Utvecklingsdokument. Analog Elektronik (ESSF01) 2011/12

Transkript

1 Allmänt Utvecklingsdokument Analog Elektronik (ESSF01) 2011/12 Allmänt Berättigande Kursen i Analog Elektronik (AE) (ESSF01) är startpunkten för den som vill hålla på med design av analoga kretsar såsom förstärkare, oscillatorer, mixrar, A/D-omvandlare m.m. m.m. Den ger grunden för meningsfulla studier i Advanced Analog Design (AAD), Analog IC konstruktion (AIC) och Radioelektronik (RE). Dessutom kommer kunskaper från kursen vara användbara i projektkurserna Analoga- och digitala projekt (ADP) och IC-Projekt (ICP). AE är en obligatorisk grundkurs för studerande på E2 och valfri för D och N-studenter. Kunskaper inom linjära system (E2) och komponentfysik (E2) tillämpas. Kursen presenterar också intressanta tillämpningar för teorier inom reglertekniken (E3). Mål och innehåll Huvudmålet i kursen är att förmedla kunskaper och modeller som behövs vid syntes av negativt återkopplade förstärkare. Kursen behandlar negativ återkoppling, grundläggande transistorkopplingar, realisering av enstegsoch flerstegs- förstärkare, biasering och bandbreddsberäkningar. Kunskap och förståelse För godkänd kurs skall studenten Ha fått förståelse för återkopplingsteori allmänt och fördelarna med negativt återkopplade förstärkare så att han/hon kan välja en idealiserad förstärkartopologi och vid realisering av denna avgöra hur de ideala parametrarna försämras. Vara väl förtrogen med transistorn och vilka typer av transistorsteg som kan användas samt deras egenskaper och därmed vara kapabel att bedöma vilka steg en flerstegsrealisering ska innehålla utifrån en given specifikation. Känna till aktiva och passiva komponenters frekvensberoende och metoder för bandbreddsskattning och frekvenskompensering så att önskat beteende uppås i frekvenshänseende. ESSF01 - Analog Electronics, Lund University. 1

2 Färdighet och förmåga För godkänd kurs skall studenten Utifrån en specifikation kunna konstruera en förstärkare som uppfyller krav på bandbredd, stegsvar och noggrannhet genom att beräkna och realisera en idealiserad förstärkartopologi med upp till tre transistorsteg. Självständigt kunna göra en analys i frekvens- och tidsplanet både utgående från en mätning på en koppling och genom analys av ett kopplingsschema. Värderingsförmåga och förhållningssätt För godkänd kurs skall studenten Kunna redogöra för och diskutera återkopplingsteori tillämpad på analoga byggblock i negativt återkopplade flerstegsförstärkare. Kursinnehåll Kursen ger en översikt av ideala återkopplade förstärkare med nullorn som idealt förstärkande element. Realisering av nullorn med ett eller flera transistorsteg. Asymptotic gain model för beskrivning och analys av negativt återkopplade förstärkare. Transistorns småsignalmodell samt överföringskaraktäristiken för stora signaler. Aktiva och passiva komponenters frekvensberoende, bandbreddsuppskattning, stabilitetskriterier och frekvenskompensering. Beräkning och implementering av nödvändig arbetspunkt för de ingående transistorerna. Personal Kursansvarig är Markus Törmänen Föreläsare är Markus Törmänen Övnignsledare är Martin Liliebladh. Kurssekreterare nås via kursexp@eit.lth.se eller måndag-torsdag och i rum 3152G, norra trapphuset tredje våningen i E-huset. Doktorander kommer att användas som laborationshandledare. Förslag till ändringar/uppdateringar av övningsmaterialet kan lämnas till Markus Törmänen. Inlämningsuppgifter och tenta rättas av kursansvarig, föreläsare och övningsassistenter. Förutsatta förkunskaper Godkänd i Elektronik för E (ESS010) eller motsvarande. Kurslitteratur Fördjupning i kopplingar: Gray, Meyer. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits. (Används också som kursbok i Analog IC) 2 ESSF01 - Analog Electronics, Lund University.

3 Allmänt Fördjupning i systematisk konstruktion:verhoeven et.al. Structured Electronic Design. Föreläsningsanteckningar kompendium Andersson, Wernerhag, Strandberg. Analog Electronics - Exercises and solutions Laborationer Examination Godkänd tentamen, godkända laborationer och godkända inlämningsuppgifter. Kursplan Föreläsningarna presenterar teorin i ett naturligt flöde som följer konstruktionsmetodiken. Övningarna innehåller uppgifter som ska lösas självständigt och som behandlar kursens centrala delar. Fyra laborationer introducerar studenterna till praktiska moment i kursen och ger färdighet i att handha vanligt förekommande elektronisk mätapparatur. Inlämnings-uppgifterna ska vara av samma svårighetsgrad som de svåraste övningsuppgifterna och blir en kontroll för studenten om denne tillägnat sig kunskapen och en återkoppling till kurspersonalen om hur väl undervisningen fungerar. Tidsplanering Tidsåtgång studenter Föreläsningar 2tim Seminarier 2tim Övningar 2tim Laborationer 4tim Inlämningsuppgift Självstudier ht 3st, vt1 7st, vt2 7st ht och vt1 0st, vt2 7st ht 3st, vt1 7st,vt2 14st vt1 2st, vt2 2st 3st resten ESSF01 - Analog Electronics, Lund University. 3

