Аналоговая схемотехника_бакалаврыx

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета «Высшая школа экономики»
Факультет информационных технологий и вычислительной техники
Программа дисциплины
Аналоговая схемотехника
для направления 230100.62 «Информатика и вычислительная техника».
Автор программы: Сафонов Сергей Николаевич, ssafonov@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры "Информационнокоммуникационные технологий"
«___»____________ 20
г.
«___»_____________20
г.
Зав. кафедрой ______________________В.Н. Азаров
Утверждена УС МИЭМ НИУ ВШЭ
Ученый секретарь__________________ В.П. Симонов
Москва, 2013
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета
и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
1. Цели и задачи дисциплины: Целью дисциплины является изучение студентами
аналоговых электронных узлов, применяемых в средствах вычислительной техники. Задачами
дисциплины является изучение методов построения, типовых схемотехнических решений и
методов схемотехнического проектирования аналоговых электронных устройств.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Курс « Аналоговая схемотехника» относится к базовому циклу и читается на 6 семестре.
Предшествующие дисциплины:
 Математический анализ
 Физика
 Электротехника
 Электроника
 Информатика
 Теория автоматов
Дисциплины, для которых данная дисциплина является предшествующей:
 Микропроцессорные системы
 Схемотехника функциональных узлов
 Проектирование функциональных узлов
 Проектирование специальных систем обработки информации
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
ОК-1, ОК-2, ОК-6, ОК-12, ПК-2, ПК-6, ПК-7, ПК-9, ПК-10, ПК-11
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- принципы построения функциональных узлов аналогового типа;
- принципы построения электронных устройств с использованием обратных связей;
- способы построения схем на операционных усилителях;
- схемотехнику активных фильтров;
- нормативно-технические документы по правилам оформления схем электрических.
Уметь:
- анализировать функциональные узлы;
- выбирать элементную базу для аналоговых узлов;
- проектировать типовые функциональные узлы;
- разрабатывать аналоговые узлы математической обработки сигналов.
Владеть:
- методами проектирования базовых схем с обратными связями;
- методами анализа аналоговых сигналов;
- навыками оформления схемотехнической документации;
- навыками автоматизированного анализа аналоговых узлов.
2
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
В том числе:
Лекции
Практические занятия
(ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы
(ЛР)
Самостоятельная
работа (всего)
В том числе:
Курсовой проекта
(работа)
Расчётно-графические
работы
0
36
0
1
36
1
0
0
0
0
0
0
0
0
36
0
1
0
36
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
18
0,5
18
0,5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Реферат
Другие виды
самостоятельной
работы
Экзамен
Вид промежуточной
аттестации (зачёт,
экзамен)
0
18
0
0,5
0
18
0
0,5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
З
0
0
0
0
0
0
0
Общая
трудоёмкость
часы 90
зачётные
единицы
90
2,5
0
2,5
0
0
3
0
0
0
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1.
Наименование
раздела дисциплины
Введение в
аналоговую
схемотехнику
2.
Схемотехника
транзисторных узлов
3.
Обратные связи в
электронных
устройствах
4.
Операционные
усилители (ОУ)
5.
Аналоговые узлы
математической
обработки сигналов
6.
Активные фильтры
7.
Генераторы
8.
Компараторы
9.
Автоматизация
схемотехнического
проектирования
аналоговых
электронных узлов
Содержание раздела
Основные понятия, термины и определения. Назначение
аналоговых электронных узлов в средствах вычислительной
техники. Структура аналого-цифровой системы обработки
информации. Виды сигналов. Спектры сигналов.
Преобразование Фурье.
Транзисторные источники тока, способы улучшения
характеристик. Токовые зеркала. Классический
дифференциальный усилитель, области применения,
способы улучшения параметров. Транзисторные ключи
большой мощности.
Структуры устройств с обратными связями.
Стабилизирующая и частотно-зависимая обратные связи.
Положительная обратная связь, условия самовозбуждения.
Обратная связь в релаксационных устройствах.
Классификация ОУ. Понятие об идеальном ОУ.
Погрешности ОУ. Параметры реальных ОУ и их влияние на
характеристики схемы. Типовые схемы включения ОУ.
Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики
каскадов на основе ОУ. Условия устойчивости схем на ОУ.
Частотная коррекция каскадов на ОУ.
