УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ИНК
___________
«____»_____________2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ЭЛЕКТРОНИКА
НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП
201000 БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА)
Биотехнические и медицинские аппараты и системы
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 2 СЕМЕСТР 4
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 8
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б3.В3.1, Б3.В3.2, Б2.В4.2
КОРЕКВИЗИТЫ -
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 45 час.
Практические занятия 27 час.
Лабораторные занятия 36 час.
час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 108 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 90 час.
ИТОГО 198 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ экзамен ,
дифференцированный зачет
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра промышленной и
медицинской электроники Института неразрушающего контроля
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ_____________
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП _______________
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ______________
2013 г.
1. Цели освоения дисциплины
Целью учебной дисциплины является:
в области обучения – формирование специальных знаний, умений, навыков анализа, расчета и проектирования, а также компетенций в сфере современных высокоэффективных биотехнических систем;
в области воспитания – научить эффективно работать индивидуально и в команде, проявлять умения и навыки, необходимые для профессионального и личностного развития;
в области развития – подготовка студентов к дальнейшему освоению новых профессиональных знаний и умений, самообучению, непрерывному профессиональному самосовершенствованию.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Электроника» относится к вариативной части профессионального цикла подготовки бакалавра, освоение которой служит основой для последующего изучения таких дисциплин базовой части, как «Узлы и элементы биотехнических систем», «Биотехнические системы медицинского назначения», а также других дисциплин базовой и вариативной частей профессионального цикла.
Пререквизитами являются дисциплины: Б3.В3.1 «Теоретические основы электротехники», Б3.В3.2 «Теория электрических цепей», Б2.В4.2 «Спецглавы физики. Физические основы электроники». Для успешного освоения дисциплины студенты должны иметь устойчивые навыки работы с контрольно-измерительной аппаратурой, свободно использовать методы анализа, расчета и проектирования электрических цепей, знать основные характеристики, параметры и схемы замещения электронных полупроводниковых приборов.
Параллельно с данной дисциплиной могут изучаться дисциплины, не связанные с использованием электронных узлов биотехнических устройств.
3. Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
знать:
- физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия приборов и устройств биотехнической и медицинской электронной техники;
- основные методы расчета и проектирования устройств электронной техники
- способы генерации, усиления и преобразования электрических сигналов;
- основные типы электронных усилителей и генераторов;
- основные характеристики и параметры базовых электронных схем;
- справочный аппарат по выбору требуемой элементной базы;
- методы проведения измерений и исследований в электронике;
уметь:
- анализировать статические и переходные режимы линеаризованных и нелинейных цепей с электронными приборами;
- выполнить анализ литературных данных при выборе технического решения;
- произвести расчет (проектирование) базовых электронных цепей непрерывного и импульсного действия различного назначения;
- осуществлять обоснованный выбор элементов электронных устройств;
- работать с современной измерительной аппаратурой;
владеть методами (приемами):
- анализа, расчета и проектирования устройств электронной техники;
- практической работы с современной измерительной аппаратурой;
- экспериментального исследования характеристик электрических цепей, электронных приборов и устройств.
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:
1. Универсальные (общекультурные):
- способностью стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства (ОК-6);
- способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
2. Профессиональные:
- способностью владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик электрических цепей (ПК-4);
- готовностью выполнять расчет и проектирование деталей, компонентов и узлов биотехнических систем, биомедицинской и экологической техники в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования (ПК-10);
- способностью выполнять эксперименты и интерпретировать результаты по проверке корректности и эффективности решений (ПК-19).
4. Структура и содержание дисциплины
4.1 Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Усилители электрических сигналов
Место дисциплины в системе подготовки бакалавра по направлению «Биотехнические системы и технологии».
Основные положения теории электронных усилителей.
Определение электронного усилителя, классификация по различным признакам, принцип действия, основные параметры и характеристики, структурная схема.
Однокаскадные усилители с резистивно-емкостной связью.
Каскады на биполярном транзисторе по схемам включения с общим эмиттером, общим коллектором, общей базой. Каскады на полевом транзисторе по схемам включения с общим истоком и общим стоком. Режим покоя. Классы усиления. Цепи смещения. Температурная стабильность усилителя. Анализ каскадов в режиме малого сигнала в области низких, средних и высоких частот.
