Физические основы электроники

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

 

Кафедра автоматики и управления в технических системах

В.А. Грошев 
А.С. Завгородний 
Н.В. Осипова 

Физические основы
электроники 

 

Методические указания по выполнению курсовой работы 
для студентов направления 
220201 «Управление в технических системах» 
профиль 220401 «Управление и информатика 
в технических системах» 

 

Москва  2015 

УДК 62-621.375.9 
 
62-621.311.69 
 

Р е ц е н з е н т ы  
проф. Л.З. Бобровников МГРИ-РГГРУ им. Серго Орджоникидзе 
канд. техн. наук А.Л. Иванников НИТУ «МИСиС», 
доц. кафедры «Электротехника информационных систем» 

Грошев, В.А. 
Ф0 
 
Физические основы электроники : методические указания 
по выполнению курсовой работы для студентов специальности 
220201 «Управление и информатика в технических системах» / 
В.А. Грошев, А.С. Завгородний, Н.В. Осипова. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2015. – 82 с. 
 

В пособии рассмотрены основные вопросы, связанные с проектированием таких устройств электронной техники, как усилители низкой частоты и 
стабилизаторы напряжения. Приведены примеры расчета бестрансформаторных усилителей низкой частоты, усилителей и стабилизаторов напряжения 
на интегральных микросхемах. 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 
220400 «Управление в технических системах», профиль 220401 «Управление 
и информатика в технических системах» и студентов других технических 
специальностей, изучающих дисциплины по автоматизации и управлению. 

УДК 62-621.375.9 
62-621.311.69 

 
© В.А. Грошев, 
А.С. Завгородний, 
Н.В. Осипова, 2015 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
1. Объем курсового проекта и его оформление.....................................6 
1.1. Составление и оформление пояснительной записки..................6 
1.2. Оформление графической документации ...................................7 
1.2.1. Общие требования..................................................................7 
1.2.2. Правила выполнения электрических схем ...........................8 
1.3. Тематика курсовых проектов .....................................................10 
1.4. Порядок проектирования............................................................10 
1.4.1. Техническое задание на курсовое проектирование...........10 
1.4.2. Выбор и обоснование предварительного варианта 
структурной и принципиальной схем...........................................11 
1.4.3. Электрический расчет элементов принципиальной 
схемы ...............................................................................................11 
1.4.4. Выбор элементов схемы.......................................................12 
2. Усилители низкой частоты................................................................16 
2.1. Пример расчета бестрансформаторного УНЧ на ОУ...............20 
2.1.1. Выбор динамика ...................................................................20 
2.1.2. Расчет основных параметров УНЧ .....................................22 
2.1.3. Описание и выбор принципиальной схемы УНЧ..............23 
2.1.4. Выбор ОУ ..............................................................................23 
2.1.5. Выбор и расчет схемы оконечного каскада .......................24 
2.1.6. Расчет элементов оконечного каскада................................28 
2.1.7. Расчет коэффициента частотных искажений.....................35 
2.1.8. Расчет коэффициента нелинейных искажений..................36 
2.2. Пример расчета эмиттерного повторителя ...............................40 
2.3. Усилители мощности на интегральных микросхемах .............46 
3. Стабилизаторы напряжения ..............................................................50 
3.1. Интегральные стабилизаторы напряжения (СН)......................50 
3.2. Пример расчета ИСН...................................................................52 
3.3. Компенсационный стабилизатор напряжения с 
последовательным включением регулирующего элемента............55 
3.4. Пример расчета КСН с последовательным включением РЭ ...57 
4. Конструкторско-технологический раздел курсового 
проектирования.......................................................................................62 
4.1. Расчет надежности.......................................................................62 
4.2. Оформление конструкторской документации..........................63 
4.3. Требования к печатным платам..................................................64 

4.3.1. Конструкционные материалы для печатных плат 
и их характеристики.......................................................................66 
4.3.2. Материалы печатных плат...................................................67 
Приложение 1. Перечень заданий на курсовую работу..................69 
Приложение 2. Параметры конденсаторов и резисторов ...............73 
Список литературы.............................................................................80 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Задачей курсового проектирования по дисциплине «Физические 
основы электроники» является закрепление знаний, полученных при 
изучении теоретического курса и лабораторного практикума, приобретение навыков по составлению структурных и принципиальных 
схем электронных устройств, выполнение электрического расчета и 
ознакомление с основами конструктивного расчета. 
В соответствии с утвержденными учебными планами студенты 
специальности AУ выполняют курсовой проект. В курсовом проекте 
обязательным является выполнение графической части – одного листа чертежа формата А4, на котором должны быть вычерчены: 
1. Структурная схема; 
2. Принципиальная схема. 
Тематика курсовых проектов соответствует содержанию теоретического курса. Каждый студент получает индивидуальное задание на 
курсовой проект, в котором указывается название темы проекта, исходные данные для проектирования и особые условия, которые 
должны учитываться при проектировании. Одновременно с выдачей 
задания составляется календарный график курсового проектирования, расписание консультаций и дается перечень рекомендуемой литературы. 
 

1. ОБЪЕМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА 
И ЕГО ОФОРМЛЕНИЕ 

1.1. Составление и оформление пояснительной записки 

Пояснительная записка обычно включает в себя: 
1) титульный лист;  
2) техническое задание;  
3) оглавление;  
4) введение;  
5) электрическую часть;  
6) конструкторскую часть;  
7) выводы и заключение;  
8) список используемой литературы;  
9) приложения (результаты моделирования, спецификация и т.п.). 
Пояснительная записка должна в краткой и четкой форме раскрывать творческий замысел работы, технико-экономическое сравнение 
вариантов и при необходимости сопровождаться графиками, схемами, иллюстрациями и т.п., содержать методы исследования, методы 
расчета и сами расчеты, их анализ и выводы по ним.  
Общими требованиями к пояснительной записке являются: 
1) обоснованность рекомендаций и предложений;  
2) убежденность аргументации; 
3) краткость и точность формулировок; 
4) корректность изложения результатов работы; 
5) четкость и логическая последовательность изложенного материала. 
Пояснительную записку оформляют в соответствии с ГОСТ 
2.105–79 на страницах формата А4, текст печатается на компьютере 
или пишется от руки. Размеры полей: левое – не менее 30 мм, правое – 
не менее 10 мм, верхнее – не менее 15 мм, нижнее – не менее 20 мм.  
Страницы нумеруются арабскими цифрами. В общую нумерацию 
входят все листы записки, в том числе и титульный лист. 
Число иллюстраций (схемы, характеристики, графики, эскизы и др.) 
должно быть достаточным для пояснения излагаемого текста. Рисунки выполняются на листах формата А4. Нумерация страниц должна 
быть сквозная, рисунки в пределах раздела (главы). Например, рис. 
1.1, 1.2 соответствуют первой главе текста, рис. 2.1, 2.2 – второй главе текста и т.д. Рисунок помещается после первого упоминания в 
тексте. 

Цифровой материал, как правило, оформляется в виде таблиц. 
Таблицы могут иметь заголовки, их нумеруют в пределах раздела. На 
все таблицы и рисунки, помещенные в тексте записки, должны быть 
ссылки. 
Ссылки должны быть и на использованную литературу, перечень 
которой приводится в конце расчетно-пояснительной записки, с указанием названия учебника или учебного пособия, фамилии и инициалов авторов, издательства и года издания. 
Оглавление должно быть дано на отдельном листе и помещено 
вслед за титульным листом перед техническим заданием на проектирование. Наименование разделов и подразделов приводят с указанием номеров страниц, на которых размещается их начало. Ниже приводится примерный объем и содержание расчетно-пояснительной 
записки. 
1. Оглавление ......................................................................1 стр. 
2. Техническое задание.......................................................1–2 стр. 
3. Введение...........................................................................1 стр. 
4. Глава 1. Назначение проектируемого устройства и краткий обзор возможных вариантов структурной и принципиальной схем, выбор и обоснование структурной и принципиальной схемы…3–5 стр. 
5. Глава 2. Электрический расчет элементов принципиальной схемы, составление уточненной принципиальной схемы..........10–20 стр. 
6. Заключение. Анализ соответствия разработанного устройства 
техническому заданию.............................................................1–2 стр. 
7. Список используемой литературы.................................1 стр. 
8. Приложение (спецификация к сборочному чертежу, результаты 
использования ЭИМ)................................................................2–4 стр. 
_______________ 
Всего 20–36 стр. 

1.2. Оформление графической документации 

1.2.1. Общие требования 

Графическая часть курсового проекта выполняется на одном листе чертежной бумаги формата A4 с соблюдением необходимых требований ЕСКД и ГОСТа. На листе располагаются электрические 
схемы – структурная и принципиальная, выполненные в соответствии с ГОСТ 2.702–75, и конструктивная разработка, представляющая 
собой сборочный чертеж готового изделия с указанием рекомендуе

мого размещения элементов схемы, выполненный в соответствии с 
ГОСТ 2.109–73. 
Вместо сборочного чертежа допускается с разрешения руководителя проекта разработка рабочего чертежа печатной платы, соответствующего ГОСТ 2.417–78. 
Для сборочного чертежа составляется спецификация, которая выполняется в соответствии с ГОСТ 2.108–68 на отдельных листах 
формата A4. Для чертежей несложных сборочных единиц, выполненных на формате А4, допускается размещение спецификации над 
основной надписью такого чертежа. 
Основные и дополнительные надписи на чертеже должны быть 
оформлены в соответствии с ГОСТ 2.104–108. 

