Государственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию
Нижегородский государственный университет
им.Н.И.Лобачевского

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
БАКАЛАВРА ФИЗИЧЕСКИХ НАУК
по общему курсу
"РАДИОЭЛЕКТРОНИКА"
для специальности "Радиофизика и электроника"

Курс 4
Семестр 8
Лекции 51 час.
Практические занятия 17 час
Экзамен

Программа составлена доцентом кафедры радиотехники радиофизического факультета к.ф.-м.н. Е.И.Шкелевым, доцентом кафедры радиотехники радиофизического факультета к.т.н. Л.Ю.Ротковым

Н.Новгород 1995

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
"РАДИОЭЛЕКТРОНИКА"

Основной целью курса "Радиоэлектроника" является формирование знаний в области аппаратных средств обеспечения каналов связи в используемых на сегодня диапазонах длин волн вплоть до ММ-диапазона (исключая оптический и инфракрасный). Попутно ставится задача ознакомления с основными схемами и техническими решениями наиболее широко употребляемых узлов радиоаппаратуры.

Для успешного усвоения данной дисциплины требуется знание:

1) разделов курса общей физики, содержащих обоснование и применение уравнений Кирхгофа, рассматривающих резонансные явления в электрических цепях и принцип работы параметрических усилителей;
2) разделов курса "Теоретические основы радиотехники", связанных со спектральными представлениями радиосигналов, с вопросами фильтрации и прохождения сигналов через линейные и нелинейные цепи (включая усиление, детектирование и преобразование частоты), а также со структурой и компонентами канала связи;
3) разделов курса "Полупроводниковая злектроника" по физике явлений в областях контактов (таких как гомо- и гетеро-переходы, барьер Шоттки), в биполярном и полевом транзисторах (включая гетеропереходные биполярные транзисторы, транзисторы с барьером Шоттки, селективно легированные полевые транзисторы);
4) разделов курса "Электродинамика" по обоснованию и области применимости телеграфных уравнений, по обоснованию и области применимости моделирования распределенных систем посредством цепей, содержащих сосредоточенные L, C, R - параметры, а также разделы, отражающие способы построения фильтров и согласующих цепей (трансформаторов и шлейфов на основе фидерных линий и невзаимных элементов типа мостов и циркуляторов;
5) разделов курса "Теория колебаний" по физическим явлениям в многозвенных электрических фильтрах верхних и нижних частот и полосовых фильтрах, явлениям в цепях с переменными параметрами (в частности, в параметрических усилителях), а также по генерации гармонических колебаний и процессам, происходящим в релаксационных генераторах и триггерных схемах;
6) разделов курса "Атомная и ядерная физика"; содержащих описание явления сверхпроводимости, а также свойств контактов типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник и сверхпроводящих квантовых интерферометров Джозефсона (СКВИДов).

II. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

"РАДИОЭЛЕКТРОНИКА"

1. Вводная часть (2 часа).

Физические принципы усиления, генерации и преобразований радиосигналов - краткий обзор физических эффектов, на которых основана существующая элементная база радиоэлектроники, и история ее развития.