Обратные связи (ОС) в усилителях.
Определение ОС. Классификация видов ОС. Влияние ОС разного типа на характеристики и параметры усилителей. Основные способы подачи ОС в реальных устройствах. Устойчивость усилителей с ОС.
Усилители постоянного тока (УПТ).
Основные особенности и характеристики УПТ. Многокаскадные УПТ прямого усиления. УПТ с промежуточным преобразованием. Параллельно-балансные каскады. Дифференциальный каскад. Операционные усилители.
Выходные каскады усилителей.
Работа усилителя на биполярных транзисторах в режиме большого сигнала, нелинейные искажения. Однотактный трансформаторный каскад. Двухтактный трансформаторный каскад. Бестрансформаторные усилители мощности.
Избирательные усилители.
Избирательные усилители с резонансными контурами. Избирательные усилители с RC-цепями.
Практические занятия
1.1 Расчет усилительных каскадов на биполярном транзисторе.
1.2 Расчет усилительных каскадов на полевом транзисторе.
Лабораторные работы
1.1 Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах.
Раздел 2. Генераторы гармонических колебаний
Основные положения теории электронных генераторов.
Определение электронного генератора. Классификация. Генераторы гармонических колебаний с внешним возбуждением.
Автогенераторы гармонических колебаний.
Условия и режимы самовозбуждения автоколебаний. LC-автогенераторы. RC-автогенераторы.
Раздел 3. Электронные ключевые схемы
Общие положения теории электронных ключевых устройств.
Идеальные ключи (управляемые и неуправляемые). Реальные ключи и их отличие от идеальных. Параметры реальных электронных ключей.
Электронные ключи на биполярных транзисторах.
Статические режимы ключей на биполярных транзисторах. Схемы замещения. Основные расчетные соотношения. Переходные процессы при переключении транзистора. Ключи с форсированным переключением. Ненасыщенные ключи.
Электронные ключи с импульсным трансформатором.
Понятие импульсного трансформатора (ИТ). Функции трансформатора. Принцип действия. Параметры и эквивалентная схема замещения трансформатора. Процесс импульсного перемагничивания сердечника ИТ. Передача прямоугольного сигнала через ИТ. Транзисторный ключ с ИТ.
Практические занятия
3.1 Расчет статического режима ключевых устройств на биполярных транзисторах.
3.2 Практические случаи применения импульсного трансформатора.
3.3 Определение динамических параметров ключевых устройств на транзисторах.
Лабораторные работы
3.1 Исследование ключевого режима работы биполярных транзисторов.
Раздел 4. Генераторы негармонических колебаний
Общие положения теории генераторов негармонических колебаний. Классификация генераторов.
Триггерные устройства.
Общая характеристика триггерных устройств. Триггеры на биполярных транзисторах с коллекторно-базовыми связями. Схемы запуска. Области применения.
Одновибраторы (ждущие мультивибраторы).
Общая характеристика ждущих мультивибраторов. Области применения. Одновибраторы на различной элементной базе.
Релаксационные автогенераторы.
Общая характеристика автоколебательных мультивибраторов. Генераторы на негатронах, биполярных транзисторах с коллекторно-базовыми связями.
Генераторы пилообразного напряжения (ГПН).
Общая характеристика ГПН, области применения, базовая схема. Варианты схемотехники ГПН.
Лабораторные работы
4.1 Исследование одновибраторов.
4.2 Исследование генераторов на негатроне.
4.3 Исследование генераторов пилообразного напряжения.
4.2 Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Колл, контр. работы | Итого | ||
Лекц. | Практич. занятия | Лабор. занятия | ||||
1. Усилители электрических сигналов. | 18 | 12 | 12 | 50 | КР-1, Курсовая работа | 92 |
2. Генераторы гармонических колебаний. | 6 | 5 | 11 | |||
3. Электронные ключевые схемы. | 12 | 15 | 8 | 19 | КР-2, КР-3 | 54 |
4. Генераторы негармонических колебаний. | 9 | 16 | 16 | 41 | ||
Итого | 45 | 27 | 36 | 90 | 198 |
4.3 Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3.
