Document 467508

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
___________________
Руководитель ООП
по направлению 210100
декан ЭФ проф. В.А. Шпенст
_______________________
Зав.кафедрой ЭС
проф. В.А. Шпенст
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«Математическое
моделирование элементов
электронной техники»
Направление подготовки бакалавра
210100–электроника и наноэлектроника
Профиль промышленная электроника
Квалификация выпускника: бакалавр
Форма обучения:очная
Составители:
профессор каф. ЭС О.П. Германович
доцент каф. ЭС И.И. Растворова
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины
Целью дисциплины «Математическое моделирование элементов
электронной техники» является ознакомление с математическим
моделированием как с современной технологией научного исследования.
Задачи изучения дисциплины: ознакомление с математическим
моделированием как с современной технологией научного исследования,
используемой для прогноза развития реальных процессов, а также
прогноза и оптимизации свойств изучаемого объекта; ознакомление с
основными этапами математического
моделирования
элементов
электронной техники и принципами, лежащими в основе построения
математических моделей электронных схем.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина
«Математическое
моделирование
элементов
электронной техники» относится к циклу дисциплин по выбору студента
профессионального цикла Б.3 основной образовательной программы
подготовки специалистов 210100 «Электроника и наноэлектроника».
Содержание
дисциплины
тесно
связано
со
знаниями,
приобретенными в ходе изучения предшествующих дисциплин: «САПР
ЭУ», «Информатика» и «Математика». В свою очередь, данная
дисциплина является базовой для дисциплины учебного плана:
«Отладочные средства микропроцессорных систем», выпускной
квалификационной работы.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование
следующих компетенций:
ОК-10.
Способность
использовать
основные
законы
естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности,
применять методы математического анализа и моделирования,
теоретического и экспериментального исследования;
ПК-3. Готовность учитывать современные тенденции развития
электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных
технологий в своей профессиональной деятельности;
ПК-10. Готовность выполнять расчет и проектирование
электронных приборов, схем и устройств различного функционального
назначения в соответствии с техническим заданием с использованием
средств автоматизации проектирования;
2
В результате изучения дисциплины студент должен овладеть основами
знаний по дисциплине, формируемыми на нескольких уровнях:
Знать:

принципы, лежащие в основе построения математических
моделей электронных схем;

о современных методах математического моделирования;

этапы математического
моделирования
элементов
электронной техники.

