Программа дисциплины «Электротехника и электроника»

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 «Электротехника и электроника»

для специальности 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» подготовки специалиста
(направление подготовки: 654600 «Информатика и вычислительная техника»)

Автор программы:

*****@***ru, *****@

Одобрена на заседании кафедры "Электроника и наноэлектроника" «___»____________ 20 г.

Зав. кафедрой ______________

Рекомендована секцией УМС «Электроника» «___»____________ 20 г.

Председатель __________________________

Утверждена УС факультета ИТиВТ «___»_____________20 г.

Ученый секретарь________________________

Москва, 2012

Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 Цели и задачи дисциплины.. 2

2 Место дисциплины в структуре ООП.. 3

3 Требования к результатам освоения дисциплины.. 3

4 Структура и содержание дисциплины.. 4

Объём дисциплины и виды учебной работы.. 4

Аннотированное содержание разделов дисциплины. 5

Тематика лабораторных работ. 7

Структура дисциплины по разделам и видам учебной работы.. 8

5 Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.. 9

Общая организация работы. 9

Программа самостоятельной познавательной деятельности студентов. 9

6 Материально-техническое обеспечение дисциплины.. 9

7 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.. 10

Основная литература: 10

Дополнительная литература: 10

Программное обеспечение. 11

Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы.. 11

1 Цели и задачи дисциплины

Целью изучения дисциплины «Электротехника и электроника» является формирование совокупности знаний и умений в области электро-магнитных цепей, полупроводниковых приборов и микросхем, которые в совокупности необходимы студентам для успешного усвоения других общепрофессиональных и специальных дисциплин последующей вузовской подготовки.

Задачи изучения дисциплины состоят в освоении:

-  основных закономерностей электро-магнитных процессов, происходящих в цепях постоянного и переменного тока, их экспериментального исследования, а также рациональных методов определения величин, характеризующих эти процессы;

-  принципов работы, схем замещения и характеристик элементной базы современных электронных устройств;

-  методов определения параметров схемотехнических моделей элементной базы;

-  принципов построения и функционирования базовых схем современной электроники;

-  вопросов применения современных пакетов прикладных программ для моделирования электрических цепей, электронных узлов.

2 Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Электротехника и электроника» необходима для усвоения других общепрофессиональных и специальных дисциплин последующей вузовской подготовки.

Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков, полученных при изучении курсов физики, алгебры и математического анализа.

Для успешного освоения дисциплины необходимо

знать:

-  основные физические явления и понятия в области механики и электричества; методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений; методы исчисления функций комплексных переменных и тригонометрических функций; векторную алгебру;

уметь:

-  применять методы математического анализа, компьютерную технику и информационные технологии при решении инженерных задач;

владеть:

-  инструментарием при решении математических и физических задач.

Дисциплина является предшествующей для изучения дисциплин «Схемотехника ЭВМ», «ЭВМ и периферийные устройства», Сети и телекоммуникации», «Теория автоматического управления», «Интерфейсы периферийных устройств».

3 Требования к результатам освоения дисциплины

Студент, изучивший дисциплину «Электротехника и электроника», должен

знать:

-  фундаментальные законы, понятия и положения электротехники и электроники;

-  важнейшие свойства и характеристики электрических и электронных цепей;

-  основные методы их расчета;

-  основные типы современных аналоговых и цифровых интегральных микpосхем, принципы их построения и функционирования;

-  основные технические параметры и характеристики ИМС;

-  инженерные методики расчета и проектирования электронных устройств различного назначения;

-  основные цели и задачи стандартизации в области электроники;

уметь:

-  использовать основные законы электротехники, методы анализа электрических цепей;

-  указать оптимальный метод расчета, определять основные характеристики цепи и дать качественную физическую трактовку полученным результатам;

-  рассчитывать и проектировать электронные устройства для решения конкретных технических задач;

-  проводить синтез, анализ и оптимизацию параметров электронных устройств с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР);

владеть навыками:

-  составления уравнений при анализе цепей в различных режимах;

-  работы с пакетом схемотехнического моделирования;

-  пользования вычислительной техникой для решения уравнений цепей.