1.2.2. Правила выполнения электрических схем 

Структурная электрическая схема. 

Структурная электрическая схема определяет основные функциональные части изделия (элементы, устройства, функциональные 
группы), их размещение и связи. Все функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических 
обозначений с указанием типа элемента (устройства). Допускается 
проставлять порядковые номера справа от изображения или над ним, 
как правило, сверху вниз в направлении слева направо, с их расшифровкой в таблице, помещаемой на чертеже схемы. 
На схеме допускаются поясняющие надписи, диаграммы, таблицы, указания параметров в характерных точках, функциональная 
электрическая схема. На функциональной схеме изображают функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные 
группы) и связи между ними с разъяснением последовательности 
процессов, протекающих в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом. Функциональные части схемы принято 
изображать либо в виде условных обозначений, либо в виде прямоугольников с указанием позиционных обозначений функциональных 
групп, устройств, элементов, присвоенных им на принципиальной 
схеме, и (или) их наименований, типов, технических характеристик 
функциональных частей, поясняющих надписей, диаграмм, таблиц, 
параметров в характерных точках. 
Эти сведения приводятся выборочно в объеме, необходимом для 
наиболее полного и наглядного представления последовательности 
процессов, иллюстрируемых схемой. 

Принципиальная электрическая схема. 

Принципиальная схема определяет полный состав элементов связи между ними, дает детальное представление о принципах работы 
изделия. На ней изображают все электрические элементы или устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все электрические связи между 
ними, а также элементы (соединители, зажимы и т.п.), которым заканчиваются входные и выходные цепи. 
Схемы выполняются для изделий, находящихся в отключенном состоянии. Элементы схем показывают условными графическими обозначениями, установленными стандартами ЕСКД (ГОСТ 2.721 ... 2.756). 
Для пояснения в условиях эксплуатации около условных графических обозначений элементов помещают соответствующие надписи, 
знаки или графические обозначения (например, у переключателей, 
гнезд, потенциометров и т.п.). Если эти надписи и обозначения 
должны быть нанесены на изделие, то их заключают в кавычки. 
На схеме указывают характеристики входных цепей изделий (частоту, напряжение, силу тока, сопротивление и т.п.), а также параметры, подлежащие измерению на контрольных контактах, гнездах и т.д. 
Рекомендуется характеристики входных и выходных цепей, а 
также адреса их внешних подключений записывать в таблицы. 
Всем элементам, устройствам и функциональным группам изделия, изображенным на схеме, присваиваются позиционные обозначения, содержащие информацию о виде элемента (устройства, функциональной группы) и его порядковом номере в пределах данного 
вида. При необходимости записывают информацию о функции, выполняемой данным элементом (устройством, функциональной группой) в изделии. 
Позиционное обозначение записывают без разделительных знаков 
и пробелов одним размером шрифта согласно ГОСТ 2.710–81. 
Например, R – резистор, С – конденсатор, D – схемы интегральные, VT – транзистор, VD – диод полупроводниковый, TV – трансформатор напряжения и т.д. 
После буквенного кода указывается порядковый номер элемента . 
Порядковые номера присваивают, начиная с единицы, в пределах 
группы с одинаковыми позиционными обозначениями в соответствии с последовательностью расположения на схеме, считая, как правило, сверху вниз в направлении слева направо. 

Позиционные обозначения представляют рядом с условными графическими обозначениями элементов с правой стороны или над ними. 
Примечание: типы резисторов, конденсаторов, дросселей и т.д. 
следует выбирать по справочникам. При выборе активных элементов-диодов, транзисторов или интегральных микросхем следует в 
тексте расчетно-пояснительной записки выписать (со ссылкой на литературу) основные параметры. 
При выполнении расчетов промежуточные выкладки можно в 
тексте не приводить, но во всех случаях следует писать исходные 
формулы и указывать, какие величины в них подставляются. В случае выполнения графоаналитических расчетов необходимые графики 
вычерчиваются на миллиметровке или на компьютере для включения 
в текст и на них показываются особые точки, необходимые для выполнения расчетов. Стандартные значения номиналов резисторов, 
конденсаторов, до которых следует округлять вычисленные значения, даны в приложении 2. 

1.3. Тематика курсовых проектов 

1. Расчет источников стабилизированного питания (ИСП). 
2. Расчет усилителей низкой частоты (УНЧ). 