Дифференциальные усилители на ОУ. Узлы математической
обработки: суммирующие и вычитающие устройства,
интегрирующие и дифференцирующие усилители.
Преобразователь ток-напряжение. Активные ограничители,
схемы детектирования сигналов, устройства выборкихранения.
Классификация фильтров. Параметры фильтров в частотной
и временной областях. Активные фильтры, области
применения, достоинства и недостатки. Активные фильтры
2-го порядка на основе ИНУН. Двойной Т-образный фильтр.
Биквадратные фильтры. Фильтры на переключаемых
конденсаторах.
Релаксационный генератор на ОУ. Генераторы
гармонических колебаний, критерий возникновения
генерации, генератор на основе Т-образного моста.
Структура компаратора напряжений, основные параметры.
Компаратор с гистерезисом. Регистрация попадания сигнала
в зону. Компаратор с «окном».
Задачи, этапы и методы проектирования аналоговых узлов и
устройств ЭВМ. Основы интегрированной системы
автоматизированного проектирования. Программные пакета
схемотехнического проектирования (моделирование
компонент, моделирование, анализ и оптимизация схем).
4
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
3.
4.
Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин
Микропроцессорные
системы
Схемотехника
функциональных
узлов
Проектирование
функциональных
узлов
Проектирование
специальных систем
обработки
информации
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для
изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
8
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
9
+
+
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
Наименование раздела дисциплины
п/п
Лекц. Практ. Лаб.
зан.
зан.
Семинары
СРС
Всего
1.
Введение в аналоговую схемотехнику
2
0
0
0
0
2
2.
Схемотехника транзисторных узлов
2
2
4
0
2
10
3.
Обратные связи в электронных
устройствах
Операционные усилители
4
2
4
0
2
12
6
2
8
0
2
18
6
4
4
0
2
16
6.
Аналоговые узлы математической
обработки
Активные фильтры
6
4
4
0
2
16
7.
Генераторы
2
0
4
0
2
8
8.
Компараторы
2
0
0
0
2
4
9.
Автоматизация схемотехнического
проектирования аналоговых
электронных узлов
6
4
8
0
4
22
4.
5.
5
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
6 Лабораторный практикум
№
п/п
№ раздела
дисциплины
Наименование лабораторных работ
1.
2
Моделирование структуры операционных усилителей
2.
3
3.
4
4.
4
5.
5
6.
6
7.
7
8.
9
9.
9
Исследование влияния обратных связей на параметры
электронных узлов
Исследование амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик каскадов на операционных
усилителях
Исследование стабильности и устойчивости каскадов
на операционных усилителях
Моделирование интегрирующей и дифференцирующей
схем на операционных усилителях
Исследование передаточных функций активных
фильтров на операционных усилителях
Исследование генераторов гармонических и
импульсных колебаний
Изучение программного пакета схемотехнического
проектирования QUCS (моделирование электронных
компонентов, моделирование, анализ и оптимизация
схем).
Схемотехническое моделирование электронного узла
(индивидуальное задание).
Трудоемкость
(часы/зач
единицы)
4
4
4
4
4
4
4
4
4
7 Формы контроля знаний студентов
Тип
контроля
Текущий
Итоговый
Форма
контроля
Контрольная
работа
Неделя
Параметры контроля
6
Контрольная
работа
10
Домашнее
задание
14
Зачет
*
Устный контроль, 20 минут. Время на самостоятельную
подготовку к контрольной работе 4 часа. Срок
проведения 1 марта
Письменная работа, объем 1 - 2 стр. Время на
самостоятельную подготовку письменной работы 4
часа. Срок сдачи 1 апреля
Письменный отчет, объем 3 - 5 стр. Время на
самостоятельное выполнение домашнего задания 16
часов. Срок сдачи 5 мая
Зачет проводится в устной форме, 0,3 час. на студента
6
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
8 Образовательные технологии
При изучении дисциплины внимание должно уделяться решению следующих задач:
теоретической подготовке и практическому применению знаний для разработки электронных
устройств ЭВМ.
Знания теории приобретаются на лекциях и практических занятиях. Для эффективного
освоения теоретического материала студентам необходимо перед каждым практическим
занятием (лабораторной работой) дополнительно изучать разделы курса по конспектам и
рекомендуемой литературе. Лекции читаются в традиционной форме, а также в форме
презентаций, если необходимо дать обзорный материал, большое количество иллюстраций и
наглядные обобщения. Практические занятия проводятся в лаборатории. Для активного участия
в практических занятиях студенты выполняют самостоятельную подготовку по заданным темам
с использованием рекомендованной литературы.