принципы и правила, на которые опирается технология
математическое моделирования.
Уметь: использовать полученные навыки в построении
математического описание процессов и явлений, протекающих в
электронных схемах.
Владеть: - информацией о новейших разработках
в области
математического моделирования.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость учебной дисциплины составляет 5 зачётных единиц.
Вид учебной работы
Всего часов
Семестры
7
180
Всего
180
Аудиторные занятия: в том числе
Лекции
Практические занятия (ПЗ), в том числе в
интерактивной форме:
Самостоятельная работа: в том числе
Подготовка к лекциям, практическим
занятиям
Работа с литературой
Вид промежуточной аттестации (экзамен)
Общая трудоёмкость
час.
зач. ед.
51
17
34
51
17
34
93
26
93
26
59
Экзамен
180
5
59
Экзамен
180
5
3
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
Наименование раздела
п/п
дисциплины
1
2
1 ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ЕЕ
ПОСТРОЕНИЯ
2
ПАССИВНЫЕ И
АКТИВНЫЕ
КОМПОНЕНТЫ
ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ.
СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ
Содержание раздела
3
Роль и место моделирования процессов и
объектов в познании окружающего мира.
Математическая
модель
как
средство
абстрактного описания процессов и явлений.
Технология математического моделирования и
ее основные этапы. Построение модели и
составление ее математического описания.
Идентификация и верификация модели,
корректировка модели в процессе ее
эксплуатации. Роль опыта, знаний и интуиции
в построении модели исследуемого процесса,
явления или объекта. Физическая модель
реального
объекта.
Предпосылки,
обеспечивающие возможность построения
физической модели объекта. Электронные
цепи: основные понятия, определения и
закономерности.
Этапы
построения
физической
модели
процесса, объекта.
Формулировка исходных предпосылок и
подходов: причинность, детерминированность,
стационарность,
линейность.
Открытые
системы. Каналы связи. Декомпозиция
объекта. Компоненты и его свойства.
Декомпозиция
свойств
компонента.
Элементарные
свойства
и
идеальный
компонент. Параметр как количественная
характеристика
элементарного
свойства.
Параметр и его зависимость от внешних
факторов и конструктивно-технологических
особенностей компонента.
Пассивные
и
активные
компоненты
электронных схем. Пассивный компонент.
Схема замещения. Активные компоненты
электронных схем. Полупроводниковый диод.
Схема замещения полупроводникового диода в
режиме малого сигнала. Выпрямительный
диод.
Вольт-амперная
характеристика
выпрямительного диода и ее аппроксимация.
4
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
3
МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЕ
СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ.
МАКРОМОДЕЛИ
4
ПОСТРОЕНИЕ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО
ОПИСАНИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
Содержание раздела
Схема замещения выпрямительного диода.
Диод – стабилизатор напряжения. Вольтамперная характеристика полупроводникового
стабилизатора напряжения. Туннельный диод,
вольт-амперная характеристика туннельного
диода и ее аппроксимация. Схема замещения
туннельного диода. Биполярный транзистор.
Нелинейные схемы замещения. Модель Эберса
–Молла. Схема замещения биополярного
транзистора Эберса –Молла. Схема замещения
биополярного
транзистора
Логана.
Сопоставительный анализ нелинейных схем
замещения биополярного транзистора. Схема
замещения биополярного транзистора в
режиме малого сигнала. Методы определения
параметров схем замещения биополярного
транзистора. Полевой транзистор. Вольтамперная
характеристика
полевого
транзистора. Нелинейная схема замещения
полевого транзистора. Малосигнальная схема
замещения полевого транзистора. Тиристор.
Вольт-амперная характеристика тиристора и ее
кусочно-линейная аппроксимация. Схемы
замещения тиристора в статическом и
динамическом
режимах.
Трансформатор.
Схемы замещения трансформатора.
Концепция
макромоделирования.
Макромодель. Основные подходы к построению
макромоделей сложных объектов. Факторная
макромодель. Электрическая макромодель.
Требования, предъявляемые к макромодели
объекта. Операционный усилитель. Основные
качественные показатели и характеристики
операционного усилителя. Иерархия схем
замещения. Схема замещения промежуточного
блока ОУ. Схемы замещения входной цепи
операционного
усилителя.
Макромодель
операционного усилителя. Логический элемент
И–НЕ на основе ТТЛ со сложным инвертором.
Схема замещения.
Метод направленных графов. Формирование
графа электрической цепи. Основные понятия
и определения теории графов: контур, сечение,
5
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
Содержание раздела
дерево графа, главный контур, главное
сечение. Топологические матрицы. Матрицы
главных сечений и главных контуров. Первый
и второй законы Кирхгофа в обобщенной
форме. Компонентные уравнения. Топологические особенности электрических цепей.
Метод переменных состояния. Процедура
формирования системы уравнений электрической цепи. Метод направленных графов.
Формирование графа электрической цепи.
Основные понятия и определения теории
графов: контур, сечение, дерево графа,
главный контур, главное сечение. Топологические матрицы. Матрицы главных сечений
и главных контуров. Первый и второй законы
Кирхгофа в обобщенной форме. Компонентные уравнения. Топологические особенности
электрических цепей. Метод переменных
состояния. Процедура формирования системы
уравнений электрической цепи.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№ Наименование
п/п обеспечиваемой
(последующей) дисциплины
1.
2.
Номера
разделов
данной
дисциплины,
необходимых для изучения обеспечиваемой
(последующей) дисциплины
1
2
3
4
Отладочные
средства
микропроцессорных систем
Выпускная квалификационная
работа
+
+
+
+
+
+
+
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
Наименование раздела дисциплины
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ
ЭТАПЫ ЕЕ ПОСТРОЕНИЯ
ПАССИВНЫЕ И АКТИВНЫЕ
КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ.
СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ
МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ
ОБЪЕКТОВ. МАКРОМОДЕЛИ
ПОСТРОЕНИЕ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО
ОПИСАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
Лекции
Практ.
занятия
СРС*
Всего
час.
4
8
23
31
4
8
24
32
4
8
23
31
5
