Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

Факультет технической кибернетики

Кафедра «Системный анализ и управление»

Ю.И. Лыпарь

СХЕМОТЕХНИКА. Часть 1

Учебное пособие для обучения студентов по направлению:

«СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И УПРАВЛЕНИЕ»

по дисциплине: Схемотехника

Санкт-Петербург

2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 7

Обоснование инновационности содержания дисциплины 8

Введение. Понятие системы и системный подход к изложению

дисциплины 15

1. Сигналы их характеристики и модели 19

1.1. Вводная часть 19

1.2. Аналоговые и цифровые сигналы 19

1.3. Основные характеристики электрических сигналов 23

1.3.1. Частотный спектр сигналов 24

1.3.2. Временные характеристики сигналов 31

2. Основные положения теории электрических и электронных цепей 34

2.1. Электрические цепи схемные и математические модели 34

2.1.1. Законы теории электрических цепей 37

3. Теоретические основы электронных цепей 42

3.1. Основные характеристики и параметры электронных

компонент и систем 42

3.2. Амплитудно-частотная характеристика систем 47

3.3. Теоретическое обоснование процедуры проектирования

электронных устройств 50

3.4. Связь качества электронных устройств с относительной

чувствительностью характеристик к изменению

параметров элементов 78

3.4.1. Качество систем и их принципы построения 91

3.4.2 Связь функции относительной чувствительности с запасом

устойчивости систем 98

3.5. Структурный метод повышения качества систем 101

3.6. Основные положения теории графов 107

3.6.1. Типы графов и их элементы 108

3.6.2. Изоморфизм графов 111

3.6.3. Методика синтеза графа по смежностно-степенным таблицам 124

4. Источники питания электронных схем 131

4.1. Функциональный аспект 131

4.2. Магнитные цепи 132

4.2.1. Соотношения между токами и напряжениями индуктивно

связанных обмоток 135

4.3. Структурный аспект. Принципы построения выпрямителей 137

4.4. Синтез структуры выпрямителя 138

4.5. Полупроводниковый p-n переход и полупроводниковые выпрямительные диоды 143

4.6. Силовые выпрямители 151

4.7. Стабилитроны и их применение в параметрических стабилизаторах 155

4.8. Схемы диодных ограничителей 159

4.9. Специальные типы диодов 162

4.9.1. Модели светодиодов и фотодиодов и их применение 162

4.9.2. Диоды Шоттки 165

5. Усилители 168

5.1. Принципы построения однокаскадных усилителей 168

5.2. Транзисторы и их модели 174

5.2.1. Биполярные транзисторы 176

5.3. Операционные усилители (ОУ) постоянного тока 192

5.3.1. Способы построения дифференциального усилителя и его модели 192

5.3.2. Дифференциальный каскад с повышенным коэффициентом усиления 196

6. Элементы цифровых устройств 199

6.1. Реализация основных логических функций и эталонов 199

6.1.1. Диодные логические компоненты «И» 199

6.1.2. Диодно-транзисторный компонент «И-НЕ» 206

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

Предисловие

Содержание пособия соответствует стандарту дисциплины «Схемотехника». Изложение материала выстроено в соответствии с системным подходом и показано его практическое применение при решении конкретных задач. Первая часть пособия предназначена, прежде всего, для организации выполнения расчётных заданий и выполнения научно-исследовательских работ студентами в лаборатории.

Так как дисциплина и перечисленные практические занятия в соответствии с учебным планом проводятся параллельно, то для успешного освоения всего материала студентами учебное пособие содержит методические материалы и необходимые теоретические сведения.

Методические материалы состоят из программ работ, методики настройки электронных устройств и поиска неисправностей в электронных цепях, указания студентам по самостоятельной подготовке к выполнению экспериментальных работ, расчётные задания студентам по методикам, которые изложены в теоретической части пособия. Экспериментальные работы проводятся студентами индивидуально, что существенно повышает их компетенции по выполнению самостоятельных исследований и приобретения навыков организации экспериментальных работ.

Обоснование инновационности содержания дисциплины.