9 Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента
9.1 Тематика заданий текущего контроля
Примерные вопросы для текущего контроля - контрольной работы (6-я неделя )
Схема и принцип действия дифференциального каскада.
Коэффициент усиления дифференциального сигнала ОУ. Передаточная характеристика.
Упрощенная эквивалентная схема ОУ.
Коэффициент передачи синфазного сигнала ОУ. Коэффициент ослабления синфазного
сигнала.
5. Входное напряжение смещения ОУ.
6. Входной ток смещения ОУ. Уменьшение влияния входных токов.
7. Разность входных токов ОУ (входной ток сдвига).
8. Эквивалентная схема входных цепей ОУ с учетом статических погрешностей.
9. Амплитудная и фазовая частотные характеристики интегрирующей цепочки.
10. Диаграммы Боде.
11. Коэффициент передачи усилителя с обратной связью. Условие устойчивости
усилителя.
12. Эквивалентная схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по
напряжению.
13. Эквивалентная схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по
току.
14. Эквивалентная схема усилителя с параллельной отрицательной обратной связью по
напряжению.
1.
2.
3.
4.
Примерные вопросы для текущего контроля - контрольной работы (10-я неделя )
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Эквивалентная схема усилителя параллельной отрицательной обратной связью по току.
Инвертирующий усилитель. Схема, коэффициент усиления.
Неинвертирующий усилитель. Схема, коэффициент усиления.
Инвертирующий сумматор. Схема, коэффициент усиления.
Дифференциальный усилитель. Схема, коэффициент усиления.
Назначение фильтров в аппаратуре.
Частотнозависимые цепи. Мост Вина. Двойной Т-образный мост.
Виды амплитудно-частотных характеристик фильтров.
Преобразование частотных характеристик при включении их в обратные связи
усилителей.
7
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
10
11
12
13
14
Фильтры нижних частот.
Фильтры верхних частот.
Полосовые фильтры.
Режекторные фильтры.
Передача импульсных сигналов фильтрами.
Примерные темы для текущего контроля - домашнее задание (14-я неделя)
Цель домашних заданий
Углубленное изучение принципа действия и способов построения базовых аналоговых
схем на основе самостоятельной работы студентов.
Задачи самостоятельной работы:
- изучение дополнительной литературы;
- анализ задания и возможных вариантов построения схемы;
- разработка принципиальной схемы;
- в зависимости от задания: построение амплитудно-частотных и фазо-частотных
характеристик, расчет статического режима, расчет частот среза, расчет коэффициентов
усиления;
- выбор микросхемы;
- составление описания принципа действия схемы;
- оформление принципиальной схемы.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Инвертирующий усилитель с К=10 на интегральном ОУ
Неинвертирующий усилитель с К=20 на интегральном ОУ
Дифференциальных усилитель с К=15 на интегральном ОУ
Импульсный усилитель с К=10 на интегральном ОУ
Широкополосный усилитель с К=20 и ∆f=5 МГц на интегральном ОУ
Прецизионный усилитель с К=50 на интегральном ОУ
Интегратор с fср=10 кГц на интегральном ОУ
Дифференциатор с fср=20 кГц на интегральном ОУ
Измерительный усилитель с К=100 на интегральных ОУ
Формирователь импульсов с однополярным выходом на интегральном ОУ
Формирователь импульсов с двуполярным выходом на интегральном ОУ
Прецизионный детектор на интегральном ОУ
Компаратор сигналов положительной полярности и однополярным выходом на
интегральном ОУ
Преобразователь ток-напряжение на интегральном ОУ
Преобразователь напряжение-ток на интегральном ОУ
Полосовой фильтр с fр=10 кГц на интегральном ОУ
Режекторный фильтр с fр=50 Гц на интегральном ОУ
Генератор прямоугольных двуполярных импульсов с fвых=100 Гц на
интегральном ОУ
Логарифмирующий усилитель (компрессор) сигналов на интегральном ОУ
Антилогарифмирующий усилитель (экспандер) сигналов на интегральном ОУ
Усилитель повышенной мощности Pвых=1 Вт двухтактным выходом на
интегральном ОУ и транзисторах
Генератор гармонических сигналов с fвых=100 Гц на интегральном ОУ
Стабилизатор постоянного тока с Iвых=1 мА на интегральном ОУ
Стабилизатор постоянного напряжения с Uвых=1 В на интегральном ОУ
8
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
9.2 Вопросы для оценки качества освоения дисциплины
Перечень вопросов к итоговому контролю. Зачет
Схема и принцип действия дифференциального каскада.