4 Структура и содержание дисциплины

  Объём дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Всего часов	СВС	Всего часов	СВ
Семестры	Семестры
4	5	5	6
Общая трудоёмкость дисциплины	250	125	125	250	125	125
Аудиторные занятия (всего)	100	50	50	100	51	51
– лекции (Л)	51	17	34	51	17	34
– практические занятия (ПЗ)	17	17	―	17	17	―
– семинары (С)	―	―	―	―	―	―
– лабораторные работы (ЛР)	32	16	16	32	17	17
Самостоятельная работы (всего)	150	75	75	150	74	74
– курсовой проект (работа) (КП)	16	―	16	16	―	16
– расчётно-графические работы (РГР)	16	16	―	16	16	―
– рефераты (Реф.)	―	―	―	―	―	―
– контрольные работы (КР)	8	8	―	8	8	―
– коллоквиумы (Кол.)	32	16	16	32	16	16
– другие виды самостоятельной работы	78	35	43	78	35	43
Промежуточная аттестация (зачёт, экзамен)		З	З, Э		З, Э	З, Э

  Аннотированное содержание разделов дисциплины.

№ п/п	Наименова­ние раздела дисциплины	Содержание раздела
Электротехника
1.1	Основные законы теории цепей, анализ резистивных цепей	Понятие электрической цепи. Ток, напряжение, энергия и мощность в цепи. Резистивный, индуктивный и емкостной элементы и их характеристики. Источники напряжения и тока. Законы Кирхгофа. Общие свойства линейных цепей. Расчет цепей с последовательным, параллельным и смешанным соединениями резистивных элементов. Метод пропорциональных величин. Уравнения контурных токов и узловых напряжений. Метод наложения и принцип взаимности. Дуальные цепи. Теорема замещения и ее применение. Теоремы об эквивалентных источниках.
1.2	Расчет переходных процессов в цепях во временной области при постоянных и произвольных воздействиях	Понятие о переходных процессах; коммутация, собственные колебания цепи и вынужденный режим. Переходные процессы в цепях первого порядка при включении источников постоянных сигналов. Переходные процессы в цепи, содержащей индуктивный, емкостной и резистивный элементы (колебательный, апериодический и критический режимы). Уравнения цепи через переменные состояния. Аналитическое решение уравнений состояния. Уравнения связи. Численное решение уравнений состояния. Единичные ступенчатая и импульсная функции. Применение обобщенных функций. Переходная и импульсная характеристики цепи. Определение реакции цепи при воздействии сигналов произвольной формы: интегралы наложения с использованием переходной и импульсной характеристик цепи.
1.3	Анализ установившегося режима в цепях синусоидального тока	Основные параметры сигналов синусоидальной формы. Законы Кирхгофа в комплексной форме. Характеристики элементов цепи в установившемся синусоидальном режиме. Метод комплексных амплитуд. Расчет установившегося синусоидального режима в простых цепях; векторные диаграммы; простейшие резонансы напряжений и токов. Мощность в установившемся синусоидальном режиме. Резонанс в электрических цепях общего вида. Частотные характеристики цепи, методы определения и построения амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик.
1.4	Трёхфазные, индуктивно-связанные и многополюсные цепи	Общая характеристика трёхфазных цепей. Соединение звездой и треугольником. Свойства симметричных трёхфазных цепей. Векторные диаграммы. Основные понятия индуктивно-связанных элементов. Особенности анализа цепей с индуктивно-связанными элементами; трансформатор в линейном режиме, идеальный трансформатор. Уравнения, матрицы и параметры четырехполюсников. Симметрия, обратимость и пересчет параметров четырёхполюсников. Схемы замещения четырехполюсников. Соединения четырехполюсников.
1.5	Использование преобразования Лапласа к анализу цепей. Передаточная функция и частотные характеристики цепи	Законы Кирхгофа в операторной форме. Операторные уравнения и схемы замещения элементов цепи. Анализ переходных процессов в цепях с помощью преобразования Лапласа. Использование теоремы запаздывания для получения изображений сигналов. Передаточная функция цепи и её связь с импульсной, переходной и частотными характеристиками цепи. Связь передаточных функций с дифференциальными уравнениями цепи и частотами ее собственных колебаний.
1.6	Периодические сигналы и их дискретные спектры	Периодические сигналы и ряды Фурье (среднее значение, свойства рядов Фурье симметричных сигналов). Дискретные спектры периодических сигналов. Использование преобразования Лапласа для расчета спектров. Мощность и действующие значения переменных в цепи при периодических несинусоидальных воздействиях. Анализ установившихся режимов в цепях при периодических воздействиях, определение спектра реакции по спектру воздействия и частотным характеристикам цепи.