в учебных пособиях по схемотехнике электронных устройств является обще принятым изложение учебного материала путём анализа схем большого числа известных устройств, разделённых по функциональному назначению. В результате анализа определяются их достоинства и недостатки, в лучших пособиях определяются ограничения на области применения и изредка приводятся методики расчёта параметров элементов устройств. Следовательно, такие пособия в основном ориентированы на подготовку инженера эксплуатационника с фактической квалификацией 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 всём мире решают возникшую задачу перебором возможных вариантов решения. Так как число специалистов огромно, то одному из них или коллективу удаётся 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 ещё 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 её 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 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 количества возможных решений, а по его окончании порождается счётное 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 модель проектирования положена в основу системного построения учебного материала. Изложение ведётся от заданных функциональных преобразований сигналов к принципам построения, получению математической модели характеристик, к исчислению способов, соединяющих математическую модель и наиболее важную част3ь будущей структуры устройства. завершается изложение синтезом эффективной структуры устройства, в примерах показывается синтез параметров её элементов.

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 трёх процентов.

На каждом этапе структурного аспекта порождается несколько решений, описываемых математической моделью с численными или символьными (т.е. выражениями, содержащими только символы параметров элементов) коэффициентами.

На функциональном аспекте (см.) осуществляется отсечение решений, которые не удовлетворяют требованиям качества системы с помощью функций выбора, сформулированных для данного этапа. Оставшееся подмножество содержит эквивалентные возможные решения, т.е. неразличимые с помощью функции выбора данного этапа. На основе полученного подмножества решений формируются функции выбора для каждого следующего этапа проектирования. для следующего этапа лицом, принимающим решения (ЛПР), осуществляется выбор из синтезированного подмножества одно из эффективных решений (см.). Здесь эффективным считается решение, удовлетворяющее требованиям пользователей к качеству изделия.

Конечно, одной из важнейших задач, решаемых на этом аспекте, является прогнозирование развития принципов и способов построения электронных систем и методов обработки, а также передачи информации.

Проблемы, из-за которых не решались формально задачи структурного аспекта в течение ХХ века, обусловлены:

– отсутствием теоретически обоснованной и обеспеченной всеми необходимыми данными последовательности этапов проектирования;

– наличием символьных критериев выбора, формулирующих требования задания и ограничения, возникающие в процессе проектирования конструкторского и технологического аспектов проектирования;

– отсутствием на каждом этапе структурного аспекта постановки задачи синтеза эффективного множества структур, обеспечивающих возможность поиска эффективных решений конструктору и технологу.

Традиционно проектирование разделяют на два этапа: аппроксимацию и реализацию [1a]. Конечно, выбор принципа построения подразумевался, но часто сводился к последовательному принципу без рассмотрения и оценки качества альтернативных решений. Реализация подразумевает интуитивное создание схемы компонента и оптимальный синтез параметров и допусков элементов. Этап способ построения отсутствовал. К тому же найденное «оптимальное» решение часто плохо вписывалось в возможности конструкторского и технологического аспектов проектирования, а поэтому просто отвергалось.

по модели рис.П1 синтез принципов специально не выделялся и не проводилось в обязательном порядке сравнение их, способов и структуры изделия) Введение этапа способы построения привело к необходимости построения исчисления способов построения, их сравнения с точки зрения выполнения требований по качеству изделия, разработки методов построения функции выбора для способов построения и синтеза структуры функционального аспекта. Для этого этапа синтеза структур стало необходимо модернизировать алгоритмы, изложенные в [5].

Теоретическое обоснование модели проектирования приведено в [2,1] и в главе 3, а методики проектирования этапов частично изложены в первой части пособия, но большая часть методов проектирования будет изложена во второй части пособия.

Конструкторский аспект (см.) по своей сложности несколько уступает структурному, так как для него разработаны системы автоматизированного проектирования (САПР), позволяющие выполнять в многослойных кристаллах разводку соединений свыше одного миллиарда элементов. Представьте для сравнения город, содержащий такое число домов, меду которыми необходимо осуществлять информационные коммуникации, подвод электроэнергии, отвод тепла, обеспечивать надёжность работы и ремонт.

Традиционно разработчики конструкции начинали выполнять свою работу после того, как закончится проектирование структуры. Это приводило к тому, что не все требования и ограничения конструкторского аспекта проектирования своевременно учитывались на структурном аспекте. В результате какая-то часть проекта разработчиков предыдущего аспекта требовала перепроектирования, что не только увеличивало стоимость проектирования, но и увеличивало время проектирования. В условиях жёсткой конкуренции на рынке производителей электронных чипов отставание по времени выпуска изделия делало его производство на уже занятом рынке не рентабельным.

