Приложение 1 к приказу № 19 осн
от 21 февраля 2013 г.
1. Основы полупроводниковой электроники и теории колебаний
2. Лекторы.
2.1. д.ф.м.н., профессор, Корнев Виктор Константинович, кафедра атомной физики,
физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ, e-mail:
kornev@phys.msu.ru, 495-939-4351.
3. Аннотация дисциплины.
Курс посвящен изучению физических основ работы полупроводниковых элементов (диодов,
тиристоров, транзисторов) и базовых схем на их основе, основ построения современных
аналоговых и цифровых электронных цепей, а также изучению ключевых разделов теории
колебаний, необходимых для рассмотрения физических основ работы современных
электронных устройств и разработки новых радиофизических систем, в том числе, на основе
сверхпроводников.
4. Цели освоения дисциплины.
Овладение современными профессиональными знаниями в области физики, математики,
современных информационных технологий, компьютерных сетей, программных продуктов и
ресурсов интернета и использование их для решения задач профессиональной деятельности.
5. Задачи дисциплины.
Изучение физических основ работы полупроводниковых элементов и основных базовых
устройств полупроводниковой электроники, включая устройства преобразования аналогового
сигнала в цифровой и обратно, источников флуктуаций, шумовых характеристик устройств, а
также изучение основных свойств колебательных систем с двумя степенями свободы,
колебательные систем с нелинейными реактивными элементами и основных явлений в них,
включая синхронизацию, динамический хаос, параметрическое усиление и генерацию.
6. Компетенции.
7.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины.
ПК-1; ПК-2; ПК-5; ПК-6; ОНК-5
7.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины.
ПК-2
7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
(i) знать физические основы работы полупроводниковых элементов, а также основные
базовые схемы и их назначение, включая операционные усилители и активные фильтры;
знать основы теории колебаний нелинейных систем и систем с двумя степенями свободы;
(ii) иметь представление об основных типах логических элементов и устройствах
преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно, основных типах шумов, их
источниках, шумовых характеристиках электронных устройств;
(iii) иметь представление об автоколебательных системах (генераторах) основных типов,
явлениях синхронизации, хаоса, параметрического усиления и возбуждения.
8. Содержание и структура дисциплины.
Вид работы
Общая трудоёмкость, акад. часов
Аудиторная работа:
Лекции, акад. часов
Семинары, акад. часов
Лабораторные работы, акад. часов
Самостоятельная работа, акад. часов
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен)
1
72
30
30
…
…
42
зачет
Семестр
2
…
…
…
…
…
…
…
3
…
…
…
…
…
…
…
Всего
72
30
30
…
…
42
…
Стр. 1 из 7
N
раздела
Наименование
раздела
Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий
Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7)
Лекции
1
2
Диоды, тиристоры,
биполярные и
полевые
транзисторы
Основные базовые
схемы на
биполярных и
полевых
транзисторах
2 часа.
Чистые и легированные полупроводники.
Зонная теория полупроводниковых устройств
(диодов, транзисторов). Диоды,
стабилитроны, тиристоры. Характеристики
этих устройств и физические процессы,
лежащие в основе этих характеристик.
2 часа.
Биполярные транзисторы. Эквивалентная
схема, основные характеристики.
Полевые транзисторы. Типы полевых
транзисторов, их условные обозначении и
основные характеристики.
4 часа.
Эмиттерный и истоковый повторители.
Усилитель с общим эмиттером (истоком).
Двухтактный усилитель. Преобразователь
напряжение – ток (источник тока). Токовое
зеркало. Стабилизатор напряжения.
Включение транзисторов по схеме
Дарлингтона и Шеклаи. Емкость и эффект
Миллера. Дифференциальный усилитель.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
(КОСС).
2 часа.
Аналоговый ключ. Полевой транзистор как
переменное сопротивление, линеаризация
сопротивления. Пример использования в
усилительном каскаде. Системы с обратной
связью. Типы обратной связи. Условия
устойчивости. Автоколебательные системы.