Таблица 1.
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения
№ | Формируемые компетенции | Разделы дисциплины | |||||||
1 | 2 | 3 | 4 | ||||||
1. | З.4.1 | + | + | + | + | ||||
2. | З.4.2 | + | + | + | + | ||||
3. | З.4.3 | + | + | + | + | ||||
4. | У.2.1 | + | - | - | - | ||||
5. | У.2.2 | + | - | + | - | ||||
6. | У.4.1 | + | + | + | + | ||||
7. | У.4.2 | + | - | - | - | ||||
8. | У.5.2 | + | - | + | + | ||||
9. | В.2.1 | + | - | + | - | ||||
10. | В.2.2 | + | - | + | - |
5. Образовательные технологии
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО Методы | Лекц. | Лаб. работы | Практ. занятия | Тр*., Мк** | СРС | Курс. раб. |
IT-методы | + | |||||
Работа в команде | + | |||||
Case-study | + | + | ||||
Игра | ||||||
Методы проблемного обучения. | + | |||||
Обучение на основе опыта | + | |||||
Опережающая самостоятельная работа | + | |||||
Проектный метод | + | |||||
Поисковый метод | + | + | ||||
Исследовательский метод | + | |||||
Контекстный метод | + | + |
* - Тренинг, ** - Мастер-класс
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Приводится характеристика всех видов и форм самостоятельной работы студентов, включая текущую и творческую/исследовательскую деятельность студентов:
6.1 Текущая СРС, направленная на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений:
- работа с лекционным материалом;
- выполнение домашних заданий, домашних контрольных работ;
- опережающая работа самостоятельная работа;
- обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме курса (рекомендуется в случае недостаточного усвоения материала, а также студентам, пропустившим аудиторные занятия по какой-либо теме)
- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
- подготовка к лабораторным и практическим занятиям;
- подготовка к контрольным работам;
- подготовка к защите лабораторных работ;
- подготовка к защите курсовой работы;
- подготовка к экзамену.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР), ориентированая на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала студентов:
- анализ технического задания на курсовую работу;
- поиск, анализ и презентация информации на курсовую работу;
- выполнение расчетно-графической части курсовой работы;
- выполнение курсовой работы;
- участие в кафедральном, университетском, региональном и федеральном этапах Всероссийской студенческой олимпиады по электронике.
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
- Курсовая работа «Проектирование RC-усилителя»
- На самостоятельную проработку вынесены следующие темы:
Усилительные каскады на полевых транзисторах
Однотактный трансформаторный усилитель мощности
Двухтактный трансформаторный усилитель мощности
Ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах
Избирательные усилители
LC-автогенераторы
6.3 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей.
Контроль самостоятельной работы осуществляется посредством защиты отчетов по выполненным лабораторным работам, подготовки ответов на контрольные вопросы к лабораторным работам и защиты курсовой работы.
6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Перечень необходимого учебно-методического обеспечения самостоятельной работы студентов приведен в разделе 9.
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Вопросы для проверки текущей успеваемости
Примеры контрольных вопросов к лабораторным работам
1. Сравните каскады ОБ, ОЭ и ОК по основным показателям. Когда предпочтительнее использовать ту или иную схему?
2. В каких классах усиления может работать усилительный элемент? Каким образом обеспечивается требуемый режим? Какой основной параметр характеризует класс усиления? В каких случаях используется тот или иной класс?
3. Изобразите схему простейшего ключа ОЭ, управляемого последовательностью прямоугольных биполярных импульсов типа «меандр». Поясните назначение всех элементов, входящих в схему.
4. Приведите схемы замещения ключа для запертого и насыщенного состояний. Получите выражения для напряжения на базе и коллекторе транзистора в этих состояниях.
5. Что такое «степень насыщения S» транзистора? Каковы рекомендуемые на практике значения S ?
6. Приведите простейшую схему ГПН на основе интегрирующей цепи с ключом на биполярном транзисторе p-n-p-типа. Поясните принцип действия устройства.