Технологический аспект (см.) в области микро и наноэлектроники является опережающим по отношению к двум предыдущим аспектам, поэтому требования технологии, её ограничения и возможности, параметры новых элементов, из которых будут создаваться новые подсистемы и компоненты, являются основными.

Таким образом, о свойствах и характеристиках будущей схемы становится всё известно до появления самой схемы изделия. При традиционном подходе изложение учебного материала начинается с известной схемы, которая неизвестно как была получена (чаще всего была изобретена). Поэтому остаются тайной за семью печатями способы построения и синтез структуры устройств.

Построение схемы необходимо после этапа параметрического синтеза для последующего моделирования, с целью уточнения влияния на характеристики «малых параметров» реальных элементов, а также конструктору и технологу.

Конечно, в рамках ограниченного числа часов на дисциплину невозможно строго излагать весь необходимый материал. Автором используется известный по работам Дж. Пойа подход с применением правдоподобных рассуждений, позволяющий логически строго в отведённое время излагать необходимый материал.

Такое изложение дисциплины создаёт у обучающихся твёрдые знания [6] системных методов проектирования. Кроме того, становятся видны возможности многократного применения одних и тех же принципов и способов построения в совершенно разных по назначению устройствах и далёких друг от друга областях науки [2, 6, 7].

обучающиеся вырабатывают компетенции по синтезу оригинальных задач (см.), им достаточно знать небольшое число методов для порождения всего многообразия электронных устройств. Они начинают понимать влияние на вид и особенности характеристик системы вида её математической модели, структуры коэффициентов и структуры электронной цепи.

Литература

1. Лыпарь Ю.И. «Системный синтез структур электронных и электрических цепей. Часть I. // Электричество, №2, 2007»

2. Лыпарь Ю.И. Системное проектирование. Функциональный и структурный аспекты.// Сборник статей, посвящённый 50-летию секции «Кибернетика» Изд-во «Политехника», 2006, стр. 217-238

3. Лыпарь Ю.И. Чувствительность, безусловная устойчивость и качество систем.// Сборник статей, посвящённый 50-летию секции «Кибернетика» Изд-во «Политехника», 2006, стр. 239-253

4. Лыпарь Ю.И. Системно-структурный синтез // В учеб. пособии «Системный анализ и принятие решений. Словарь-справочник под общ. Ред. В.Н. Волковой и В.Н. Козлова, М. Высш. Школа, 2004, стр. 427-439 .

5.Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики: Учебник для вузов.—3-е изд., перераб и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984.— 432 с.

6.Лыпарь Ю.И. синтез баз знаний аналоговых электронных устройств.// Ульяновск: Труды междунар. конф. «Континуальные и алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике», т.3, 2006, стр.120-128

7. Токарев Р.В., Лыпарь Ю.И. Модели формирования портфеля ценных бумаг. – С-Пб.: Научно-технические ведомости СПбГПУ, №1 (31), 2003, стр. 185-188

8. Электричество

Введение.

Системный подход к изложению дисциплины

В связи с чрезвычайно быстро изменяющейся элементной базой информационных систем, основой которых является цифровая и аналоговая электронная техника, единственным методом сохранения знаний, приобретаемых во время обучения, является усвоение и запоминание не фактов, а идей, принципов, способов, методов построения структур различных устройств и методов расчёта параметров их элементов.

Теоретической базой такого обучения и систематизации знаний является системный синтез и анализ структур [1]. В соответствии с этим ниже излагаются основные понятия теории систем.

Термин система используют для характеристики некоторого объекта (материального или инструмента познания) как целого, состоящего из компонент, но достаточно сложного, из-за чего его не удаётся представить простым описанием. Определений системы существует несколько десятков [2], поэтому их используют в зависимости от уровня рассмотрения системы. Воспользуемся одним из рабочих определений, которое будет наиболее близко к задачам, рассматриваемым в пособии, данное Ю.И. Черняком:

Система есть отображение на языке наблюдателя (исследователя, конструктора) объектов, отношений и их свойств в решении задач познания.

В этом определении на первом месте стоит наблюдатель, задающий цель существования системы на своём языке. Далее идут объекты, каждый из которых состоит из компонентов и их связей между собой и внешней, по отношению к объекту и системе, средой.

Понятно, что свойства и поведение механической и электронной систем требуют несколько разных языков описания, хотя математические модели, как правило, оказываются весьма схожими. Благодаря этому свойству единый системный подход к решению задач из разных областей знания так плодотворен.