1.7	Апериодические сигналы и их спектры	Переход от рядов к интегралу Фурье и от дискретного спектра к сплошному. Связь спектра одиночного импульса с дискретным спектром периодической последовательности импульсов той же формы. Критерии ширины спектра. Связь длительности и крутизны временной функции с шириной ее спектра. Спектр дельта‑функции. Определение временной функции по её спектру. Условие неискаженной передачи сигналов. Анализ прохождения сигналов в цепях спектральным методом.
1.8	Дискретные сигналы и цепи	Дискретные сигналы и их идеализация. Теорема дискретизации; практика применения теоремы. Дискретные последовательности сигналов. Элементы линейных дискретных цепей. Схемы линейных дискретных цепей и разностные уравнения. Численное решение разностных уравнений. Использование Z – преобразования для анализа дискретных цепей. Передаточная функция дискретных цепей и ее связь с разностными уравнениями. Определение параметров дискретной цепи, обеспечивающей заданное преобразование сигналов. Метод полного соответствия переходных характеристик; методы перехода к дискретной цепи от уравнений состояния прототипа-аналога.
1.9	Электрические измерения и приборы	Особенности измерения электрических сигналов в аналоговых и цифровых устройствах. Технические средства для обеспечения измерений параметров электрических сигналов.
Электроника
2.1	Общая характеристика электронных устройств и интегральных микросхем	Аналоговые и цифровые электронные устройства. Серии ИМС, состав серий, система обозначений, конструктивное оформление, основные параметры и эксплуатационные характеристики ИМС. Стандарты на термины, определения и систему обозначений ИМС.
2.2	Полупроводниковые компоненты электронных схем	Биполярный транзистор, эквивалентные схемы Эберса-Молла и Гуммеля-Пуна. Схемы включения с общей базой и общим эмиттером, ВАХ. МОП-транзистор. ВАХ. Эквивалентная схема. Полевой транзистор с затвором Шоттки (ПТШ). ВАХ. Эквивалентная схема.
2.3	Общая характеристика усилительных устройств	Классификация усилительных устройств. Схемные функции. Частотные характеристики. Параметры переходного процесса.
2.4	Понятие об обратных связях (ОС) в электронных устройствах	Виды ОС. Основные структуры электронных устройств с типовыми ОС.
2.5	Схемотехника функциональных типовых узлов аналоговых электронных устройств.	Типовые усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах. Цепи смещения. Способы повышения стабильности режима. Схемные функции. Источники стабильного тока. Источники опорного напряжения. Каскады сдвига уровня напряжения. Активные нагрузки в усилительных каскадах. Каскадные структуры. Микросхемотехника дифференциальных усилителей. Учет особенностей интегрального исполнения.
2.7	Интегральные операционные усилители и решающие усилители	ИОУ - базовый компонент аналоговых электронных устройств. Основные параметры и характеристики ИОУ. Разновидности ИОУ: общего применения, прецизионные, быстродействующие, микромощные. Способы улучшения параметров ИОУ. Решающий усилитель-основное усилительное звено аналоговой техники. Инвертирующие, неинвертирующие, дифференциальные и интегрирующие РУ. Погрешности РУ, обусловленные неидеальностью свойств ИОУ. Способы улучшения технических характеристик РУ.
2.8	Электронные устройства на базе интегральных операционных усилителей	Усилители переменного тока. Измерительные усилители. Активные фильтры. Аналоговые компараторы. Генераторы. Аналоговые перемножители сигналов. Логарифмические усилители. Ограничители.
2.9	Электронные ключи.	Ключевые устройства на биполярных и полевых транзисторах. Быстродействие ключей и способы его повышения. Аналоговые ключи. Силовые ключи. Ключевые устройства на интегральных микросхемах.
2.10	Логические интегральные микросхемы	Принципы построения логических элементов. Основные электрические параметры и эксплуатационные характеристики логических микросхем. Разновидности логических интегральных микросхем: ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, ТЛ. Перспективные типы логических микросхем