7. Изобразите сфазированные диаграммы напряжения и тока для простейшего ГПН с транзисторным ключом n-p-n-типа: а) входное напряжение Uвх; б) напряжение на базе транзистора Uб; в) базовый ток Iб; г) ток коллектора Iк; д) ток конденсатора IC; е) напряжение на конденсаторе UC. Как изменятся диаграммы, если изменить тип транзистора?
8. Приведите основную схему одновибратора на биполярных транзисторах с коллекторно-базовыми связями. Опишите исходное состояние устройства, пояснив, за счет чего оно обеспечивается (из физических соображений).
9. Получите условия работоспособности схемы (условие насыщения одного транзистора при одновременном запирании второго в исходном состоянии).
Примеры заданий для контрольных работ
1. Изменение коэффициента усиления усилителя без обратной связи К = 1000 под действием дестабилизирующих факторов составляет ±10%. Определить коэффициент передачи β цепи отрицательной обратной связи, которую необходимо ввести, чтобы изменение коэффициента усиления не превышало ± 2%, а также новое значение Коос.
2. Определить коэффициент частотных искажений Мн резистивного усилительного каскада, если на нижней граничной частоте коэффициент усиления составляет 25, а на средних частотах – 32.
3. Используя характеристики транзистора, близкие к полученным на лабораторной работе, построить выходные динамические характеристики резистивного усилительного каскада с ОК, если Eк = 20В, Rн = 5кОм, Rэ = 2кОм (режим класса А).
4. Найти сквозной коэффициент усиления на СЧ каскада с ОЭ, если задано: Rг = 50Ом; Rк = 1кОм; Rн = 1кОм; Rб1 = 68кОм; Rб2 = 24кОм; rб = 200Ом; βср = 100; ток покоя коллектора I0к = 2мА.
5. Дано: 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
, 
. Определить напряжение на базе запертого транзистора и степень насыщения включенного в приведенной схеме.
Техническое задание на курсовую работу
«Проектирование RC-усилителя»
Программа работы: 1) Предварительные расчеты. Анализ технического задания. 2) Выбор и обоснование структурной схемы усилителя. 3) Выбор и обоснование принципиальной схемы устройства. 4) Расчет принципиальной схемы. 5) Графическая часть работы. 6) Выводы.
Исходные данные к курсовой работе
вар. | Ег, В | Rг, Ом | Uвых, В | Rн, Ом | Cн, пФ | Fн, Гц | Fв, кГц | Мн, Дб | Мв, Дб | Tос, °C |
1 | 0.1 | 10 | 12 | 2000 | 50 | 10 | 40 | 3.0 | 3.0 | 50 |
2 | 0.1 | 5 | 1 | 300 | 40 | 20 | 20 | 2.0 | 1.2 | 20 |
Примеры экзаменационных билетов (промежуточный контроль)
Билет №3
1. Коэффициенты усиления и КПД усилителя.
2. В каскаде с ОК положение рабочей точки задано «методом фиксированного потенциала базы», рассчитать параметры цепи задающей рабочую точку, если I0э = 70мА; b = 120; U0б = 0.7В; Rэ = 75Ом; Ек = 12В.
3. Анализ усилительного каскада ОЭ на средних, нижних и верхних
частотах.
4. Усилитель с коэффициентом усиления K = 100 и входным сопротивлением Rвх =2.5 кОм охвачен последовательной отрицательной обратной связью по напряжению. Определить коэффициент усиления Коос и входное сопротивление Rвх ос такого усилителя, если коэффициент цепи обратной связи β = 0.01.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Забродин, Юрий Сергеевич Промышленная электроника: учебник для вузов/ : учебник для вузов / . — 2-е изд., стер.— Москва: Альянс, 2013. — 496 с.: ил.— Библиогр.: с. 486-488. — Предметный указатель: с. 489-494.. — ISBN 987-5-903-034-34-5.
2. Лачин, Вячеслав Иванович Электроника : учебное пособие для вузов / , ёлов. — 8-е изд.— Ростов-на-Дону: Феникс, 2010. — 704 с.: ил.— Высшее образование. — Библиогр.: с. 697.. — ISBN 978-5-222-17655-9.
3. Гусев, Владимир Георгиевич Электроника и микропроцессорная техника : учебник для вузов / , . — 6-е изд., стер.— Москва: КноРус, 2013. — 798 с.: ил.— Бакалавриат. — Библиогр.: с. 786-787.. — ISBN 978-5-406-02537-6.