Коэффициент усиления дифференциального сигнала ОУ. Передаточная характеристика.
Упрощенная эквивалентная схема ОУ.
Коэффициент передачи синфазного сигнала ОУ. Коэффициент ослабления синфазного
сигнала.
5. Входное напряжение смещения ОУ.
6. Входной ток смещения ОУ. Уменьшение влияния входных токов.
7. Разность входных токов ОУ (входной ток сдвига).
8. Эквивалентная схема входных цепей ОУ с учетом статических погрешностей.
9. Амплитудная и фазовая частотные характеристики интегрирующей цепочки.
10. Диаграммы Боде.
11. Коэффициент передачи усилителя с обратной связью. Условие устойчивости
усилителя.
12. Эквивалентная схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по
напряжению.
13. Эквивалентная схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по
току.
14. Эквивалентная схема усилителя с параллельной отрицательной обратной связью по
напряжению.
15. Эквивалентная схема усилителя параллельной отрицательной обратной связью по току.
16. Инвертирующий усилитель. Схема, коэффициент усиления.
17. Неинвертирующий усилитель. Схема, коэффициент усиления.
18. Инвертирующий сумматор. Схема, коэффициент усиления.
19. Дифференциальный усилитель. Схема, коэффициент усиления.
20. Назначение фильтров в аппаратуре.
21. Частотнозависимые цепи. Мост Вина. Двойной Т-образный мост.
22. Виды амплитудно-частотных характеристик фильтров.
23. Преобразование частотных характеристик при включении их в обратные связи
усилителей.
24. Фильтры нижних частот.
25. Фильтры верхних частот.
26. Полосовые фильтры.
27. Режекторные фильтры.
28. Передача импульсных сигналов фильтрами.
1.
2.
3.
4.
10 Порядок формирования оценок по дисциплине
Текущий контроль:
 Q1кон.раб – оценка за контрольную работу по десятибалльной шкале.
 Q1дом.зад.1 – оценка за первое домашнее задание по десятибалльной шкале.
 Q1дом.зад.2 – оценка за второе домашнее задание по десятибалльной шкале.
 Q1вопрос1, Q1вопрос2 – оценки за ответ на вопросы на устном зачете. Каждый ответ оценивается
по десятибалльной шкале.
Итоговый контроль:
Итоговая оценка по дисциплине рассчитывается по формуле:
9
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Программа
дисциплины "Аналоговая схемотехника" для направления 230100.62 "Информатика и
вычислительная техника" подготовки бакалавров
Qитог. = 0,15*(Q1кон.раб.1 + Q2кон.раб.2 + Q3дом.зад.1 ) + 0,275*(Q4вопрос1 + Q5вопрос2)
Способ округления оценки: арифметический.
11 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Каган Б.М. ЭВМ и системы: учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2001.
2. М.Кауфман, А.Сидман. Практическое руководство по расчетам схем в электронике:
Справочник. В 2-ч. Т.1: Пер с англ./ под ред. Ф.Н.Покровского. – М.: Энергоатомиздат,
2006.
3. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. – 2-е изд., испр. –
М.: Горячая линия – Телеком, 2003.
4. Ф.Дж.Пейтон, В.Волош Аналоговая электроника на операционных усилителях. – М.:
БИНОМ, 2004.
б) дополнительная литература
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, в 3-х томах. Пер. с англ. 2-ое изд. - М.:
Мир, 2003.
в) программное обеспечение
1. Программа схемотехнического моделирования QUCS.
2. Программы Pc-Lab 2000 фирмы Velleman Instruments для поддержки электронных
измерительных приборов.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Информационно-справочные системы фирм-производителей электронных компонентов.
12 Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лаборатория, оснащенная ПК с ОС Windows XP и выше. Измерительная аппаратура:
электронные измерительные системы фирмы Velleman Instruments; электронные
осциллографы С1-67.
10