4 Detailed course contents Totally 16 weeks. Week 6 ht2 - Introduction, Ideal amplifier. L1, L2, E. Course introduction, an overview of feedback amplifiers Circuit theory basics. (nodal analysis, superposition, signal sources, passive circuit elements, two port representation (ABCD-matrix) The concepts information, signal, random noise, distortion and bandwidth. Shannon s formula. Channel capacity. The concepts of sensor, signal processing function and transducer (givare, aktor) The concepts amplification and negative feedback Nullorn used as an ideal amplifying circuit element. The 4 negative feedback amplifier configurations, derive A t. The systematic design methodology Week 7 ht2 - The transistor 1 L3, E2 Transistor symbols and notation for BJT and FET. The BJT transfer characteristics. Transistor areas of operation. Week 1 vt1 - Rehearsal L3, E3, Hand-in 1. Important topics from previous course in electronics. Lecture Week 2 vt1 - The transistor 2 L4, E4 Catch-up on the nullor Why biasing is needed. Limitations set by Bias, switch model Biasing and linearization of a nonlinear function. Derive the small signal parameters from large signal quantities for BJT. The BJT small signal model (LF). Motivate the simplified model without r o. Week 3 - Small signal model and Asymptotic gain model L5, E5 Simple bias implementations. The transistor as an amplifying device - the 3 basic configurations. Signal and bias networks. 4 ESSF01 - Analog Electronics, Lund University.

5 Allmänt Week 4 - Implementing the nullor 1 L6, E6, LAB1 The ABCD-matrix for the 3 basic configurations. The superposition model The asymptotic gain model (β, A, A t is the only parameters that needs to be derived). How to implement the nullor using one transistor configuration. Derive and calculate the asymptotic gain, the loop gain and the transfer of the whole negative feedback amplifier with a CE stage implementation of the nullor using the natural method. Week 5 - Implementing the nullor 2, Anti-series stage multiple stages L7, E7, Hand-In 2 The anti-series stage. Derive the small signal model of the ASCE configuration. Which negative feedback amplifiers need at least one ASCE stage? Examples of circuits with ASCE, ASCS stages Week 6 - Implementing the nullor 3, multiple stages L8, E8, LAB2 Why and how the implementation degrades performance of the nullor implementation. Implementing the nullor using cascaded transistor stages. Effects of more transistor stages (increased loop gain) Calculation of needed bias currents to achieve the desired performance. Other configurations and their use (CB, CC) Properties of different transistor configurations in a negative feedback amplifier. Design examples Week 7 - Rehearsal, designing amplifiers - LF approach L9, E9 Week 1 vt2 - Frequency behaviour 1 L10, E10, S2 Linear system basics. What is a pole? What is a zero? Frequency dependence of passive circuit elements. How to calculate loop poles and zeroes in an electronic system. Connections between root locus, bode plot and step response. The transistor HF small signal model. How HF small signal parameters is dependent on bias quantities. What is ω T? How to calculate loop poles and loop zeros of a single stage negative feedback amplifier using the natural method. Week 2 vt2 - Frequency behaviour 2 L11, E11, S3 ESSF01 - Analog Electronics, Lund University. 5

6 How to calculate loop poles and loop zeros for a multi stage negative feedback amplifier using the natural method. How loop poles and zeros relate to the system poles and zeros. Estimating the bandwidth of a negative feedback amplifier. LP product. Extra stages add ω T to the LP product. Why does an extra stage add a pole at ω T /β f? Week / Frequency compensation 1 L12, E12, S4 The goal of frequency compensation. Desired system pole locus. (Butterworth, Bessel, Real poles) Rules for root locus. Where to put the loop poles to get the desired system poles? How can loop poles be moved? Week 4 - Frequency compensation 2 L13, E13, S5, Hand-In 3 Frequency compensation with phantom zero Implementing the phantom zero. Week 5 - Clipping and biasing output stages L14, E14, Lab3, S6 The limits for the output current and voltage. Understand the mechanism behind clipping. Understand why clipping should be avoided. Understand how clipping can be avoided. Power output stages. How to bias power output stages. What smallest bias quantity is needed in the preceding stage? The need for a systematic design methodology for analog electronic systems. Week 6 - Oscillators L15, E15, LAB4, S7 What is an oscillator Classification of oscillators Examples of first, second and third order oscillators Design examples Week 7 - Rehearsal L16, E16, S8 Rehearsal Design examples Questions 6 ESSF01 - Analog Electronics, Lund University.