Rok akademicki: 2015/2016 Kod: ITE s Punkty ECTS: 5. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Transkrypt

1 Nazwa modułu: Podstawy elektroniki Rok akademicki: 2015/2016 Kod: ITE s Punkty ECTS: 5 Wydział: Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Kierunek: Teleinformatyka Specjalność: Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 3 Strona www: Osoba odpowiedzialna: dr inż. Kościelnik Dariusz (koscieln@agh.edu.pl) Osoby prowadzące: dr inż. Dziurdzia Barbara (dziurd@agh.edu.pl) dr inż. Kościelnik Dariusz (koscieln@agh.edu.pl) dr Magoński Zbigniew (magonski@agh.edu.pl) mgr inż. Szyduczyński Jakub (szyduczy@agh.edu.pl) dr inż. Sapor Maria (maria.sapor@agh.edu.pl) Krótka charakterystyka modułu Podstawowe obwody elektryczne i układy elektorniczne, diody, wtórniki, stabilizatory, lustra prądowe, wzmacniacze, tranzystory bipolarne, unipolarne i MOS, bramki cyfrowe. Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń) Wiedza M_W001 Zna podstawy budowy i zasadę działania elektronicznych elementów półprzewodnikowych. Zna zasady i ograniczenia ich stosowania. TE1A_W20 Egzamin M_W002 Zna metodykę konstruowania podstawowych układów elektronicznych. Rozumie zasady ich działania oraz reguły dobierania właściwych parametrów pracy. TE1A_W20 Egzamin M_W003 Zna podstawowe sposoby analizowania stanu układów elektronicznych, symulowania ich pracy oraz przeprowadzania pomiarów laboratoryjnych. TE1A_W20, TE1A_W03 Egzamin Umiejętności 1 / 9

2 M_U001 Potrafi zaprojektować struktury podstawowych układów elektronicznych, dobrać wartości ich elementów składowych oraz wyznaczyć zakres dynamiczny akceptowanych sygnałów wejściowych i generowanych sygnałów wyjściowych. TE1A_U17, TE1A_U23 Kolokwium M_U002 Potrafi przygotować model symulacyjny układu elektronicznego, wyznaczyć w sposób symulacyjny wartości panujących w nim napięć i prądów oraz uzyskać i przeanalizować przebiegi czasowe charakteryzujące pracę badanego obwodu. TE1A_U17, TE1A_U23 Kolokwium M_U003 Potrafi posługiwać się podstawowymi przyrządami laboratoryjnymi, zestawić stanowisko pomiarowe, odczytać i przeanalizować wskazania przyrządów oraz uzyskać oscylogramy dokumentujące pracę badanego układu. TE1A_U17, TE1A_U03 Kolokwium Kompetencje społeczne M_K001 M_K002 M_K003 Rozumie potrzebę i zna możliwości ciągłego dokształcania się oraz podnoszenia swoich kompetencji zawodowych Ma świadomość pozatechnicznych aspektów i skutków działalności inżyniera i związanej z tym odpowiedzialności za podejmowane decyzje. Ma świadomość potrzeby postępowania w sposób profesjonalny oraz przestrzegania zasad etyki zawodowej. TE1A_K01 TE1A_K06 TE1A_K04 Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć Wykład Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenia projektowe Konwersatori um Zajęcia seminaryjne Zajęcia praktyczne Zajęcia terenowe Zajęcia warsztatowe Inne E-learning Wiedza M_W001 M_W002 M_W003 Zna podstawy budowy i zasadę działania elektronicznych elementów półprzewodnikowych. Zna zasady i ograniczenia ich stosowania. Zna metodykę konstruowania podstawowych układów elektronicznych. Rozumie zasady ich działania oraz reguły dobierania właściwych parametrów pracy. Zna podstawowe sposoby analizowania stanu układów elektronicznych, symulowania ich pracy oraz przeprowadzania pomiarów laboratoryjnych / 9

