Моделирование электронных систем источник-приёмник (150,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н. Г. Чернышевского В. Б. Венславский МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ИСТОЧНИК-ПРИЁМНИК Чита ЗабГГПУ 2012

Стр.2

ББК Ч 486.88 УДК 53 В 295 Печатается по решению Учёного совета Забайкальского государственного гуманитарно-педагогического университета им. Н. Г. Чернышевского Ответственный за выпуск: С. Е. Старостина, доктор пед. наук, доцент, проректор по учебной работе ЗабГГПУ Рецензенты: Ю. Л. Хотунцев, доктор физико-математических наук, профессор, МПГУ; Н. П. Степанов, доктор физико-математических наук, ЗабГУ В 295 Венславский, В. Б. Моделирование электронных систем источник-приёмник: монография / В. Б. Венславский ; Забайкал. гос. гум.-пед. ун-т. – Чита, 2012. – 139 с. ISBN 978–5–85158–874–7 Монография посвящена развитию теории моделирования электронных элементов и целостных систем источник-приёмник. В работе рассматриваются проблемы математического моделирования электронных систем в графической форме, используется классический термин внешняя характеристика нагруженного источника и раскрывается объём этого понятия. Понятие «линия нагрузки» в работе определено как внешняя характеристика нагруженного эквивалентного источника. В монографии исследована процедура построения математических моделей электронных систем графическими методами опрокинутой характеристики и эквивалентного источника, рассмотрены прикладные вопросы моделирования электронных цепей. Областью применения результатов исследования являются теоретические основы электротехники и схемотехника электронных устройств. Книга адресована преподавателям, аспирантам и студентам, специализирующимся в области моделирования электронных систем, радиофизики и преподавания основ теории цепей и схемотехники. ББК Ч 486.88 УДК 53 ISBN 978–5–85158–874–7 © ЗабГГПУ, 2012

Стр.3

Оглавление Введение .............................................................. 5 Глава 1. Моделирование элементов электрической цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1. Моделирование электронных элементов цепей .......................... 14 1.2. Моделирование резистивных элементов в графической форме ............. 20 1.3. Моделирование источников электрической энергии ...................... 22 1.4. Моделирование вольтметров и амперметров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Основные выводы к главе 1 .............................................. 30 Глава 2. Моделирование электронных систем источник-приёмник. . . . . . . . . . 31 2.1. Моделирование электронных систем в аналитической форме .............. 32 2.2. Моделирование электронных систем в графической форме ............... 36 2.2.1. Моделирование систем методом опрокинутой характеристики ........... 37 2.2.2. Моделирование цепи на основе идеального источника напряжения ........... 39 2.2.3. Моделирование цепи на основе идеального источника тока. . . . . .......... 41 2.2.4. Моделирование цепи на основе моделей Ома. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3. Построение внешней характеристики нагруженного источника . . . . . . . . . . . . 44 2.4. Выбор модели источника электрической энергии ........................ 46 Основные выводы к главе 2 .............................................. 47 Глава 3. Моделирование электронных систем методом эквивалентного источника 49 3.1. Моделирование системы «источник напряжения и эквивалентная нагрузка» 50 3.2. Моделирование системы «эквивалентный источник напряжения и рабочий элемент цепи» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3. Моделирование линейных четырёхполюсников .......................... 54 3.4. Моделирование системы «эквивалентный источник тока и рабочий элемент цепи» 56 3.5. Моделирование системы «эквивалентный источник напряжения и активная нагрузка в режиме преобразователя» ...................................... 60 3.6. Моделирование системы «эквивалентный источник и активная нагрузка в режиме регенерации» ................................................. 63 Основные выводы к главе 3 .............................................. 65 3

Стр.4

Глава. 4. Система понятий и терминов теории моделирования электронных систем 66 4.1. Основные понятия и термины теории моделирования цепей .............. 67 4.2. Анализ статей ГОСТ Р 52002–2003 Электротехника ..................... 70 4.2.1. Понятия и термины: электрический ток и напряжение .................. 70 4.2.2. Понятие и термин «вольт-амперная характеристика» ................... 74 4.3.4. Объём понятия «источник электрической энергии». ................... 78 4.2.5. Объём понятия «электродвижущая сила». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.3. Спираль фундирования системы понятий моделирования систем. . . . . . . . . . . 84 4.4. Герменевтический анализ текстов учебной литературы ................... 88 4.5. Тезаурус теории электронных элементов и систем ....................... 98 Основные выводы к главе 4 ............................................. 101 Глава 5. Моделирование цепей смещения электронных устройств ......... 103 5.1. Модель цепи смещения светодиода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2. Модель цепи смещения выпрямительного диода ....................... 106 5.3. Моделирование цепей стабилизатора напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.3.1. Моделирование цепи смещения стабилитрона ....................... 110 5.3.2. Моделирование цепи смещения стабистора .......................... 112 5.4. Моделирование транзисторного усилителя ............................ 113 5.4.1. Моделирование цепей биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером ................................................... 113 5.4.2. Моделирование усилителя на биполярном транзисторе, включённом по схеме с общим эмиттером. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.5. Моделирование цифровых логических элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.6. Моделирование цепи смещения СВЧ-генератора на диоде Ганна . . . . . . . . . . 126 Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Глоссарий ........................................................... 131 Список литературы .................................................. 133 Список принятых сокращений ........................................ 138 4