2 часа.
Операционный усилитель (ОУ).
Характеристики идеального и реального ОУ.
Основные схемы включения. Суммирующий
усилитель. Усилитель переменного тока.
Повторитель. Интегратор и дифференциатор.
Источник тока на операционном усилителе,
ограничитель. Компаратор. Триггер Шмитта.
Генератор с цепочкой Вина. Схема
стабилизации амплитуды. Аналоговый способ
Аудиторная работа
Семинары
Самостоятельная работа
Форма
текущего
контроля
Лабораторные работы
4 часа.
Проработка лекционного материала
по зонной теории полупроводников,
теории формирования р-n переходов
различного типа, а также на их
основе диодов, тиристоров и
транзисторов.
2 часа.
Проработка лекционного материала
по биполярным и полевым
транзисторам.
Оп
Об
4 часа.
Проработка лекционного материала
по основным базовым схемам на
биполярных и полевых транзисторах.
Вывод формул для коэффициента
усиления, входного и выходного
импедансов.
2 часа.
Проработка лекционного материала
по основным базовым схемам на
полевых транзисторах и
автоколебательным системам..
Оп
Об
РК
4 часа.
Проработка лекционного материала
по основным базовым схемам на
операционных усилителях.
Упражнения на составление
аналоговых схем моделирования
дифференциальных уравнений.
Стр. 2 из 7
3
4
5
Шумы, типы шумов
и их источники,
шумовые
характеристики
устройств
Цифровые базовые
схемы на
биполярных и
полевых
транзисторах
Основы теории
колебании в
линейных и
нелинейных
системах.
решения дифференциальных уравнений.
Частотная коррекция ОУ.
2 часа
…
Фильтры, их типы и основные
характеристики. Пассивные фильтры.
Цепочки линейных четырехполюсников.
Фильтры низкой и высокой частоты,
полосовой фильтр. Активные фильтры.
Фильтр Салена и Ки, фильтры Баттерворта,
Чебышева, Бесселя. Гиратор.
Преобразователь отрицательного полного
сопротивления.
2 часа.
…
Шумы. Типы шумов, наводки. Формула
Найквиста. Метод Ланжевена. Отношение
сигнал / шум, коэффициент шума. Идеальный
фильтр. Приемы уменьшения помех и
наводок.
2 часа.
Модель усилительного каскада на
биполярном и полевом транзисторах с
шумами. Шумовое сопротивление.
Сопоставление шумовых характеристик
биполярного и полевого транзисторов.
2 часа.
Коды: двоичный, двоично-десятичный,
дополнительный, код Грея. Цифровые схемы:
ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП. Их сравнительные
характеристики (логические уровни,
энерговыделение, быстродействие).
2 часа.
Базовые элементы. Схемы с памятью: RS, JK,
D – триггеры. Устройство ЦАП и АЦП, их
типы и основные характеристики.
2 часа.
Нелинейный колебательный контур.
Резонансные кривые. Линейные системы с
двумя степенями свободы (два связанных
контура). Собственные и парциальные
частоты. Связь и связанность. График Вина.
Резонансные кривые.
2 часа.
Проработка лекционного материала
по пассивным и активным фильтрам
и их характеристикам.
4 часа.
Проработка лекционного материала
по шумам, характеристикам шумов и
и шумовым характеристикам
электронных устройств.
2 часа.
Проработка лекционного материала
по шумовым характеристикам
биполярного и полевого транзистора,
операционного усилителя.
2 часа.
Проработка лекционного материала
по цифровым кодам и базовым
логическим элементам.
2 часа.
Проработка лекционного материала
по базовым логическим элементам,
АЦП и ЦАП.
2 часа.
Проработка лекционного материала
по нелинейным колебательным
системам и линейным системам с
двумя степенями свободы.