3 Umiejętności M_U001 M_U002 M_U003 Potrafi zaprojektować struktury podstawowych układów elektronicznych, dobrać wartości ich elementów składowych oraz wyznaczyć zakres dynamiczny akceptowanych sygnałów wejściowych i generowanych sygnałów wyjściowych. Potrafi przygotować model symulacyjny układu elektronicznego, wyznaczyć w sposób symulacyjny wartości panujących w nim napięć i prądów oraz uzyskać i przeanalizować przebiegi czasowe charakteryzujące pracę badanego obwodu. Potrafi posługiwać się podstawowymi przyrządami laboratoryjnymi, zestawić stanowisko pomiarowe, odczytać i przeanalizować wskazania przyrządów oraz uzyskać oscylogramy dokumentujące pracę badanego układu Kompetencje społeczne M_K001 M_K002 M_K003 Rozumie potrzebę i zna możliwości ciągłego dokształcania się oraz podnoszenia swoich kompetencji zawodowych Ma świadomość pozatechnicznych aspektów i skutków działalności inżyniera i związanej z tym odpowiedzialności za podejmowane decyzje. Ma świadomość potrzeby postępowania w sposób profesjonalny oraz przestrzegania zasad etyki zawodowej. Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład Obwód elektryczny - zagadnienia podstawowe Obwód elektryczny ze źródłem napięcia i prawo Ohma. Obwód elektryczny ze źródłem prądu. Zasada ciągłości prądu w obwodzie elektrycznym i pierwsze prawo Kirchhoffa. Zasada sumowania napięć w oczku elektrycznym i drugie prawo Kirchhoffa. Szeregowa rezystancja zastępcza. 3 / 9

4 Rezystancyjny dzielnik napięcia. Równoległa rezystancja zastępcza. Wyznaczanie schematu zastępczego dla obwodu wielooczkowego. Inercyjny obwód elektryczny Podstawowe właściwości kondensatora elektrycznego. Obwód elektryczny z kondensatorem. Magazynowanie i przechowywanie energii (ładunku) w kondensatorze. Szeregowy układ RC. Mnemotechniczne reguły zapisywania przebiegów eksponencjalnych. Równoległy układ RC. Podstawowe właściwości cewki indukcyjnej. Obwód elektryczny z cewką. Magazynowanie i przechowywanie energii w cewce. Szeregowy układ RL. Równoległy układ RL. Moc elektryczna Moc prądu stałego. Moc prądu przemiennego. Transfer mocy w stanie dopasowania. Dioda półprzewodnikowa Właściwości diody prostowniczej. Obwód elektryczny z diodą prostowniczą. Właściwości transformatora elektrycznego. Obwód elektryczny napięcia przemiennego z transformatorem. Jednopołówkowe prostowanie napięcia przemiennego. Filtrowanie tętnień. Prostownik dwupołówkowy i mostka Graetza. Struktura wewnętrzna diody półprzewodnikowej. Napięcie progowe diody półprzewodnikowej. Skutki istnienia napięcia progowego. Przykłady zastosowań diod detektor szczytowy. Przykłady zastosowań diod demodulator sygnału AM. Rodzaje diod półprzewodnikowych diody polaryzowane w kierunku przewodzenia. Rodzaje diod półprzewodnikowych diody polaryzowane w kierunku zaporowym. Tranzystor bipolarny Podstawowa właściwość tranzystora bipolarnego. Praca w układzie wzmacniacza prądu. Praca w układzie wzmacniacza napięcia. Składowa stała i składowa zmienna sygnału. Struktura wewnętrzna tranzystora bipolarnego. Ograniczenia tranzystora jednokierunkowy przepływ prądu. Ograniczenia tranzystora napięcie progowe złącza baza-emiter. Tranzystor jako jednokierunkowy wzmacniacz prądu. Tranzystor jako wzmacniacz napięcia z napięciem progowym złącza baza-emiter. Skutki jednokierunkowego przenoszenia prądu oraz istnienia napięcia progowego. Wprowadzanie tranzystora w zakres pracy aktywnej. Układy polaryzowania tranzystora bipolarnego Wprowadzane pożądanej składowej stałej do przetwarzanego sygnału. Wstępne polaryzowanie tranzystora. Układ polaryzacji tranzystora stałym prądem bazy. 4 / 9