Стр.5

Введение Очень трудно взглянуть на мир по-новому, не глазами модного учения. Георг Кристоф Лихтенберг Процесс развития науки «Электроника» объединяет большое количество областей знания (далее под этим термином – «Электричество», «Электротехника», «Промышленная электроника», «Схемотехника», «Физическая электроника» и др.) и существенно влияет на появление технологий создания материального и интеллектуального продукта. Создание искусственных источников электрической энергии и различных электронных элементов и устройств востребовано потребностями человека. Революционный прорыв в области электричества происходит в начале XIX в. с изобретения Алессандро Вольта гальванического источника электрической энергии – «Электрического органа» (авторское название «Вольтова столба»), пионерских открытий и работ В. В. Петрова, Х. К. Эрстеда, И. С. Х. Швейггера, А. М. Ампера, Т. И. Зеебека. В 1826 г. Георг Симон Ом экспериментально установил взаимосвязь между силой тока и напряжением и впервые предложил математическую модель отрезка медной проволоки, а позднее и модель источника электрической энергии (компонентный закон Ома), нашёл эмпирическое решение задачи оценки режима в цепи источник-приёмник. Изобретение Джозефом Генри реле (1831 г.), создание Павлом Львовичем Шиллингом первого электромагнитного телеграфа (1832 г.) и применение Сэмюэлом Морзе реле в качестве коммутационного устройства в телеграфном «Аппарате Морзе» (1836 г.) открывают перспективы передачи информации и способствуют развитию элементной базы и теории моделирования электронных элементов и систем источник-приёмник. В работах Густава Роберта Кирхгофа в середине 40-х гг. впервые разработана методика построения математической модели электронной системы, сформулированы системные топологические законы – «цепные» законы Кирхгофа. Открытие законов Кирхгофа и методики построения математических моделей различных цепей позволили осуществлять проектирование различных электронных систем – электротехнических 5

Стр.6

устройств и устройств техники связи. Развитие науки в области электроники в начале XX в. позволило разработать и внедрить релейную и вакуумную технику, сделать первые шаги и найти подходы к технологиям использования полупроводников. Эти достижения в области электроники позволили в конце 30-х гг. XX в. реализовать идеи построения вычислительных машин: Конрадом Цузе созданы первые релейные машины; Джоном Атанасовым и Клиффордом Берре разработана действующая модель ламповой ЭВМ «ABC» (Atanasoff Berre Computer), ставшей прототипом первой ЭВМ «ENIAC». Создание ЭВМ дало старт взаимосвязанному развитию информационных технологий и вычислительной техники. Второе поколение ЭВМ связано с переходом в начале 50-х гг. XX в. от реле и вакуумных ламп к транзисторам. Самое революционное техническое открытие XX в. – изобретение транзистора. Изобретению транзистора предшествовали открытия свойств контактов металлов с некоторыми кристаллами [21]: 1) обнаружение односторонней проводимости и нелинейной взаимосвязи силы тока и напряжения – несоответствие закону Ома (Ф. Браун, 1874 г.); 2) использование кристаллического детектора в качестве демодулятора высокочастотных колебаний (Г. Пикард, 1906 г.); 3) обнаружение падающего участка ВАХ детектора (У. Икклз, 1910 г.); 4) применение генерирующего детектора с падающим участком ВАХ на контакте металла и цинкита (ZnO) в схеме «Кристадина», обнаружение усиления сигнала (О. В. Лосев, 1922–24 г.); радиолюбительские конструкции приёмников и передатчиков на кристаллических детекторах с падающей характеристикой; 5) сообщение о свечении карборунда (SiC) при пропускании электрического тока (Г. Роунд, 1907 г.); независимое открытие свечения контакта металла с карборундом (О. В. Лосев, 1923 г.) и исследование электролюминисценции при различных смещениях, оценка размера поверхностного активного слоя – 10 мкм (О. В. Лосев, 1930–31 гг.); 6) обнаружение ёмкостного фотоэффекта в полупроводниках (О. В. Лосев, 1927–28 г.); 6

Стр.7