1.4. Порядок проектирования 

1.4.1. Техническое задание на курсовое проектирование 

Основанием для разработки любого промышленного изделия является техническое задание (ТЗ), оформленное в виде документа, устанавливающего основное назначение, показатели и требования, 
предъявляемые к проектируемому устройству, объему, стадии разработки и составу конструкторской документации (ГОСТ 15.001–73). 
ТЗ на курсовое проектирование формулируется в виде частного 
технического задания (ЧТЗ), которое должно содержать данные о 
назначении устройства, его тактико-технических характеристиках, 
условиях эксплуатации, показателях качества, требованиях по надежности при эксплуатации, технико-экономических характеристиках, составе конструкторской документации и стадиях её разработки. 
После получения технического задания необходимо уяснить назначение и принцип действия проектируемого устройства, ознакомиться с описанием его работы и с содержанием рекомендуемой литературы. 

Примечание: одновременно с выдачей задания составляется в 
двух экземплярах график выполнения курсового проекта, один экземпляр остается у руководителя, а другой у студента. 

1.4.2. Выбор и обоснование предварительного 
варианта структурной и принципиальной схем 

На этой стадии производится анализ технического задания, формируется мировоззренческий и методологический подход к поставленной задаче проектирования, дается сравнительная оценка разрабатываемого и существующих устройств, оценка различных вариантов возможного решения поставленной задачи. 
Для этого из общего списка рекомендуемой литературы следует 
отобрать ту ее часть, где вопросы проектирования и расчета заданных функциональных блоков изложены наиболее полно. Выбрать 
несколько (не менее двух) наиболее подходящих вариантов схемных 
решений из числа схем, рассмотренных в отобранной литературе. 
Выбранные варианты анализируются, сравниваются между coбой, 
рассматриваются в различных аспектах: простота схемного решения, 
эксплуатационная экономичность, технологичность конструкции, 
возможность реализации на заданных элементах и т.д. В ряде случаев, при заданных параметрах надежности, схемы сравниваются между собой и выбирается та из них, которая является надежнее при 
прочих равных условиях, т.е. примерно при одной и той же схемной 
сложности. 
Сравнение схемных решений следует производить и в аспекте экономической эффективности, а также возможной технологической преемственности, для чего следует, по возможности, использовать элементы и детали, имеющиеся в производстве, предусмотренные ГОСТом. 
После проведенного анализа нескольких вариантов схем принимается решение выбора схемы, которая наиболее полно отвечает 
предъявленным требованиям и соответствует техническому заданию 
на проектирование. 

1.4.3. Электрический расчет элементов 
принципиальной схемы 

Электрический расчет элементов принципиальной схемы выполняется на основании формул, приведенных в технической литературе. 
При выполнении расчета по отдельным пунктам задания следует 
вначале записывать расчетную формулу со ссылкой на литературу, 

откуда взята эта формула, и на соответствующий рисунок, а затем 
подставлять в нее численные величины. 
На основании выполненных необходимых расчетов разрабатывают 
схемы, выбирают основную элементную базу, на которой будет построена схема устройства (полупроводниковые приборы, микросхемы 
и т.д.), рассчитывают номинальные значения параметров входящих в 
схему деталей, определяют типономиналы этих деталей, уточняют 
режимы работы элементов схемы, делают соответствующие проверки, 
уточняют взаимодействие узлов и т.д. На основании проведенных расчетов составляется окончательная принципиальная схема. 
В процессе расчета необходимо использовать все возможные средства для его ускорения, облегчения и прежде всего вычислительную 
технику, поэтому электрический расчет схемы в ряде случаев целесообразно проводить с помощью компьютерных программ, что позволяет повысить качество проекта. При проведении расчетов при помощи 
компьютерных программ следует указать алгоритм и программу расчета, а также выполнить распечатку результатов расчета. 
На следующей стадии проектирования следует выработать окончательные технические решения по схеме и конструкции, на основании которых можно было бы приступить к выполнению комплекта 
рабочей документации. Для этого после окончательного расчета и 
проверки принципиальной схемы производят разбивку устройства на 
блоки и субблоки. 

1.4.4. Выбор элементов схемы 

Выбор типа полупроводникового прибора определяется теми требованиями, которые предъявляют к нему как к конкретному функциональному элементу данной схемы, предназначенному для эксплуатации в определенных условиях. Эти требования, как правило, 
формируют при расчетах схемы и уточняют при экспериментальной 
проверке. 
Затем с помощью каталогов и справочников может быть выбран 
тип и группа приборов, свойства которого наиболее полно удовлетворяют поставленным условиям. 
Выбор типа полупроводниковых приборов, на которых предполагается реализация выбранной схемы, производится по усилительным, 
частотным и предельным эксплуатационным параметрам. При выборе группы полупроводникового прибора в пределах одного типа следует помнить, что в ряде случаев группа приборов с наивысшими