Элемент. Под элементом конкретной системы будем понимать простейшую неделимую её часть. При этом нас не будет интересовать внутреннее устройство элемента, а будем давать описание его внешних свойств и характеристик, которые интересны для построения компонента, блока или системы.

Подсистемы и компоненты. Система, как правило, имеет иерархическую структуру. Поэтому её сначала делят на подсистемы или на компоненты. Понятие подсистемы вводят для описания независимой части системы, обладающей свойствами системы: собственную подцель, компоненты, элементы, целостность.

В случае, если система не делится на подсистемы, а представляет собой совокупность элементов, то такие части принято называть компонентами.

Связь. Она обеспечивает соединение элементов, компонентов, подсистем в единое неразделимое целое – в систему, ибо только связи обеспечивают новые свойства системы, и отбрасывание хотя бы одной из них приводит к иной системе и по структуре и по свойствам.

Целостность системы проявляется в возникновении у неё новых качеств, несвойственных её элементам, компонентам, подсистемам и т.д. Иными словами свойства системы не являются простой суммой свойств, составляющих её элементов, но формируются ими. Довольно часто элемент системы утрачивает некоторые из своих свойств, но может приобрести новые. Свойство целостности связано с целью, для реализации которой создается система.

Итак, рассматривая варианты обработки информации, будем указывать сначала цель, т.е. то, что необходимо получить в результате преобразования поступившей информации (функциональный аспект проектирования).

Затем синтезируются или выбираются из известных несколько возможных принципов построения системы (структурный аспект проектирования). Например, широко распространённый в ХХ веке последовательный принцип соединения компонент постепенно, благодаря достижениям современной нанотехнологии элементов (технологический аспект проектирования), заменяется параллельным принципом построения систем, для которых обеспечивается большая надёжность и быстродействие выполнения заданных функций, но и требующих больших затрат.

Невозможно создать формально систему, подсистему и компонент, если нет описания его желаемых характеристик с помощью математической модели, которая покажет возможность достижения цели (этап аппроксимации).

Далее на основе модели строится исчисление способов достижения параметров математической модели с помощью известных компонентов или элементов. синтезируется структура системы, т.е. выбираются известные элементы и создаются связи между ними. В заключение уточняются характеристики системы и её параметры, необходимые для взаимодействия системы с окружающей средой и другими системами.

Информация передаётся с помощью аналоговых (континуальных) и цифровых сигналов. В соответствии с этим благодаря огромным достижениям в области нанотехнологии производства интегральных схем изготавливают на одном кристалле аналоговые, электромеханические и цифровые подсистемы. хотя последние в области обработки информации занимают преобладающее место, но исполнительные устройства и органы восприятия человека являются аналоговыми. В связи с этим в пособии наряду с цифровыми компонентами будет излагаться синтез аналоговых компонент.

Информация преобразуется чрезвычайно большим числом вариантов, но разрабатывать и изготавливать для каждого варианта уникальное по составу элементов устройство экономически и по времени невозможно. В связи с этим были проведены исследования, позволившие определить минимальное число различных элементов, с помощью которых можно осуществить любые преобразования сигналов. Для цифровых сигналов это логические элементы «И» и «ИЛИ», которые могут быть заменены или логическим элементом «И-НЕ», или логическим элементом «ИЛИ-НЕ». Кроме того, для оперативного хранения поступающих для обработки сигналов необходимы элементы памяти, которые в основном реализуются с помощью триггеров Серийно впускаемые промышленностью цифровые устройства содержат в качестве основы один из вышеназванных элементов.

В пособии (из-за ограниченности объёма) будет изложено построение цифровых устройств на логических элементах «И-НЕ».

Для любых преобразований аналоговых сигналов достаточно иметь устройства, выполняющие функции масштабирования (усиления, ослабления), алгебраического сложения, фильтрации, сравнения, ограничения и перемножения. Как для аналоговых, так и для цифровых устройств ещё необходимы вспомогательные устройства: источники питания, генераторы и эталонные элементы (прецизионные элементы: резисторы, кварцевые резонаторы, стабилитроны и т.п.; вспомогательные компоненты: преобразователи аналогового сигнала в цифровой (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), компоненты укорочения). В пособии будут рассмотрены способы построения и конкретные схемы, реализующие все указанные функции.

Глава Первая