2. Аналоговые структуры (27 часов).
2.1. Усилители радиосигналов.
2.1.1. Схемы включения усилительных приборов. Каскодное включение. Классификация усилителей по частотным свойствам. Многокаскадные усилители. Условия согласования между каскадами (2 часа).
2.1.2. Усилители постоянного тока (УПТ). Особенности схемных решений УПТ. Дрейф УПТ. Способы повышения стабильности параметров УПТ. Эталон тока (Материал выносится на практические занятия - 4 часа) .
2.1.3. Однотактный многокаскадный УПТ (О,5 часа).
2.1.4. Дифференциальный усилительный каскад. Коэффициент передачи синфазной и дифференциальной компонент сигнала. Инвертирующий и неинвертирующий входы. Дрейф дифференциального каскада (1,5 часа).
2.1.5. Аналоговая интегральная схемотехника (6 часов).
2.1.5.1. Дифференциальный каскад как основа аналоговых интегральных схем (ИС).
2.1.5.2. Выходные цепи аналоговых ИС.
2.1.5.3. Интегральные операционные усилители (ОУ) и функциональные узлы на их основе.
- Упрощенная принципиальная схема ОУ.
- Обратная связь в ОУ:
инвертирующее и неинвертирующее включение ОУ; безинерционные линейные цепи на базе ОУ (повторитель напряжения, сумматор, масштабный усилитель); ОУ в инерционных линейных цепях (интегратор, дифереренциатор,фазовращатель. Фильтрующие цепи).
- Аналоговые функциональные преобразователи, процессоры сигналов.
2.1.6. Широкополосные и полосовые усилители, усилители радиочастоты (5 часов).
2.1.6.1. Особенности построения и функционирования широкополосных и полосовых усилителей на сосредоточенных элементах. Интегральные усилители с имитацией индуктивности посредством активной RC цепи-гиратора.
2.1.6.2. Усиление в СВЧ и микроволновом диапазонах. Условия синхронизма и фазировки. Транзисторный СВЧ-усилитель в линейном режиме: S-параметры транзистора, входная и выходная согласующие цепи, коэффициент передачи мощности и частотные свойства. Техника микрополосковых линий в СВЧ-усилителях. Распределенные усилители.
2.1.7. Интегральные схемы (ИС) СВЧ-диапазона. Монолитные ИС на гетеропереходных полевых транзисторах (1 час).
2.1.8. Регенеративные усилители (4 часа).
2.1.8.1. Принцип работы регенеративного усилителя. Проходные и отражательные регенеративные усилители.
2.1.8.2. Усилитель на туннельном диоде.
2.1.8.3. Параметрическое усиление сигналов. Полупроводниковые параметрические усилители. Энергетические соотношения в цепи с нелинейной (переменной) емкостью. Теорема Мэнли-Роу. Двухконтурный параметрический усилитель.
2.1.9. Малошумящие и криэлектронные устройства (1 час).
2.2. Преобразование радиосигналов (6 часов).
2.2.1. Инструментальные ИС.
- Интегральные компараторы; аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи .
- Интегральные перемножители.
Перемножение сигналов в дифференциальном каскаде. Перемножитель Гильберта. Радиотехнические преобразования на основе аналоговых перемножителей (преобразование частоты. амплитудная модуляция, удвоение частоты, фазовый демодулятор - синхронный детектор, линейный амплитудный демодулятор, квадратичный детектор).
2.2.2. Системы фазовой синхронизации. Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) в амплитудных и частотных демодуляторах. Интегральная схемотехника в системах с ФАПЧ.
3. Импульсная и цифровая техника (16 часов).
3.1. Электронный ключ и его основные свойства (материал выносится на практические занятия - 6 часов) .
3.1.1. Статический режим биполярного ключа.
3.1.2. Переходные процессы в биполярном ключе: метод заряда, задержка включения, включение и выключение ключа.
3.1.3. Быстродействующие биполярные ключи: транзистор с барьером Шоттки, переключатель тока.
3.1.4. МДП - транзисторные ключи.
Статический режим ключа с резисторной нагрузкой. Переходные процессы в этом ключе при его включении и выключении. Ключ с динамической нагрузкой. Комплементарный ключ.
3.2. Основные положения алгебры логики (1,5 часа).
Аксиомы, законы, тождества, логические функции. Логический и минимальный логический базисы. Универсальные логические элементы. Совершенные дизъюнктивная и конъюнктивная нормальные формы, Минимизация логических функций, карты Карно (в примерах).
3.3. Дешифраторы, демультиплексоры и мультиплексоры (О,5 часа).
3.4. Понятие о комбинационной схеме и цифровом автомате. Автоматы Мили и Мура. ( О,5 часа) .
3.5. Аппаратная (схемотехническая) реализация логических операций (3,5 часа).
- Дизъюнкторы.
- Конъюнкторы.
- Базовые схемы транзисторной логики. Реализация с помощью транзисторов логических операций.
- Диодно-транзисторная логика (ДТЛ).
- Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ).
Базовый элемент ТТЛ. Логические элементы с открытым коллектором. Быстродействующие ТТЛ схемы на транзисторах Шоттки (ТТЛШ - логика)
- Схемотехника на униполярных транзисторах ( МДП-логика) .
Базовый элемент МДП-логики. МДП-логика на комплементарньк транзисторах (КМДП-логика). Логика на транзисторах с барьером Шоттки.
- Схемотехника с интегральной инжекционной логикой (ИЛ).
- Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ).
- Логика на сверхпроводящих контактах.
3.6. Бистабильные ячейки, триггеры (2 часа).
Дизъюнктивная и конъюнктивная бистабильные ячейки (БЯ). Асинхронный RS -триггер. Триггеры, синхронизируемые уровнем ( RS- и D - триггеры). Триггеры. синхронизируемые перепадом: триггер с управляющей БЯ, триггер с коммутирующей БЯ. Универсальный JK-триггер. Счетный T-триггер.
3.7. Логические основы средних и больших интегральных схем (СИС и БИС) (6 часов).
а) Сумматоры и арифметические устройства. Последовательный и параллельный многоразрядные сумматоры.
б) Регистры. Регистры памяти, сдвиговые регистры.
в) Счетчики. Асинхронный (последовательный) и синхронный (параллельный) счетчики. Суммирующий и вычитающий счетчики. Наращивание разрядности счетчиков.
г) Запоминающие устройства (ЗУ). Оперативное ЗУ. Постоянное ЗУ. Перепрограммируемое пользователем ЗУ.
д) Программируемые логические матрицы (ПЛМ).
3.8. Тенденции развития интегральной схемотехники. Сверхбольшие (СВИС) и ультрабольшие (УБИС) интегральные схемы (О,5 часа).
3.9. Микропроцессоры и и микропроцессорные комплекты, однокристальные ЭВМ (общие сведения) (1,5 часа).
4. Структура и компоненты радиоприемных устройств и устройств обработки сигналов (6 часов).
4.1. Компоненты супергетеродинного приемника (1 час).
4.2. Цифровые приемники сигналов (ЦПС) (3 часа).
Сочетание аналоговой и цифровой обработки сигналов в ЦПС, варианты построения схем ЦПС.
4.3. Аналого-цифровые микропроцессорные устройства. Аналого-цифровые функциональные микропроцессоры. Цифровые процессоры сигналов (особенности архитектуры и функционирования) (2 часа).

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Занятие 1 (2 часа).

Принцип построения усилительных каскадов. Каскады с общим эмиттером (истоком), общим коллектором (стоком) и базой (затвором). Эквивалентные схемы по переменному току. Основные характеристики каскадов: коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивления, полоса пропускания.

Занятие 2 (2 часа).

Резонансный и апериодический усилители напряжения. Схемные решения, частотные и усилительные свойства.

Занятие 3 (2 часа).

Повторитель напряжения на биполярном транзисторе. Стабильность коэффициента усиления и роль отрицательной обратной связи в ее повышении. Коэффициент нестабильности и его зависимость от параметров схемы усилителя.

Занятие 4 (2 часа).

Коэффициент нестабильности каскада на биполярном транзисторе. Эталон (зеркало) тока. Однотактный многокаскадный усилитель постоянного тока.

Занятие 5 (2 часа).

Статический режим биполярного ключа. Динамические и статические характеристики транзистора на постоянном токе. Режим отсечки, режим насыщения.

Занятие 6 (2 часа).

Переходные процессы в биполярном ключе. Метод заряда. Включение ключа, формирование фронта. Выключение ключа, рассасывание неосновных носителей базы, формирование среза.

Занятие 7 (2 часа).

МДП - транзисторные ключи. Особенности статического режима ключей с активной и динамической нагрузками. Переходные процессы в МДП-ключе. Комплементарный ключ.

ЛИТЕРАТУРА ПО КУРСУ
"РАДИОЭЛЕКТРОНИКА"

Основная литература

  1. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для ВУЗов - М.: Радио и связь, 1990. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для ВУЗов / Под ред. И.П.Степаненко - М.: Радио и связь, 1982.
  2. Радиоприемные устройства. Под ред. Жуковского А.П. Учеб. пособие для ВУЗов - М.: Высшая школа, 1989.
  3. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учеб. пособие для ВУЗов - М.: Высшая школа, 1988.
  4. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для ВУЗов - М.: Радио и связь, 1985.
  5. Схемотехника линейных усилителей. Методические указания. Составитель Е.И.Шкелев. - Н.Новгород, ННГУ, 1991.
  6. Усилители с непосредственными связями. Методические указания в 2-х частях. Составитель Е.И.Шкелев. - Н.Новгород, ННГУ, 1994.

Дополнительная литература

  1. Данилин В.Н. и др. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ / В.Н.Данилин, А.И.Кушниренко, Г.В.Петров. - М.: Радио и связь, 1985.
  2. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1991.
  3. Интегральные схемы и микроэлектронные устройства на сверхпроводниках / В.Н.Алфеев, П.Л.Пахшин, А.А.Васенков и др. Под ред. В.Н.Алфеева. - М.: Радио и связь, 1985.

ОБЗОР РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМАМ КУРСА "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА"

Тема 1.

Ист. [1] - гл.9.; разделы 9.1, 9.2, 9.3, 9.6, 9.7.
Ист. [2] - гл.3.; разделы 3.2 - 3.5.
- гл.4.; разделы 4.1 - 4.3.
- гл.6.; разделы 6.1 - 6.3.
Ист. [3] - гл.12.; разделы 12.2, 12.3.
Ист. [4] - гл.3.; разделы 3.1 - 3.3, 3.5.
- гл.5.; разделы 5.5 - 5.8, 5.13, 5.17.
- гл.9.; раздел 9.5.
- гл.10.; разделы 10.1 - 10.9.
- гл.12.; разделы 12.1, 12.2, 12.5, 12.8.
Ист. [5,6] - разработаны специально для поддержки курса.

Тема 2.

Ист. [1] - гл.1.; разделы 1.1, 1.3, 1.5.
- гл.2.; разделы 2.1 - 2.6.
- гл.3.; разделы 3.2 - 3.4, 3.6.
- гл.4.; разделы 4.3 - 4.6.
- гл.5.; разделы 5.2, 5.3, 5.6.
- гл.6.; разделы 6.1 - 6.5.
- гл.8.; раздел 8.1.

Темы курса фрагментарно отражены в дополнительных литературных источниках

Ист. [7] - гл.4.; раздел 4.3 - раздел курса 2.1.7.
Ист. [8] - гл.11.; разделы 11.1 - 11.5 - раздел курса Введение
Ист. [9] - гл.1.; раздел 1.6 - раздел курса Введение

Авторы

Зав. кафедрой радиотехники, профессор А.Г.Кисляков
Председатель методкомиссии, профессор В.Г.Гавриленко