 |
Тема 5.Электронные усилители.
|
|
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Белорусский национальный технический университет
УТВЕРЖДАЮ:
Проректор по учебной работе
___________В.Л.Соломахо «___» _______2004г.
Регистрационный номер
____________________
ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
Учебная программа для высших учебных заведений по специальностям:
1-53 01 01-02 «Автоматизация технологических процессов и производств
(в приборостроении и электронике)»,
1-53 01 02 «Автоматизированные системы обработки информации»,
1-53 01 06 «Промышленные роботы и робототехнические комплексы.».
Г.
.
Составитель:
Тимошевич Виктор Борисович, ст.преподаватель кафедры РТС БНТУ
Рецензенты:
Колосницын Б.С., профессор кафедры «Микроэлектроника» БГУИР, к.т.н.
Сычик В.А., профессор кафедры «Информационно-измерительная техника и технологии» БНТУ, д.т.н.
Рекомендовано к утверждению в качестве базовой:
Кафедрой «Робототехнических систем» (протокол №_____заседания кафедры
от «___» _______200 г.)
Заведующий кафедрой П.П.Шардыко
Советом факультета «Информационных технологий и робототехники» БНТУ
(протокол № __ заседания совета от «____» ______ 200 г.)
Председатель совета Р.А. Пуко
ВВЕДЕНИЕ
Электронные и микропроцессорные устройства являются неотъемлемой составной частью систем управления роботами, робототехнических комплексов и гибких автоматизированных производств, ЭВМ, информационными устройствами роботов, станков с число- программным управлением и целого ряда других управляющих систем, электронно-механических агрегатов и блоков. Дальнейший прогресс науки и техники невозможен без интенсивного внедрения электронных устройств во все сферы человеческой деятельности. Поэтому знание электроники и основных (базовых) электронных устройств, входящих в состав современной измерительной и электронно-вычислительной аппаратуры и систем управления, становится обязательным для инженеров различных специальностей.
|
|
|
Цель преподавания дисциплины- получение студентами знаний, необходимых для проектирования систем управления роботами, робототехнических комплексов, гибких автоматизированных производств, а также для организации грамотной эксплуатации и квалифицированного технического обслуживания оборудования и систем, содержащих электронные устройства.
Задачами изучения дисциплины являются овладение знаниями, необходимыми инженеру для определения функционального назначения и роли электронных устройств в составе систем управления, овладение методами обоснования и выбора электронных устройств и блоков, необходимых для создания указанных систем, а также привитие практических навыков исследования элементов и узлов электронных устройств.
В результате изучения дисциплины студент должен знать принцип действия и основные характеристики изучаемых приборов и электронных устройств, уметь составлять их структурные, функциональные и принципиальные схемы, оценивать возможность применения и определять их функции в составе конкретных блоков и систем управления,
а также производить простейшие расчеты и экспериментальные исследования элементов и полупроводниковых приборов, входящих в состав сложных электронных устройств. Знания по электронике необходимы студентам для успешного освоения всех последующих специальных дисциплин, так как трудно представить робототехнический комплекс либо автоматизированную систему, не использующие электронные и микропроцессорные устройства. Учебная программа дисциплина рассчитана на 250 часов, в том числе –200 часов аудиторных занятий.
|
|
|
Примерное распределение аудиторных часов по видам занятий:
лекции-84 часа;
практические занятия –49 часов;
лабораторные работы –67 часов.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1 Темы и их содержание.
Тема 1. Базовые понятия электронной техники
Роль электроники в создании интегрированных систем управления машинами и механизмами. Социально-экономический аспект создания, развития производства и эффективного использования электронной техники в народном хозяйстве. Предмет, цели и задачи курса, его построение. Источник тока источник напряжения, согласование источника с нагрузкой. Пассивные элементы электрической цепи и их параметры. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктвности и их соединение. Трансформаторы. Типы пассивных элементов, их особенности и области применения. Коэффициент нагрузки. Цифро-буквенная система обозначения пассивных элементов на принципиальных схемах и на изделиях.Виды и параметры электрических сигналов Амплитудное действующее, среднее значение напряжения и тока электрического колебания. Длительность импульса, период следования, частота, скважность. фронт и спад импульса.Электрические цепи. Интегрирующие и дифференцирующие, векторные диаграммы напряжений и токов. Прохождение прямоугольного сигнала через них (ФНЧ и ФВЧ). Параллельный и последовательный колебательный контуры. Резонанс тока и напряжения. Амплитудно-частотная и фазо- частотная характеристики электрических цепей и их параметры.