10
23
33
6
6. Лабораторный практикум
Не предусмотрен.
7. Практические занятия
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1
1
2
2
3
3
4
4
Тематика практических занятий (семинаров)
Параметр и его зависимость от внешних
факторов и конструктивно-технологических
особенностей компонента.
Пассивные
и
активные
компоненты
электронных схем
Основные качественные показатели и
характеристики операционного усилителя
Метод
направленных
графов.
Топологические
матрицы.
Матрицы
главных сечений и главных контуров
Трудоемкость
(час.)
8
8
8
10
8. Примерная тематика курсовых проектов.
Не предусмотрено
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
9.1.Основная литература:
1. Мясников, А. В. Методы математической физики: учеб. пособие/ А. В.
Мясников; СЗТУ. - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008. - 111 с.
9.2. Дополнительная литература:
1. Анализ динамических режимов и оптимизация электронных схем: учеб.
пособие/ Г. В. Ивенский [и др.]; М-во науки, высш. шк. и техн.
политики РФ, СЗПИ. - СПб.: СЗПИ, 1992. - 88 с.
2. Ивенский, Г. В. Введение в машинный анализ схем промышленной
электроники: учеб. пособие/ Г. В. Ивенский, А. Н. Шварц; М-во высш. и
сред. спец. образования РСФСР, СЗПИ. - Л.: СЗПИ, 1987.
3. Байков В. А. Уравнения математической физики [Текст] : учеб. для
вузов / В. А. Байков, А. В. Жибер, 2003. - 254 с.
4. Малинин С. И. Основы компьютерного проектирования и
моделирования радиоустройств [Текст] : письмен. лекции / С. И.
Малинин, 2003. - 65 с.
7
9.3. Доступ к полнотекстовым базам данных из сети Интранет СПГГУ:
- БД JSTOR полнотекстовая база англоязычных научных журналов
www.jstor.org
- Научная электронная библиотека www.eLibrary.ru (доступ к полным
текстам ряда научных журналов с 2007 по 2009 г. )
9.4. Электронные ресурсы других библиотек:
Национальные отечественные и зарубежные библиотеки
1. Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru
2. Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru
3. Всероссийская государственная библиотека иностранной литературы
им. М.И. Рудомино http://www.libfl.ru
4. Библиотека Академии Наук http://www.rasl.ru
5. Библиотека РАН по естественным наукам http://www.benran.ru
6. Государственная публичная научно-техническая библиотека
http://www.gpntb.ru
7. Государственная публичная научно-техническая библиотека
Сибирского отделения РАН http://www.spsl.nsc.ru/
8. Центральная научная библиотека Дальневосточного отделения РАН
http://lib.febras.ru
9. Центральная научная библиотека Уральского отделения РАН
http://www.uran.ru
10. Библиотека Конгресса http://www.loc.gov/index.html
11. Британская национальная библиотека http://www.bl.uk
12. Французская национальная библиотека http://www.bnf.fr
13. Немецкая национальная библиотека http://www.ddb.de
14. Библиотечная сеть учреждений науки и образования RUSLANet
http://www.ruslan.ru:8001/rus/rcls/resources
15. Центральная городская универсальная библиотека им. В.Маяковского
http://www.pl.spb.ru
16. Научная библиотека им. М.Горького Санкт-Петербургского
Государственного университета (СПбГУ) http://www.lib.pu.ru
Фундаментальная библиотека Санкт-Петербургского Государственного
Политехнического
университета
(СПбГПУ)
http://www.unilib.neva.ru/rus/lib/
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие
учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для
8
презентаций
лекций,
видеофайлов
практических
занятий
и
демонстрационных лабораторных работ.
Проведение
лабораторных
занятий
требует
наличия
специализированных учебных стендов по заявленной номенклатуре
лабораторных
работ,
оснащённых
современной
контрольноизмерительнойаппаратурой.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и
с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки
бакалавра 210100 «Электроника и наноэлектроника».
11. Методические рекомендации по организации изучения
дисциплины:
Изучение
дисциплины
производится
в
тематической
последовательности. Студенты очной формы обучения работают в
соответствии с временным режимом, установленным учебным рабочим
планом для данных форм обучения. Информация о временном графике
работ сообщается преподавателем на установочной лекции. Преподаватель
дает указания также по организации самостоятельной работы студентов,
срокам сдачи контрольных работ, выполнения лабораторных работ и
проведения тестирования.
Дисциплина «Математическое моделирование элементов электронной
техники», как указывалось выше, является базовой дисциплиной. В связи с
этим, приступая к ее изучению, необходимо восстановить в памяти
основные сведения из курса общей физики, математики и указанных выше
специальных дисциплин.
Методика и последовательность изучения дисциплины соответствуют
перечню содержания разделов дисциплины. Материал каждой темы
насыщен математическими соотношениями, физическая интерпретация
которых зачастую достаточно сложна, поэтому изучение материала
требует серьезной, вдумчивой работы.
Изучать дисциплину рекомендуется по темам, предварительно
ознакомившись с содержанием каждой из них по программе учебной
дисциплины. При первом чтении следует стремиться к получению общего
представления об изучаемых вопросах, а также отметить трудные и
неясные моменты. При повторном изучении темы необходимо освоить все
теоретические положения, математические зависимости и выводы.
Рекомендуется вникать в сущность того или иного вопроса, но не пытаться
9
запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на
уровне сущности, а не на уровне отдельных явлений, способствует
наиболее глубокому и прочному усвоению материала. Для более
эффективного запоминания и усвоения изучаемого материала, полезно
иметь рабочую тетрадь (можно использовать лекционный конспект) и
заносить в нее формулировки законов и основных понятий, новые
незнакомые термины и названия, формулы, уравнения, математические
зависимости и их выводы. Целесообразно систематизировать изучаемый
материал, проводить обобщения разнообразных фактов, сводить их в
таблицы. Подобная методика облегчает запоминание и уменьшает объем
конспектируемого материала.До тех пор пока тот или иной раздел не
усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий
конспект курса будет полезен при повторении материала в период
подготовки к экзамену.
Профессор кафедры
электронных систем
НМСУ «Горный», профессор
О.П. Германович
Доцент кафедры
электронных систем
НМСУ «Горный», доцент
И.И. Растворова
10