  Тематика лабораторных работ

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ
Электротехника
1	1.1	Резистивные цепи постоянного тока
2	1.2	Переходные процессы в линейных цепях
3	1.3	Резонанс напряжений в последовательной цепи гармонического тока
4	1.4	Четырехполюсники и фильтры
Электроника
1	2.2	Изучение статических вольт-амперных характеристик биполярного и МОП-транзистора и определение параметров их моделей для схемотехнических расчётов
2	2.9	Электронные ключи
3	2.10	Исследование КМОП логической схемы
4	2.5	Исследование усилительного каскада с общим эмиттером

  Структура дисциплины по разделам и видам учебной работы

№ п/п	Наименова­ние раздела дисциплины	Аудиторная работа (час.)	Итого (час.)
Л	ПЗ	ЛР	СРС
Электротехника
1.1	Основные законы теории цепей, анализ резистивных цепей	6	6	4	16	26
1.2	Расчет переходных процессов в цепях во временной области при постоянных и произвольных воздействиях	3,5	4	4	16	17,5
1.3	Анализ установившегося режима в цепях синусоидального тока	3	4	4	16	16
1.4	Трёхфазные, индуктивно-связанные и многополюсные цепи	2	2	4	16	7
1.5	Использование преобразования Лапласа к анализу цепей. Передаточная функция и частотные характеристики цепи	1	1	―	1	2
1.6	Периодические сигналы и их дискретные спектры	0,5	―	―	―	0,5
1.7	Апериодические сигналы и их спектры	0,5	―	―	―	0,5
1.8	Дискретные сигналы и цепи	1	1	―	―	2
1.9	Электрические измерения и приборы	0,5	―	―	―	0,5
		Подготовка к зачёту:	―	―	―	10	10
		Итого:	17	17	16	75	76
Электроника
2.1	Общая характеристика электронных устройств и интегральных микросхем	2	―	―	1	3
2.2	Полупроводниковые компоненты электронных схем	4	5	4	16	29
2.3	Общая характеристика усилительных устройств	1	―	―	―	1
2.4	Понятие об обратных связях (ОС) в электронных устройствах	1	―	―	―	1
2.5	Схемотехника функциональных типовых узлов аналоговых электронных устройств.	2	3	4	16	25
2.7	Интегральные операционные усилители и решающие усилители	1	―	―	―	1
2.8	Электронные устройства на базе интегральных операционных усилителей	1	―	―	―	1
2.9	Электронные ключи.	2	2	4	16	24
2.10	Логические интегральные микросхемы	3	7	4	16	30
		Подготовка к зачёту:	―	―	―	10	10
		Итого:	17	17	16	75	125

5 Методические рекомендации по организации изучения дисциплины

  Общая организация работы.

Лекционные занятия должны проводиться в аудиториях, оборудованных презентационным оборудованием.

Практические занятия должны проводиться в компьютерном классе.

Лабораторные работы должны проводиться в лаборатории Электроники и лаборатории Электротехники кафедры ЭиЭ.

Для контроля за ходом самостоятельной работы следует использовать дистанционные образовательные Интернет-технологии. Студенты должны использовать активные элементы электронных методических материалов.

На сайте кафедры http://eande. miem. *****/ должны регулярно размещаться обновлённые версии рабочей программы дисциплины, конспекты лекций и практических занятий, методические указания по выполнению лабораторных работ, расчётно-графических работ и курсового проекта, текущие значеня рейтинга студентов.

Программа самостоятельной познавательной деятельности студентов

Самостоятельная познавательная деятельность студентов для получения устойчивых знаний по дисциплине осуществляется во время просмотра лекционного материала, работы с учебной и учебно-методической литературой при подготовке к лабораторным и практическим занятиям. Практические навыки самостоятельной расчетной и графической работы, умение проводить анализ и формулировать выводы по проделанной работе студенты получают при выполнении индивидуальных заданий и оформлении отчетов по лабораторным работам.. Затруднения, возникающие у студента при изучении дисциплины и выполнении самостоятельных работ разрешаются совместно с преподавателями на лабораторных, практических занятиях и на консультациях.