Тема 2. Основные понятия теории электропроводности полупроводников.
Электронно-дырочный р-п-переход. Вольтамперные характеристики.Дрейфовый и диффузионный ток. Барьерная и диффузионная емкость р-п перехода. Возможность их использования и влияние на характеристики диодов. Виды пробоя р-n перехода. Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Обозначения, классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Последовательное и параллельное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные,лавинно-пролетные. Беспереходные полупроводниковые приборы. Терморезисторы (термисторы и позисторы, терморезисторы с косвенным подогревом), варисторы, тензорезисторы, магниторезисторы, датчик Холла, основные характеристики. Области их применения.Система обозначений отечественных и импортных полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов электронных микросхем и др.).
|
|
|
Фотоэлектрические и излучающие в видимом, ИК и УФ диапазоне полупроводниковые приборы. Полупроводниковые лазеры. Оптоэлектронные пары. Их применение. Системы динамической индикации. Тиристоры. Конструкция и принцип действия. Режимы работы классификация, обозначение,параметры. Диодные, триодные, тетродные, запираемые и незапираемые тиристоры. Вольт-амперная характеристика тиристора, процесс перехода из закрытого состояния в открытое и обратно. Типы, условные обозначения тиристоров. Работа тиристоров в цепях постоянного и переменного тока. Фазовое управление тиристорами. Регуляторы и стабилизаторы напряжения на тиристорах.
Тема 3.Транзисторы.
Биполярные транзисторы (БПТ). Электрические и эксплуатационные параметры. Входные, выходные и проходные характеристики Схемы замещения транзистора их дифференциальные параметры. Статические характеристики(h-параметры) биполярных транзисторов. Схемы включения биполярного транзистора (с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ)). Их сравнительный анализ и области применения. Уравнение Эберса-Молла, температурный коэффициент тока коллектора, внутреннее сопротивление эмиттера, максимальный коэффициент усиления по напряжению, эффект Эрли, эффект Миллера. Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ).Принцип действия ПТ с р-п –переходом. Стоковая (выходная) и сток-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) и металл-окисел-полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы.
|
|
|
Тема 4. Источники вторичного электропитания электронных устройств. Классификация и параметры выпрямителей. Одно-полупериодные и двух- полупериодные мостовые и со средней точкой, однофазные и трех фазные, управляемые и неуправляемые выпрямители. Схема Ларионова. Умножители напряжения. Схема Латура. Сглаживающие фильтры. Стабилизаторы напряжения и тока. Структурная схема стабилизированного источника питания. Параметрические и компенсационные, параллельные и последовательные, регулируемые и нерегулируемые, однополярные и разнополярные стабилизаторы напряжения и тока. Стабилизаторы на ОУ. Защита по току и напряжению. Ключевые повышающие, понижающие и инвертирующие (повышающе- понижающие) стабилизаторы. Функциональные схемы ключевых стабилизаторов и импульсных блоков питания малогабаритных устройств. Принципиальные схемы стабилизаторов. Модуляция. Виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая. Достоинства, недостатки. Импульсные виды модуляции: амплитудно-импульсная (АИМ), кодо-импульсная (КИМ), широтно-импульсная (ШИМ), фазоимпульсная (ФИМ). Области применения. Структурная схема импульсного блока питания. Ключевые преобразователи напряжения. Прямоугольные и резонансные. Однотактные и двухтактные. С прямым и обратным включением диода. Мостовые, полумостовые, со средней точкой. С независимым и самовозбуждением. Транзисторные и тиристорные. Особенности использования и области применения.
Тема 5.Электронные усилители.
Основные параметры и характеристики электронных усилителей. Общие сведения, основные свойства.,классификация и структура усилителя. Амплитудно-частотная, амплитудная и фазовая характеристики.
Их основные параметры. Шумы усилителя (тепловой, дробовой, фликкер-щум). Шумы тока и напряжения.Критерии применения ПТ и БПТ исходя из требований минимизации шумов при различных сопротивлениях источника сигнала. Синфазные и противофазные помехи. Способы их уменьшения и виды экранирования. Усилительные каскады на ПТ и БПТ. Статический режим работы усилительного каскада, выбор рабочей точки, схемы задания напряжения смещения БПТ. Расчет по постоянному и переменному току каскадов с ОЭ и ОК.Сравнительный анализ каскадов ОЭ,ОК,ОБ. Каскад с ОЭ как преобразователь напряжение-ток, фазоинверсный каскад. Усилительные каскады на ПТ, схемы задания напряжения смещения, особенности их работы и включения. Динамическая нагрузка, источники тока, токовые зеркала и отражатели тока на ПТ и БПТ. Ослабления влияния температуры и эффекта Эрли. Токовое зеркало Уилсона, выходное сопротивление источника тока. Области применения. Многокаскадные усилители.Усилители высоких частот,низких частот, постоянного тока, широкополосные и избирательные усилители. Динамические, амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики усилителей. Усилители с конденсаторной связью. Функциональные схемы, параметры и характеристики многокаскадных усилителей. Работа усилителя емкостной связью в области средних,высоких и низких частот. Обратные связи (ОС) в усилителях Положительная обратная связь (ПОС) и отрицательная обратная связь (ООС).Коэффициент ОС и глубина ОС.Влияние ОС на параметры (R вх., Rвых., Кu, Ki, Кг, Мн, Мв) и характеристики усилителей. Последовательная и параллельная ООС по напряжению и току следящая ПОС. Примеры принципиальных схем с ОС.
|
|
|
Тема 6. Интегральные микросхемы.
Интегральный принцип изготовления и применения электронных компонентов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, их классификация, назначение, области применения. Аналоговые, цифровые и аналого-цифровые микросхемы. Усилители постоянного тока (УПТ).УПТ с непосредственной связью между каскадами и типа модуляция –демодуляция (МДМ). Способы модуляции. Дифференциальные усилительные каскады (ДУ) на биполярных и полевых транзисторах. Способы компенсации смещения и дрейфа. Сравнительный анализ и области применения. Работа ДУ в режиме усиления синфазного и противофазного сигнала, а также при использовании динамической нагрузки. Интегральные операционные усилители (ОУ) и их применение. Разновидности и обозначения ОУ. Типы входных каскадов. Упрощенная схема ОУ.Назначение каскадов. Коэффициенты ослабления синфазного сигнала и влияние напряжения сигнала. Амплитудно-частотная и фазо-частотные характеристики, основные параметры ОУ. Способы уменьшения напряжений сдвига и дрейфа. Граничная частота усиления и максимальная скорость нарастания выходного сигнала. Примеры построения аналоговых схем на ОУ(инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители,сумматоры, вычитатели, интеграторы, дифференциаторы, фильтры высоких и низких частот, полосовые и режекторные фильтры, гираторы, преобразователи ток-напряжение, точные выпрямители, нуль-органы, электронные реле, выпрямители и др.).Применение ОУ в робототехнике и системах управления. Усилители мощности. Режимы работы усилительных каскадов (активный, инверсный, отсечки, насыщения) и их применение. Однотактные усилители мощности. Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители мощности. Выходные каскады, комплиментарные и на транзисторах одной проводимости. Фазоинверторы. Емкостная и гальваническая связь с нагрузкой. Нелинейные искажения в усилителях мощности и методы их уменьшения Режимы работы класса А, B, АВ, С, D, сравнительный анализ и области их применения. Способы задания напряжения смещения и температурной стабилизации.Включение транзисторов по схемам Дарлингтона и Шиклаи. Тепловое сопротивление. Обеспечение тепловых режимов выходных каскадов на ПТ и БПТ. Активные и пассивные фильтры. Фильтры высоких частот (ФВЧ) и низких частот (ФНЧ).Полосовой и режекторный (заградительный).LC и RC фильтры. Полоса пропускания, полоса заграждения, добротность, затухание, крутизна спада на переходном участке. Фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева и др. Достоинства и недостатки. Фильтр Салена и Кея. Фильтр с параллельной ОС, универсальный и биквадратный фильтр, гиратор.
|
|
|
