотехнику, синтезируются структуры компонент и систем таким образом, чтобы основные параметры и характеристики определялись отношением параметров, а не их абсолютными значениями. Так как в указанных технологиях все элементы изготавливаются чаще всего за один цикл и относительные отклонения значений параметров элементов обычно не превосходят трѐх процентов.

На каждом этапе структурного аспекта порождается несколько решений, описываемых математической моделью с численными или символьными (т.е.