KURSPROGRAM 09/10 för IE1202 Analog elektronik 7,5hp Kursplan Kurs PM 2009-08-11/BM Kursomgång 1 P1 HT09 1(8)
Kursplan Analog elektronik IE1202 Nivå: Grundläggande Huvudområde: Informationsteknik Elektronik- dator- och programvarusystem Examinator: Bengt Molin Fr o m HT2008 Mål Studenten ska efter kursen förstå egenskaper hos analoga elektronikkretsar och hur dessa kan konstrueras med komponenter såsom operationsförstärkare och transistorer. Studenten kan efter kursen utifrån en problemställning eller specifikation självständigt dimensionera, simulera, bygga och testa en analog elektronikkoppling för låga frekvenser. För godkänt betyg skall studenten kunna definiera och beräkna förstärkning, in- och utimpedans för operationsförstärkarkopplingar och grundläggande transistorförstärkarsteg välja lämpliga förstärkarkopplingar och dimensionera dessa för att lösa olika typer av förstärkningsproblem. bestämma överföringsfunktionen för frekvensberoende förstärkarkopplingar samt att kunna rita dess bodediagram (belopp- och faskurva) samt bestämma gränsfrekvenser. beskriva funktionen och redogöra för egenskaper för operationsförstärkare, dioder och transistorer definiera termer vid motkoppling: råförstärkning, resulterande förstärkning, slingförstärkning, motkopplingsfaktor, stabilitetsmarginaler. förklara varför det kan bli instabilitet i motkopplade förstärkarkopplingar och förklara principen för hur oscillatorkopplingar fungerar. konstruera enkla RC-oscillatorer med operationsförstärkare. beskriva diagram och storsignalmodeller för dioden och transistorer av bipolär- och MOS-typ beräkna transistorns småsignalparametrar och använda småsignalmodeller för att beräkna förstärkning, in- och utresistans för grundläggande transistorförstärkarsteg (GE och GCsteg samt differentialsteg) av både bipolär och MOS typ verifiera gjorda konstruktioner med simuleringsverktyg bygga en prototyp och genom mätningar utvärdera dess prestanda göra en skriftlig dokumentation av konstruerade kretsars egenskaper För högre betygsnivå skall studenten dessutom kunna värdera vilken komponent som är lämplig i önskad applikation utifrån uppgifter från datablad för operationsförstärkare, dioder och transistorer analysera effekter av offsetspänning, förströmmar i operationsförstärkarkopplingar och kunna avgöra om kompensering av dessa effekter krävs beräkna stabilitetsmarginaler för förstärkare och dimensionera nät för kompensering av potentiellt instabila förstärkare värdera hur ändring av ingående komponenter påverkar en förstärkares prestanda skapa modeller för analoga förstärkare och därur härleda uttryck för förstärkning, in- och utimpedans beräkna hur transistorns högfrekvensegenskaper påverkar en förstärkarkoppling konstruera flerstegsförstärkare med transistorer 2(8)
Innehåll Systemegenskaper hos analoga byggblock. Förstärkning, inimpedans, utimpedans och gränsfrekvenser. Operationsförstärkare och dess egenskaper. Förstärkarkopplingar med operationsförstärkare. Differentialförstärkare, common mode, differential mode, CMRR RC-filter och bodediagram. Frekvensberoende förstärkarkopplingar. Principen för motkoppling. Stabilitetsproblem vid motkoppling. Oscillatorer. Halvledarkomponenter, dioder och transistorer. Diodkopplingar. Förstärkarsteg med transistorer såsom CE/CS-steg, CC/CD-steg (emitterföljare) och differentialförstärkare. Kopplingar för vilopunktsinställning. Transistorn som switch. Användning av kretssimuleringsprogram (PSpice) och mätningar på förstärkarkopplingar Litteratur Molin, Analog elektronik, 2:a upplagan, Studentlitteratur ISBN 978-91-44-05367-7 alternativt Sedra/Smith, Microelectronic Circuits Upplaga: 5 Förlag: Oxford University Press ISBN: 0-19-514252-7 Undervisningsspråk: Svenska Förkunskap EI1100, EI1102 Elkretsanalys eller IF1330 Ellära eller motsvarande Betygsskala: A/B/C/D/E/Fx/F Examination LAB1 (2,5 hp) TEN1 (5 hp) Godkända lab- och konstruktionsuppgifter betyg A-F Det finns deadlines (se kursplaneringen på sista sidan) för inlämning av examinationer som betyget baseras på. Önskar du förbättra ditt betyg på labkursen skall detta göras före ordinarie tentamen efter speciell anmälan till examinator. Ingen plussning av betyget på labkursen tillåts efter kursens slut. Skriftlig tentamen betyg A-F Hjälpmedel: Räknedosa, formelblad finns bifogad tentamen Utvärdering Kursen utvärderas och utvecklas i enlighet med KTH:s policy för kursanalys (intern föreskrift nr 18/99) Lärare Bengt Molin Kursansvarig, examinator, föreläsare, övningslärare, lablärare Tel: 790 44 48 E-post:bengtm@kth.se Rum 3410, Electrum, Isafjordsgatan 22, Hiss C, plan 4 Owe Thessén Lablärare Tel: 790 78 04 E-post: thessen@kth.se Rum 8414, Forum Isafjordsgatan 39, Hiss C, plan 8 3(8)
Webb-adresser Kursinformation, information och diverse hjälp hittar du på kurswebben som du når via studentwebben på KTH s centrala webb eller på webbadress http://www.kth.se/student/program-kurser/kurshemsidor/kurser-ict/ecs/ie1202 KTH s plattform för webbaserat lärande http://www.bilda.kth.se Labresultat, tentamensresultat, anmälan till tentamen sker via ICT-skolans studentadministrativa system http://daisy.ict.kth.se Laborationer Under kursen är tre laborationspass schemalagda. Laborationspassen är till för att mättekniskt verifiera funktionen hos de tre konstruktionsuppgifter du skall göra under kursen. Laborationerna genomförs i grupper om två studenter. Laborationssalarna finns tillgängliga även för eget laborerande utanför de schemalagda laborationspassen. Praktiskt experimenterande och mätande ingår naturligt i en elektronikingenjörs arbete. Du planerar själv förberedelse och genomförande av laborationerna utifrån de krav som anges i lab-pm. Laborationspassen skall vara förberedda med färdiga konstruktioner så att laborationstiden kan utnyttjas huvudsakligen för mätning, felsökning och dokumentation. I momentet LAB ingår två inlämningsuppgifter och tre konstruktionsuppgifter. Inlämningsuppgift RC-filter L1 Förstärkare från mikrofon till högtalare. L2 Konstruera och demonstrera en avståndsmätare med ultraljud. Inlämningsuppgift MOS L3 Konstruera en förstärkare uppbyggd med transistorer. Konstruktionerna skall vara gjorda före det schemalagda laborationspasset. Arbetsgången med konstruktionsuppgifterna är Dimensionering med handräkning Verifiering med simulering Koppla upp prototyp och test, dokumentera med mätning Redovisa Betyg sätts på labkursen vilket ställer speciella krav på examinationen. Alla papper som lämnas in till examination skall vara personligen skrivet av den student som examineras och lämnas in i ett exemplar per student. Inga gruppinlämningar godkänns! Närmare detaljer hittar du i lab-pm. Tänk på att hela tiden dokumentera och spara resultat på ett sådant sätt att det kan användas i examinationspapper och rapporter. Verktyg I analog elektronikkonstruktion är det de facto standard att använda SPICE-simulator för simuleringar på kretsnivå. Vi använder i denna kurs OrCad PSpice. Du hittar introduktionshjälp till programmet i lab-pm och på kurswebben. Kurskrav Det är obligatorisk närvaro vid laborationer och examinationspass. Om du på grund av sjukdom eller annan giltig orsak inte kan närvaro skall du snarast ta kontakt med kursansvarig lärare. 4(8)
Inlärningsmål uppdelade på LAB och TEN I det följande beskrivs målen i kursen lite utförligare och i matrisen nedan markeras i vilka moment av kursen olika delar av målen examineras. Det är samma mål som de som anges i kursens kursplanen ovan men de har förtydligats i vissa fall. 1 respektive 2 markerar i vilken del av momentet LAB kunskapen redovisas. De med markerade inlärningsmoment betyder att dessa kan komma på tentan.? indikerar att det är tveksamt om målet uppfylls i kursen. Inlärningsmål Grundläggande nivå Högre nivå Grundläggande nivå LAB TEN LAB TEN definiera och beräkna förstärkning, in och utimpedans för operationsförstärkarkopplingar välja lämpliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkare och dimensionera dessa för att lösa olika typer av förstärkningsproblem bestämma överföringsfunktionen för frekvensberoende förstärkarkopplingar samt att kunna rita dess bodediagram (belopp och faskurva) samt bestämma gränsfrekvenser beskriva funktionen och redogöra för egenskaper för operationsförstärkare definiera termer vid motkoppling: råförstärkning, resulterande förstärkning, slingförstärkning, motkopplingsfaktor, stabilitetsmarginaler förklara varför det kan bli instabilitet i motkopplade förstärkarkopplingar 1 1 1 1 1 förklara principen för hur oscillatorkopplingar fungerar 1 konstruera enkla RC oscillatorer med operationsförstärkare 1 beskriva funktionen och redogöra för egenskaper för dioder och transistorer beskriva diagram och storsignalmodeller för dioden och transistorer av bipolär och MOS typ beräkna transistorns småsignalparametrar för given vilopunkt (bias point, Q) använda småsignalmodeller för att beräkna förstärkning, in och utresistans för grundläggande transistorförstärkarsteg, GE och GC steg (CE and CC ) samt differentialsteg, av bipolär typ 2 2 5(8)
använda småsignalmodeller för att beräkna förstärkning, in och utresistans för grundläggande transistorförstärkarsteg, GS och GD steg (CS and CD ) samt differentialsteg, av MOS typ verifiera gjorda konstruktioner med simuleringsverktyg bygga en prototyp och genom mätningar utvärdera dess prestanda göra en skriftlig dokumentation av konstruerade kretsars egenskaper välja lämpliga förstärkarkopplingar med transistorer och dimensionera dessa för att lösa olika typer av förstärkningsproblem Högre nivå 2 1,2 1,2 1,2 2 värdera vilken komponent som är lämplig i önskad applikation utifrån uppgifter från datablad för operationsförstärkare värdera vilken komponent som är lämplig i önskad applikation utifrån uppgifter från datablad för dioder och transistorer 1?? analysera effekter av offsetspänning (input offset voltage), förströmmar (input bias current) i operationsförstärkarkopplingar och kunna avgöra om kompensering av dessa effekter krävs beräkna stabilitetsmarginaler för förstärkare och dimensionera nät för kompensering av potentiellt instabila förstärkare 1 1,2 värdera hur ändring av ingående komponenter påverkar en förstärkares prestanda skapa modeller för analoga förstärkare och därur härleda uttryck för förstärkning, in och utimpedans (generell metodik). Med generell metodik menas att du skall kunna skapa småsignalmodeller på för dig obekanta kopplingar, dvs. inte bara de grundläggande stegen. beräkna hur transistorns högfrekvensegenskaper påverkar en förstärkarkoppling konstruera flerstegsförstärkare med transistorer 1, 2 2 6(8)
Tentamen Tentamen kommer att vara en blandning av frågor av typen förklara, beskriv, definiera, vad händer om, jämför och värdera samt rena räkneuppgifter. Frågorna kan vara fristående eller del av annan uppgift. Hälften av poängen på frågorna är att betrakta som grundläggande karaktär och hälften högre nivå på kunskaper. Antalet räkneuppgifter kan variera beroende på uppgifternas omfattning. Maximalt antal poäng på tentamen är 40, för godkänt betyg krävs minst hälften av poängen Hjälpmedel: Räknedosa + formelblad som finns bifogad tentamen Betygsgränser Rättningsprinciper: F <=17-1p Underkänd för enklare räknefel utan betydelse för uppgiften Fx 18-19 Underkänd, men möjlig att uppgradera till E E 20-21 D 22-25 C 26-30 B 31-35 A 36-40 -2p för allvarligare räknefel eller där felet borde upptäckts vid enkel kontroll I övrigt måste lösningen vara korrekt och lätt att följa för att kunna erhålla poäng på uppgiften. Gjorda approximationer måste anges och motiveras. Av poängen på räkneuppgifterna reserveras totalt cirka fyra poäng för kvalitetspoäng. De utdelas om lösningen är riktig samt välmotiverad, välstrukturerad och kritiskt granskad. Det är alltså ingen garanti att erhålla full poäng på en uppgift även om lösningen ger korrekt svar. Det anges på tentan vilka uppgifter som kan ge kvalitetspoäng Tänk på att det i många uppgifter går att upptäcka fel genom att göra en enkel dimensionskontroll. Kursplanering IE1202 Analog elektronik Uppgifter angivna vid föreläsningar är lämpliga att du räknar själv efter föreläsningen. Av de exempel som anges för övningspassen kommer de i fetstil att räknas i första hand. F= Föreläsning, Ö= Övning Läroboken Molin, Analog elektronik, 2:a upplagan, Studentlitteratur P= Problem ur boken Innehåll F1 Kursinformation, Analogt vs. digitalt, Systemegenskaper för analoga kopplingar, Förstärkning, in- och utresistans, decibel, beteckningar och symboler P: 1.2-1.7 F2 Frekvensberoende kopplingar. RC-filter. Bodediagram P: 5.1-5.3 Ö1 Förstärkaregenskaper, db, Bode-diagram, RC-filter. gränsfrekvenser. Inlämningsuppgift RC-filter delas ut. P: 5.1-5.3, extra exempel F3 Operationsförstärkare, ideal OP, förstärkarkopplingar med OP, inverterande och icke inverterande typkopplingar, differentialförstärkare, instrumentförstärkare Avsnitt i läroboken Kap 1 sid 15-37 Kap 5.1-5.3 sid 101-117 Kap 2 sid 39-58 7(8)
F4 Verklig OP, förströmmar, offset, slew rate, frekvenskurva, CMRR, databladsuppgifter,, integrator och differentiator med OP, frekvensberoende OP-kopplingar Ö2 OP-kopplingar Grundläggande kopplingar, frekvensberoende kopplingar, verklig OP. Inlämningsuppgift RC-filter lämnas in på Ö2 måndag 7 september. P: 2.1-2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 3.1, 3.2, 3.5, 3.6, 3.7, 5.4, 5.7, 5.9, 5.10, 5.11 L1 Konstruktionsuppgift 1 - ljudförstärkare Kap 3, sid 61-78 Kap 5.4, sid 117-120 F5 Motkoppling, stabilitet, stabilitetsmarginaler Kap 6 sid 127-165 F6 Svängningsvillkor för oscillator, RC-oscillatorer P: 13.1, Extra exempel Ö3 Motkoppling, stabilitet P: 6.1, 6.2, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 6.10 Förbered L2 L2 Konstruktionsuppgift 2 avståndsmätning med ultraljud Kap 13.1-13.3 sid 379-389 Examination 1 muntligt förhör bokas enligt separat schema Deadline inlämning 1: Fredag 25 september kl 10.00 (Ö4) F7 Halvledarkomponenter, P och N, dioden, MOS-FET P: 7.1, 7.2, 8.1-8.4, Kap 7, 8.1-8.2 sid 175-191, 193-206 F8 MOS-FET, komponenten, karakteristik, förstärkning med MOS Kap 8, 9 193-210, 212-249 F9 Förstärkare med MOS, vilopunktsinställning (bias), småsignalmodeller, högfrekvensmodeller P: 9.1, 9.2, 9.3 Kap 9 212-249 Ö4 MOS-förstärkare P: 9.5, 9.6, 9.7, Extra exempel Simuleringsuppgift MOS, inlämningsuppgift Deadline inlämning: Fredag 2 oktober kl 23.59 F10 Bipolartransistorn, komponent, karakteristik, förstärkning med BJT vilopunktsinställning, signalmodell F11 Förstärkare med BJT, GE-steg, GC-steg (emitterföljare), högfrekvensmodeller, gränsfrekvenser Motkopplade GE-steg (ej avkopplad emitterresistor) Ö5 Transistorförstärkare vilopunkt, signalsschema P: 11.1, 11.3, 11.4, 11.5, 11.7 Ö6 Transistorförstärkare P: Extra exempel F12 Differentialförstärkare och flerstegsförstärkare, orienterande om strömgeneratorkopplingar och strömspeglar Ö7 Differential och flerstegsförstärkare P: 11.10, Förberedelse konstruktionsuppgift 3 L3 Konstruktionsuppgift 3 Redovisning i samband med lab alternativt deadline inlämning 2 måndag 26 oktober kl 12.00 F 12x2= 24 Ö 7x2= 14 L 3x4= 12 Kap 10.1, sid 254-264 Kap 11.1-11.3, 271-289 11.4-11.7, sid 289-307 11.9-11.10, sid 315-326 delar 11.13, 332-333 Kap 11.8, sid 308-314 Kap 12.5, sid 356-358 8(8)