Оп
Об
Оп
Об
Оп
Об
РК
Стр. 3 из 7
2 часа.
Автоколебательные системы томсоновского
типа с одним добротным контуром и двумя
связанными контурами. Мягкое и жесткое
возбуждение. Явление затягивания частоты.
Синхронизация автоколебаний внешним
гармоническим сигналом. Взаимная
синхронизация двух автогенераторов. Хаос в
динамических системах, связь с числом
степеней свободы.
4 часа.
Параметрические системы. Линейная система
с переменными параметрами. Уравнения
Хилла и Матье. Области параметрического
возбуждения. Влияние нелинейности
реактивного параметра. Мягкий и жесткий
режимы возбуждения колебаний.
Энергетические соотношения Мэнли и Роу и
примеры их применения. Теорема
Котельникова
4 часа.
Проработка лекционного материала
по автоколебательным системам,
явлению синхронизации и
динамическому хаосу.
6 часов.
Проработка лекционного материала
по параметрическим системам.
Упражнения на применение
соотношений Мэнли и Роу, теоремы
Котельникова.
Семинары и лабораторные работы указываются только при их наличии в учебном плане (приложение 6). Остальные позиции заполняются в обязательном порядке.
Предусмотрены следующие формы текущего контроля успеваемости.
1. Защита лабораторной работы (ЛР);
2. Расчетно-графическое задание (РГЗ);
3. Домашнее задание (ДЗ);
4. Реферат (Р);
5. Эссе (Э);
6. Коллоквиум (К);
7. Рубежный контроль (РК);
8. Тестирование (Т);
9. Проект (П);
10. Контрольная работа (КР);
11. Деловая игра (ДИ);
12. Опрос (Оп);
15. Рейтинговая система (РС);
16. Обсуждение (Об).
Стр. 4 из 7
9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
1. Спецкурс кафедры (по выбору) В-ПД
2. Вариативная часть
3. Курс использует знания, полученные при изучении общих физико-математических
курсов, читаемых на физическом факультете (в том числе, математический анализ,
оптика, атомная физика, электродинамика)
3.1. математический анализ, дифференциальные уравнения, электромагнетизм,
электродинамика, введение в квантовую физику.
3.2. Научно-исследовательская практика, курсовая работа, дисциплины «Физика и динамика
джозефсоновских переходов», «Основы сверхпроводниковой электроники»,
«Введение в одноэлектронику».
10. Образовательные технологии
Указать образовательные технологии, используемые при реализации различных видов
учебной работы и дающие наиболее эффективные результаты освоения дисциплины.
дискуссии
использование средств дистанционного сопровождения учебного процесса
11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации
Список вопросов для контроля успеваемости и сдачи зачета:
Чистые и легированные полупроводники. Зонная теория полупроводниковых устройств
(диодов, транзисторов).
Диоды, стабилитроны, тиристоры. Характеристики этих устройств и физические
процессы, лежащие в основе этих характеристик.
Биполярные транзисторы. Эквивалентная схема, основные характеристики.
Полевые транзисторы. Типы полевых транзисторов, их условные обозначении и
основные характеристики.
Эмиттерный и истоковый повторители, их входной и выходной импедансы. Усилитель
с общим эмиттером (истоком), коэффициент усиления. Двухтактный усилитель.
Преобразователь напряжение – ток (источник тока). Токовое зеркало. Стабилизатор
напряжения.
Включение транзисторов по схеме Дарлингтона и Шеклаи. Емкость и эффект Миллера.
Дифференциальный усилитель. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).
Аналоговый ключ. Полевой транзистор как переменное сопротивление, линеаризация
сопротивления. Пример использования в усилительном каскаде.
Системы с обратной связью. Типы обратной связи. Условия устойчивости.
Автоколебательные системы.
Операционный усилитель (ОУ). Характеристики идеального и реального ОУ. Основные
схемы включения. Суммирующий усилитель. Усилитель переменного тока. Повторитель.