4. Миловзоров, Олег Владимирович Электроника [Электронный ресурс] : учебник для бакалавров / , . — 5-е изд.— Мультимедиа ресурсы (10 директорий; 100 файлов; 740MB). — Москва: Юрайт, 2013. — 1 Мультимедиа CD-ROM. — Бакалавр. Базовый курс.—Бакалавр. Углубленный курс.—Электронные учебники издательства "Юрайт". — Электронная копия печатного издания. — Системные требования: Pentium 100 MHz, 16 Mb RAM, Windows 95/98/NT/2000, CDROM, SVGA, звуковая карта, Internet Explorer 5.0 и выше.. — ISBN 978-5-9916-2541-8.
Схема доступа: http://www. lib. tpu. ru/fulltext2/m/2014/FN/fn-37.pdf
5. Фомичев, Юрий Михайлович Электроника. Элементная база, аналоговые и цифровые функциональные устройства [Электронный ресурс] : учебное пособие / , ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). — 1 компьютерный файл (pdf; 3.24 MB). — Томск: Изд-во ТПУ, 2011. — Заглавие с титульного экрана. — Доступ из корпоративной сети ТПУ. — Системные требования: Adobe Reader..
Схема доступа: http://www. lib. tpu. ru/fulltext2/m/2012/m59.pdf
Дополнительная литература
1. Полупроводниковая схемотехника: пер. с нем.: в 2 т. / У. Титце, К. Шенк. — М.: Додэка-XXI: ДМК, 2008
Т. 1. — 2008. — 832 с.: ил.— Библиография в конце глав..
2. Полупроводниковая схемотехника: пер. с нем.: в 2 т. / У. Титце, К. Шенк. — М.: Додэка-XXI: ДМК, 2008
Т. 2. — 2008. — 942 с.: ил.— Библиография в конце глав.. — ISBN 978-5-94120-200-
3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности : справочник / под ред. . — 3-е изд., стер.— Москва: КУбК-а, 1995. — 640 с.. — ISBN 85554-092-8.
4. Расчет электронных схем. Примеры и задачи : учебное пособие / , , . — Москва: Высшая школа, 1987. — 334 с..
5. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: справочник в 2 т.: пер. с англ. / М. Кауфман, А. Сидман. — М: Энергоатомиздат, 1991-1993
Т. 1.— 1991. — 361 с.: ил.. — ISBN 5-283-02511-X.
6. Степаненко, Игорь Павлович Основы теории транзисторов и транзисторных схем / . — 4-е изд., перераб. и доп.— Москва: Энергия, 1977. — 671 с.
программное обеспечение и Intеrnet-ресурсы:
http://portal. tpu. ru/SHARED/g/GREBENNIKOVVV – персональный сайт преподавателя Гребенникова В. В.
http://ibooks. ru – электронно-библиотечная система
http://www. nelbook. ru – электронная библиотека издательского дома Московского энергетического института
https://tpu. bibliotech. ru – электронно-библиотечная система
http:// - электронно-библиотечная система
- специализированное программное обеспечение не требуется.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лабораторные работы выполняются в специализированной лаборатории кафедры промышленной и медицинской электроники – ауд. №325 корпуса 16-в ТПУ общей площадью 76,5 кв. м. Помещение оборудовано 9-ю рабочими местами, в состав каждого из которых входит:
– лабораторный стол;
– двухканальный осциллограф GOS620;
– генератор синусоидального сигнала Г3-109;
– генератор прямоугольного сигнала Г5-54;
– универсальный цифровой вольтметр В7-22А;
– универсальный источник питания;
– универсальное наборное поле;
– наборы соединительных проводников и модулей с расположенными на них различными радиоэлектронными компонентами.
Лекции читаются с использованием мультимедийного оборудования. В распоряжении студентов находятся компьютерные классы кафедры ПМЭ.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки 201000 Биотехнические системы и технологии.
Программа одобрена на заседании кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразрушаюшего контроля ТПУ
(протокол от «30» августа 2013 г.).
Автор:
Рецензент:
