В.П. Литвиненко электронные устройства: расчет, моделирование, эксперимент Учебное пособие

Воронеж 2010

ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

В.П. Литвиненко

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА: РАСЧЕТ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2010

УДК 621.4.013

Литвиненко В.П.. Электронные устройства: расчет, моделирование, эксперимент: учеб. пособие / В.П. Литвиненко. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. 189с.

Учебное пособие предназначено для использования студентами при изучении электроники, выполнении исследовательской части курсовой работы и в процессе самостоятельной работы с простыми электронными устройствами. Рассматриваются простые электрические расчеты электронных устройств, их схемотехническое моделирование и даются рекомендации по экспериментальному исследованию.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям 200400 «Биомедицинская техника», и 230100 «Информатика и вычислительная техника», специальностям 200401 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», 230104 «Системы автоматизированного проектирования», дисциплинам «Общая электротехника» и «Электротехника и электроника». Предназначено для студентов очной формы обучения.

Табл. 10. Ил. 195. Библиогр.: 9 назв.

Научный редактор канд. техн. наук, доц. Б.В. Матвеев

Рецензенты: кафедра №61 Военного авиационного

инженерного университета (нач. кафедры

канд. техн. наук, доц. А.А. Болкунов);

канд. техн. наук, Е.В. Кравцов

 Литвиненко В.П. 2010

 Оформление. ГОУВПО «Воронежский

государственный технический университет»,

2010

Введение

Инженерная подготовка в области электротехники и электроники предполагает не только изучение учебного материала рабочей программы, но и самостоятельную работу по изучению и проектированию сравнительно простых электронных устройств.

При этом необходимо освоить расчет параметров элементов устройства, провести его схемотехническое моделирование и по результатам исследований скорректировать результаты расчета.

Без элементарных навыков экспериментальной работы с электронными устройствами и измерительными приборами инженер состояться не может, а приобретаются они в основном в ходе самостоятельной работы.

3

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ

УСТРОЙСТВ

1.1. Подходы к проектированию

Электронные устройства проектируются в соответствии с техническим заданием (ТЗ), которое выдается заказчиком или формулируется самим разработчиком. Оно содержит требуемые технические характеристики и параметры устройства, целевые указания (обеспечение максимальной линейности усилителя, минимальных габаритов или веса), климатические, экономические и другие требования.

Проектирование сравнительно простых устройств начинается с анализа известных технических решений по литературе (учебникам [1, 2, 5-7], монографиям [3,4], статьям в технических журналах) и патентной документации. Целесообразно пользоваться консультациями коллег. В результате выбирается один или несколько вариантов принципиальной схемы проектируемого устройства

Затем необходимо провести расчет параметров и характеристик, моделирование (имитационное, схемотехническое) и экспериментальное исследование (макетирование) устройства.

1.2. Выбор элементной базы

Современная электронная промышленность производит большой ассортимент разнообразных элементов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов, интегральных схем и т. д.), на основе которых можно реализовать проектируемое устройство. Различные производители выпускают однотипные элементы с близкими техническими характеристиками, отличающиеся, например, типом корпуса, габаритами, рабочим температурным диапазоном или стоимостью.

4

Выбор элементов является неоднозначной задачей и проводится по различным техническим, конструктивным и экономическим критериям, в том числе и с учетом доступности приобретения.

1.3. Расчет электронных устройств

Расчет электронного устройства заключается в определении параметров элементов и технических характеристик. Для выбранной схемы устройства в литературе необходимо найти методику расчета и с ее помощью провести необходимые вычисления.

Если необходимые сведения по расчету отсутствуют, то простую методику оценки параметров элементов устройства необходимо разработать самостоятельно на основе общеизвестных соображений (например, по выбору рабочей точки транзистора) и законов Ома и Кирхгофа.

Аналитические расчеты сложных моделей устройства для получения выражений для требуемых характеристик (например, частотных) можно заменить схемотехническим моделированием [9]. Соответствующие формулы необходимы для решения задач оптимизации, однако и в этом случае можно воспользоваться численными методами поиска экстремума с использованием математических пакетов программ [8] или самостоятельно написанной программы на языке высокого уровня.

1.4. Моделирование

При проектировании электронных устройств используются различные методы математического моделирования (имитационное, схемотехническое, статистическое и др.) с использованием готовых программных продуктов или самостоятельно разработанных программ в системе объектно-ориентированного программирования (C-builder,Delphiи др.).

5

Для построения имитационной модели необходимо использовать модели (известные или предложенные самостоятельно) отдельных элементов или целых узлов электронного устройства и записать необходимые соотношения между их токами и напряжениями. Например, если рассматриваются два каскадно соединенных усилителя (рис. 1.1), то для каждого из них необходимо выбрать выражение для передаточной характеристики, например,, и записать.

Рис. 1.1

В качестве функцийможно выбрать полином, например,и даже линейную зависимость(идеальный линейный усилитель).

В простых случаях подобные модели анализируются аналитически и искомые параметры и характеристики получаются в виде формул, по которым можно проводить оптимизацию устройства. Для сложных моделей необходимо использовать численные методы расчета и оптимизации, и писать соответствующие программы.

Эффективным средством программирования в этом случае является пакет MathCAD.

Схемотехническое моделирование предполагает использование в качестве модели эквивалентной схемы устройства, которая вводится в компьютер в графическом виде. Для него широко используются пакеты программ MicroCAP [9], WorkBench, OrCADи другие. С их помощью проводится расчет устройства по постоянному и переменному току, определяются частотные и другие характеристики. Можно провести синтез частотно-селективных устройств (фильтров).

6

Схемотехническое моделирование позволяет быстро изменять схему и параметры устройства, добиваясь наилучших характеристик. Для поиска оптимальных параметров устройства удобно пользоваться пошаговым режимом (Stepping).

Статистическое моделирование используется при изучении случайных процессов (например, шумов) и их воздействия на электронные устройства. Оно может проводиться в пакетах MathCAD и MicroCAP.

1.5. Экспериментальные работы

Экспериментальные работы при изучении электронных устройств предполагают изготовление их действующих макетов. Для этого необходимо приобрести элементы устройства и смонтировать их на макетной плате («макетнице») или печатной плате.

Покупаемая макетница представляет собой печатную плату с металлизированными отверстиями без взаимных соединений, в которые вставляются и припаиваются элементы макетируемого устройства. Монтаж устройства осуществляется отрезками изолированных проводников, которые припаиваются к установленным элементам. Пример цепи показан на рис. 1.2а, а на рис. 1.2б – ее макет.

Рис. 1.2

Печатная плата изготавливается самостоятельно. Рисунок соединений наносится специальной краской на фольгиро-

7

ванный текстолит на стороне, противоположной той, на которой установлены детали. Плата помещается в раствор хлорного железа и незащищенная краской медь вытравливается (хлорное железо очень сильно пачкается). Затем плата вынимается и промывается водой, а краска снимается растворителем. В результате на текстолите появляется рисунок необходимых соединений из медной фольги. В нужных местах сверлятся отверстия, в которые вставляются и припаиваются элементы цепи.

К входу и выходу макета припаиваются проводники с зажимами типа «крокодил», с помощью которых макет соединяется с измерительными приборами и генератором входного воздействия.

Измерения сигналов проводится аналогично исследованиям в лабораторных работах.

8