Интегратор и дифференциатор.
Источник тока на операционном усилителе, ограничитель. Компаратор. Триггер
Шмитта.
Генератор с цепочкой Вина. Схема стабилизации амплитуды. Аналоговый способ
решения дифференциальных уравнений. Частотная коррекция ОУ.
Фильтры, их типы и основные характеристики. Пассивные фильтры. Цепочки линейных
четырехполюсников. Фильтры низкой и высокой частоты, полосовой фильтр. Активные
Стр. 5 из 7
фильтры. Фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя. Гиратор. Преобразователь
отрицательного полного сопротивления.
Коды: двоичный, двоично-десятичный, дополнительный, код Грея. Цифровые схемы:
ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП. Их сравнительные характеристики (логические уровни,
энерговыделение, быстродействие). Базовые элементы. Схемы с памятью: RS, JK, D –
триггеры.
Устройство ЦАП и АЦП, их типы и основные характеристики.
Шумы. Типы шумов, наводки. Отношение сигнал / шум, коэффициент шума, шумовая
температура. Модель усилительного каскада на биполярном и полевом транзисторах с
шумами.
Сопоставление шумовых характеристик биполярного и полевого транзисторов.
Шумовое сопротивление. Приемы уменьшения помех и наводок.
Нелинейный колебательный контур. Резонансные кривые.
Линейные системы с двумя степенями свободы (два связанных контура). Собственные
и парциальные частоты. Связь и связанность. График Вина. Резонансные кривые.
Автоколебательные системы томсоновского типа с одним добротным контуром и двумя
связанными контурами. Мягкое и жесткое возбуждение. Явление затягивания частоты.
Синхронизация автоколебаний внешним гармоническим сигналом. Взаимная
синхронизация двух автогенераторов.
Хаос в динамических системах. Связь с числом степеней свободы.
Параметрические систекмы. Линейная система с переменными параметрами.
Уравнения Хилла и Матье. Области параметрического возбуждения.
Влияние нелинейности реактивного параметра. Мягкий и жесткий режимы
возбуждения параметрических колебаний.
Энергетические соотношения Мэнли и Роу, примеры их применения. Теорема
Котельникова, примеры ее применения.
12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1. П. Хорвиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. В трех томах, пер.с англ., М., Мир, 1993.
2. И.П. Степаненко. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М., Энергия,
1973.
3. В.И. Медведев, В.В. Мигулин, Е.Р. Мустель, В.Н. Парыгин. Основы теории колебаний.
М., Наука, 1978.
4. Е.И. Минаев. Основы радиоэлектроники. М., Радио и связь, 1985.
Дополнительная литература
1. Ю.И. Неймарк, П.С. Ланда. Стохастические и хаотические колебания. М., Наука, 1987.
Периодическая литература
2. V. K. Kornev and V. K. Semenov, “Chaotic and stochastic phenomena in superconducting
quantum interferometers”, IEEE Trans. Magn., v. MAG-19, May 1983, p. 633-636.
3. В. К. Корнев, К. К. Лихарев, «Хаос в сверхпроводящем квантовом интерферометре»,
Радиотехника и электроника, т. 30, вып. 10, 1985, с. 1999-2003.
4. В.К. Корнев, П. Сундриял, «Хаос в двухконтактнх сверхпроводящих квантовых
интерферометрах», Радиотехника и Электроника, т. 31, вып. 5, 1986, с. 1003-1009
Интернет-ресурсы
1. www.affp.mics.msu.su
Стр. 6 из 7
13. Материально-техническое обеспечение
В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению
подготовки «Физика».
Указать номер аудитории для занятий, наличие проекционного оборудования,
компьютеров, ноутбуков, интерактивных досок и т.п.
Физический факультет МГУ, к. 5-12, компьютер, проектор
Стр. 7 из 7