6 Материально-техническое обеспечение дисциплины

Лабораторные работы по электротехнике проводятся в специализированной лаборатории Электротехники (ауд. 565) на оборудовании, разработанном сотрудниками кафедры ЭиЭ. В состав оборудования входят 10 лабораторных стендов для л/р по темам 1‑го раздела («Электрические цепи постоянного тока») и 10 лабораторных стендов для л/р по остальным темам. Каждое рабочее место оснащено выносными источниками питания постоянного и переменного тока, а также измерительными приборами (универсальными вольтметрами, фазометрами, осциллографами). Вместимость лаборатории 20 человек. При большей численности группы формируются подгруппы, что позволяет применять фронтальный метод обучения в лаборатории электротехники.

Лабораторные работы по электронике проводятся в специализированной лаборатории Электроники (ауд. 565) на универсальных наборных стендах СЛАУ‑002, содержащих блоки для проведения работ по всем разделам курса. Каждое рабочее место оснащено выносными источниками питания постоянного и переменного тока, а также измерительными приборами (универсальными вольтметрами, фазометрами, осциллографами). Вместимость лаборатории 15 человек. При большей численности группы формируются подгруппы, что позволяет применять фронтальный метод обучения в лаборатории электроники.

Текущий контроль проводится в компьютерном классе (ауд. 563), оснащённом персональными компьютерами с установленными системами автоматизированного проектирования.

7 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

  Основная литература:

часть 1:

[1].  Теоретиче­ские основы электротехники: в 3-х частях / Под. ред.  С.,  Р. Т. 1. – СПб: Питер, 2006;

[2].   А. Теоретические основы электротехники. – М.: Гардарики, 2007;

[3].   П. Электротехника и электроника: учебник / О. П. Новожилов. – М.: Гардарики, 2008;

[4].   И. Основы теории цепей: учебник. – М.: Лань, 2006;

[5].  Сборник задач по теоретическим основам электро­тех­ники / Под. ред. Л. А. Бессонова. – М.: Высшая школа, 2000;

[6].  Коровкин основы электротехники. Сборник задач. – СПб.:Питер, 2006.

[7].  Жарова по электротехнике: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2009;

часть 2:

[8].  Степаненко микроэлектроники. ― М. Физматлит, 2004;

[9].  Искусство схемотехники. Пер. с англ.-М.: Мир, Бином, 2009;

[10].  Угрюмов схемотехника. Учебное пособие. СПб.:БХВ-Петербург, 2007;

[11].  Марченко электроники. Учебное пособие для вузов. М.: ДМК Пресс, 2009;

[12].  У. Титце, К. Шенк, Полупроводниковая схемотехника 2 т., М.: Феникс, 2008;

  Дополнительная литература:

[13].  Основы теории цепей: Учебник для вузов / Под. ред. Г. В. Зевеке, П. А. Ионкина, А. В. Нетушила, С. В. Страхова. – М.: Энергоатомиздат, 1989;

[14].  Ушаков и электроника: Учеб. пособие для вузов.-М.: Радио и связь, 1997;

[15].  , Татур и переходные процессы в электрических цепях: Учеб. пособие для вузов. - М: Высшая школа, 2001;

[16].  , Электроника – практический курс, М.: Постмаркет, 1999;

[17].  , , Микросхемотехника, М.: Радио и связь, 1990;

[18].  Сборник задач по микросхемотехнике: Автоматизированное проектирование: Учебное пособие для вузов/ , , и др.; Под ред. - Л.:Энергоатомиздат, 1991;

[19].  Применение интегральных схем: Практическое руководство. В 2-х кн. Кн.1./Под ред. А. Уильямса. - М.: Мир, 1987.-413с.;

[20].  , . Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров., М.: Радио и связь, 1986;

[21].  У. Тилл, Дж. Лаксон. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. М. 1985;

[22].  Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / , , и др. - М.: Радио и связь, 19с.: ил.;

[23].  , Грель интегральные микросхемы: Справочник. Минск, 1996;

[24].  , Шагурин . М.: Радио и связь, 1990;

[25].  Элементы интегральных схем. М. 1989;

[26].  Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях (практикум на Electronics Workbench) , т. 1 и 2. Под ред. . – М.: Изд. «Додэка», 2000;

[27].  Основы цифровой электроники. – М.: Изд. «Мир», 1988;

  Программное обеспечение

[1].  САПР LTSpice (произв. Linear Technology) или аналогичная для анализа электрических цепей.

  Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы

Не используются

Программа составлена в соответствии с ФГОС ВПО по направлению 230101 «Информатика и вычислительная техника» по специальности 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Автор программы: