Turun Ammattikorkeakoulu, Elektroniikka

Transkriptio

1 Turun Ammattikorkeakoulu, Elektroniikka Toteutussuunnitelma: Analogiaelektroniikka 15 op Laatinut: Timo Tolmunen, Opintokokonaisuus on pakollinen elektroniikan suuntautumisvaihtoehdon opiskelijoille (230AS), ja se koostuu seuraavista osakursseista; Vahvistinasteet 5 op (3. vuosi) Takaisinkytketyt asteet 5 op (3. vuosi) Signaalien muokkaus 5 op (4. vuosi syksy) Tämä on kurssin neljäs toteutus. Opetukseen on varattu lukujärjestyksessä torstai kello koko lukuvuoden aikana (syyskuusta maaliskuun loppuun). Aamupäivä painottuu teoriaan, laskuharjoituksiin sekä CAD-ohjelmien käytön harjoitteluun ja iltapäivä varsinaiseen laboratoriotyöskentelyyn. Huomaa, että lukujärjestykseen on varattu enemmän tunteja, kuin mitä varsinaista lähiopetusta on (eli opettajan läsnäoloa labrassa) on tarjolla. Opettajina toimivat: Timo Tolmunen (paitsi Piirilevycad) sekä Ville Huhtinen (Piirilevycad ja laboratoriotyöt) Opetustilat: C2038 (elektroniikkalaboratorio) ja B2044 (ASIC) Oppikirja: Sedra Smith, Microelectronic circuits, 4 th Edition, josta valikoidut osat alueelta Part II, Analog Circuits pp tai saman kirja uudempana versiona, eli 5 th Edition. Uusiman painoksen aihejako on kuitenkin oleellisesti erilainen kuin aiemmissa versioissa. Opintojakson osat liittyvät kiinteästi toisiinsa. Kunkin osan suoritusperiaate on seuraava: -Teoriaosuuden ja laskuharjoitusten suorittaminen -CAD-simulaatioiden suorittaminen -Laboratoriotöiden suorittaminen Laboratoriotyöt ja CAD-simulaatiot tehdään yksin tai kahden hengen ryhmissä Opintojaksojen sisältö on seuraava: VAHVISTINASTEET 5 op Kertaus transistorien perusbiasoinneista (BJT, FET), Taajuusvasteen perusteet, BODE, Vahvistimen vaste matalilla ja korkeilla taajuuksilla Suurtaajuusmalli, CS- ja CD- vahvistinten taajuusvaste, Miller-ilmiö Parannetut vahvistinasteversiot (CB, CE-CB, CC-CB) Differentiaaliasteet, Vakiovirtalähteet ja virtapeilit, aktiivinen kuorma Moniasteiset vahvistimet

2 Pääteastetyypit, tehotransistorit, lämpötilakäyttäytyminen, transistorit kytkimenä APLAC -simulaatio-ohjelman käyttö em. lohkojen suunnittelussa ja analysoinnissa. Perussimulaatioiden oppiminen. DC- ja AC-analyysit Transienttianalyysit Muuttujien käyttö simuloinnissa Laboratoriotöita aihepiirin alueelta (noin 5) TAKAISINKYTKETYT ASTEET 5 op Takaisinkytkentä ja sen perustopologiat Takaisinkytkentöjen analysointi Stabiilius Kompensointi APLAC -simulaatio-ohjelman käyttö em. lohkojen suunnittelussa. Tarkastellaan mm. harmoniset analyysit (epälineaariset piirit) särö PADS -piirilevyjensuunnitteluohjelman käyttö Laboratoriotöita aihepiirin alueelta. PADS-osuuden takia kakkososio on teoriaosuudeltaan suppeampi kuin ensimmäinen osio. Myös laboratoriotöitä tehdään vähemmän (2). SIGNAALIEN MUOKKAUS 5 op Suodatinten perusteet, suodatinsiirtofunktio Suodatintoteutukset Oskillaattorien perusteet RC-oskillaattorit LC-oskillaattorit, kideoskillaattorit Relaksaatio-oskillaattorit, aaltomuotojen muokkaus ja muita sovelluksia APLAC -simulaatio-ohjelman käyttö em. lohkojen suunnittelussa tilastolliset analyysit (Monte-Carlo simulaatio) optimoinnin käyttö suunnittelun apuna kirjastolohkojen käyttö Laboratoriotöita aihepiirin alueelta (noin 5 kpl)

3 OSAKURSSIEN ARVIOINTIKRITEERIT: Teoriaosuus: Kustakin osakurssista järjestetään yksi koe, joka on suoritettava hyväksytysti. Laskuharjoitukset ovat pakollisia. Laskareita on yhteensä neljä (4) jokaisessa osakurssissa. Laskaripisteet vaikuttavat kurssiarvosanaan kaikissa tilanteissa (MYÖS MAHDOLLISESSA OSAKURSSIN UUSINTATENTISSÄ), eli laskareita kannattaa tehdä ahkerasti! Teoriaosuuden kokonaispistemäärä P lasketaan kaavasta P = T + 0,1 ( L% 40), missä T on kokeen tai sen uusinnan pistemäärä (max 24) ja L% on laskuharjoitusten suoritusprosentti. Huomaa, että huono laskareiden suoritusprosentti vaikuttaa kokonaispistemäärään negatiivisesti. Kokonaispisteiden maksimi on 30. (Pisteet ja arvosana: 10 = 1, 15 = 2, 18,5 = 3, 22 = 4, 25 = 5) CAD: Läsnäolo harjoituksissa on pakollinen. Tuntien aikana kurssilla käydään läpi pakollisia harjoitustehtäviä piirien simuloinnista, jotka on kaikki tehtävä, esitettävä opettajalle ja dokumentoitava. Piirilevyntekoon liittyvät ohjeet, määritellään Villen toimesta myöhemmin. CAD-dokumentti arvioidaan laboratoriotyöosuudessa ja vastaa painoltaan noin kolmasosan kyseisen osuuden arvosanasta. Laboratoriotyöt: Hyväksytysti suoritetut laboratoriotyöt, jotka pohjautuvat teoriaosuuden aihealueisiin ja CAD-osiossa simuloituihin kytkentöihin. Työt tehdään kahden hengen ryhmissä valvojan määrittelemien speksien mukaisesti. Raportit voivat olla siististi käsin kirjoitettuja mittauspöytäkirjoja. Niiden tulee tyypillisesti sisältää vapaamuotoisessa, mutta loogisessa järjestyksessä: 1. Työn speksit (ohjelehti) 2. Lohkojen mitoitukset (käsin lasketut) sekä keskeiset simulaatiot Aplacilla 3. Kuvauksen mittausmenetelmistä ja -kytkennöistä sekä mittaustulokset 4. Vertailun teoreettisten arvojen ja mittaustulosten välillä 5. Arvion mittaustuloksiin vaikuttaneista virheistä 6. Johtopäätökset 7. mahdolliset muut työohjeissa määritellyt asiat. Suoritusvaatimukset:

4 Kaikki työt on tehtävä hyväksytysti, ja ne arvioidaan asteikolla 1 5. KOKO OPINTOJAKSON ARVOSANA: OSAKURSSIN ARVOSANA määräytyy keskiarvona Labra+CAD ja teoriaosuuden arvosanoista edellyttäen, että kummatkin osiot on suoritettu hyväksytysti. Erittäin hyvällä laboratoriotyöosuudella voi tosin jonkin verran kompensoida hylättyä teoriaosuutta! KOKO OPINTOJAKSON arvosana määräytyy keskiarviona kolmen osakurssin arvosanoista. Kaikkien osakurssien on tällöin oltava hyväksytysti (arvosanalla 1 5) suoritettuja.

5 Vinkkejä S&S:n oppikirjan (4. painos) lukemiseen: Luku 6 (Diff. asteet, virtapeilit, moniasteiset vahvistimet) Tässä tarkastellaan sellaisia vahvistinlohkoja ja rakenteita sekä muita peruspalikoita, mitkä ovat tärkeitä ja joita ei vielä aiemmilla kursseilla ole otettu esille. 6.1 Suursignaalitoiminta ei ole olennainen, perus diff. aste aste on kuitenkin osattava mitoittaa. 6.2 Piensignaaliominaisuudet: vahvistukset, CMRR, tuloimpedanssit ovat olennaisia. 6.3 Ylikurssia. 6.4 Perusvirtapeilit ja niiden tyypit on osattava hyvin ja näiden sovelluksena 6.5 diff. vahvistin aktiivisella kuormalla on hyvä pääpiirteissään hallita MOS-versiot eivät suoranaisesti kuulu tähän kurssiin, joitakin kohtia tarkastellaan, koska rakenteet ovat tärkeitä palikoita analogiapiirien integroinnissa. 6.9 Moniasteisten vahvistinten analyysin perusteet on syytä hallita 6.10 CAD on olennainen osa suunnittelua, joten simulaatioita kannattaa suorittaa sopivaa simulaattoria, esim. APLAC tai MicroCAP, apuna käyttäen. Luku 7 (Taajuusvaste) Tässä tarkastellaan taajuusvasteominaisuuksia. Perusvahvistinasteita ja niiden parannettuja variaatioita on osattava biasoida ja analysoida. Tässä yhteydessä tarkastellaan uudelleen tai täydennetään S&S:n luvun 4.15 BJT:n tarkennettua mallia ja siihen liittyen 4.16 SPICEparametreja, jotka on pääpiirteissään ymmärrettävä osatakseen analysoida vahvistinasteiden taajuusvastetta. Sama pätee FETteihin eli luvun 5.10 ss kannattaa tutkia Peruskäsitteet on hallittava hyvin CS- ja CD-asteen pien- ja suurtaajuusominaisuudet on lähtökohta laajempien kokonaisuuksien ymmärtämiselle ja siten hyvin tärkeitä. 7.5 Tässä on analyysiesimerkkejä parannetuista versioista ja ne on myös osattava Nämäkin ovat hyödyllisiä mutta menevät hieman yli tämän kurssin. 7.8 Diff. asteen taajuusvasteen perusteet on kuitenkin hyvä osata. 7.9 CAD kuten edellä todettiin. Luku 8 (Takaisinkytkennät) Takaisinkytkentä on tyypillistä elektroniikassa, joten sen vaikutukset on tunnettava. Lisäksi on osattava mitoittaa ja analysoida yksinkertaisia takaisinkytkettyjä vahvistinlohkoja Tässä esitetään peruskäsitteet sekä -ominaisuudet ja lisäksi takaisinkytkentätopologiat, jotka on osattava tunnistaa Analysointiesimerkkejä kaikista perustopologioista. Analysointi on systemaattista ja sen perusteet on hallittava. Kokeessa on varmasti tehtävä erityisesti sarja-rinnan tai rinnanrinnan tapauksista Pääpiirteet stabiiliudesta on ymmärrettävä ja 8.10 erityisesti se, miten stabiiliutta tarkastellaan taajuus- ja vaihevastekäyrien avulla (Bodekäyrät) samoin kuin 8.11 kompensointimahdollisuuksista ja -tavoista, jos aste on vaikkapa epästabiili CAD kuten edellä todettiin Luku 9 (Pääteasteet ja tehovahvistimet) Tehopääteasteiden perusteet samoin kuin lämpöominaisuudet on hyvä hallita suunnittelussa Pääteasteiden luokitus (A, AB ja B) ja niiden rakenne on osattava, samoin tällaisten asteiden biasoinnin perusteet.

6 9.6 Lämpöresistanssi ja ymmärrys siitä miten tehotransistorien jäähdytys suoritetaan on hallittava Ovat hyödyllisiä, mutta tässä yhteydessä ylikurssia 9.10 CAD kuten edellä todettiin Luku 11 (Suodattimet ja viritetyt vahvistimet) Suodattimien perusteet ja mitoitus on osattava Tässä esitetään olennaiset perusteet Suodatinvariaatioita on paljon. Niitä on osattava analysoida ja suunnitella, mutta se on hyvin systemaattista kun perusteet hallitaan Herkkyysanalyysiä ei matemaattisesti pohdita. Viritetyt vahvistimet puolestaan ovat hyödyllisiä, mutta tässä yhteydessä ylikurssia CAD kuten edellä todettiin Luku 12 (Oskillaattorit) Oskillaattorien perusteet ja mitoitus on osattava 12.1 Jälleen perusteet on kaiken pohjana RC- ja LC-rakenteita on paljon. Perusanalysointi ja -mitoitustavat on hallittava Bistabiilit multivibraattorit, monostabiilit piirit ja komparaattorit ovat myös tärkeitä palikoita aaltomuotojen muokkauksessa Ovat hyödyllisiä, mutta tässä yhteydessä ylikurssia CAD kuten edellä todettiin