5 Dołączenie źródła sygnału do wstępnie spolaryzowanego tranzystora. Złożenie składowych stałych i zmiennych na wejściu i wyjściu wzmacniacza. Międzystopniowe sprzężenie pojemnościowe. Zakres dynamiczny sygnału wejściowego i wyjściowego. Przekroczenie dostępnego zakresu dynamicznego sygnału. Uniezależnienie wielkości wzmocnienia napięciowego od wartości parametru beta. Układ polaryzacji tranzystora ze sprzężeniem emiterowym. Ograniczenie zakresu dynamicznego sygnału wyjściowego. Uniezależnienie punktu pracy tranzystora od wartości parametru beta. Potencjometryczny układ polaryzowania tranzystora. Przykład projektowania wzmacniacza tranzystorowego. Wtórnik napięciowy - wtórnik emiterowy Wzmacniacza pracujący w układzie wspólnego kolektora OC. Wzmacniacz w układzie OC przenoszący wyłącznie składową zmienną. Wzmacniacz w układzie OC przenoszący składową zmienną i składową stałą. Wykorzystanie wtórnika do separowania wyjścia wzmacniacza od obciążenia. Wprowadzanie w tor sygnałowy dalszego dużego wzmocnienia prądu końcówka mocy. Wyjściowy stopień przeciwsobny wzmacniacz komplementarny. Brak wstępnej polaryzacji tranzystorów końcówki mocy zniekształcenia przejścia. Metoda wstępnego polaryzowanie tranzystorów końcówki mocy. Układ Darlingtona. Komplementarny układ Darlingtona Układ Sziklaiego. Wykorzystanie wtórnika napięciowego do buforowania źródeł napięcia odniesienia. Stabilizator napięcia Podstawowa właściwość diody Zenera. Dioda Zenera w układzie ograniczania (stabilizowania) wartości napięcia wyjściowego. Stabilizowanie napięcia wyprostowanego. Ograniczenia prostego stabilizatora z diodą Zenera. Stabilizator napięcia z wtórnikiem emiterowym. Zachowanie się stabilizatora obciążonego i nie obciążonego. Stabilizator z płynnie regulowaną wartością napięcia wyjściowego. Stabilizator z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Praca tranzystora bipolarnego w układzie klucza Obwód z kluczem tranzystorowym. Moc rozpraszana w kluczu. Klucz tranzystorowy z układem przedwzmacniacza. Źródło prądowe i lustro prądowe* Źródło prądowe pobierające i wydające prąd. Źródło prądowe z kompensacją napięcia baza-emiter. Lustro prądowe układ podstawowy. Lustro prądowe powielające wydajność źródła prądowego. Wielokrotne Lustro prądowe mnożące wydajność źródła prądowego. Lustro prądowe dzielące wydajność źródła prądowego. Wzmacniacz różnicowy* Wzmacniacz różnicowy z wejściem i wyjściem symetrycznym. Wzmacniacz różnicowy w stanie zrównoważenia i rozrównoważenia. Wzmacniacz różnicowy z wejściem i wyjściem asymetrycznym. Czujnik natężenia światła ze wzmacniaczem różnicowym. Wzmacniacz różnicowy z obciążeniem aktywnym. 5 / 9

6 Tranzystor unipolarny Podstawowa właściwość tranzystora unipolarnego MOS. Tranzystorowy wzmacniacz napięciowy. Tranzystorowy wzmacniacz transkonduktancyjny. Ograniczenia tranzystora napięcie progowe złącza bramka-źródło. Wzmacniacz napięcie z napięciem progowym bramki. Wzmacniacz transkonduktancyjny z napięciem progowym bramki. Skutki istnienia napięcia progowego. Wprowadzanie tranzystora MOS w zaakres aktywny Wstępne polaryzowanie tranzystora MOC. Potencjometryczny układ polaryzowania tranzystora MOS. Doprowadzanie do spolaryzowanego tranzystora składowej zmiennej sygnału. Złożenie składowych stałych i zmiennych na wejściu i wyjściu wzmacniacza. Układ polaryzowania tranzystora MOS ze sprzężeniem źródłowym. Praca tranzystora MOS w układzie klucza Obwód z kluczem tranzystorowym NMOS i PMOS. Moc rozpraszana w kluczu. Symetria wykorzystywania kluczy tranzystorowych NMOS i PMOS. Praca tranzystora unipolarnego w charakterze łącznika liniowego. Ograniczenia łącznika liniowego z tranzystorem NMOS lub PMOS. Bramka transmisyjna CMOS. Multiplekser analogowy. Demultiplekser analogowy. Układ próbkująco-pamiętający. Wielokanałowy układ przetwarzania analogowo/cyfrowego. Bramki cyfrowe CMOS Struktura inwertera logicznego CMOS. Wejściowe poziomy napięciowe stanów logicznych. Dynamiczny pobór prądu przez inwerter CMOS. Struktura bramki logicznej NAND. Tworzenie bramki logicznej AND. Struktura bramki logicznej NOR. Tworzenie bramki logicznej OR. Narażenia elektrostatyczne wejść układów MOS. Wzmacniacz operacyjny Podstawowa właściwość idealnego wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz operacyjny pracujący w charakterze komparatora. Przykład wykorzystania komparatora regulator temperatury. Wzmacniacz operacyjny pracujący w układzie wtórnika napięciowego. Idealizowanie elementów poprzez objęcie ich pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Układ z częściowym ujemnym sprzężeniem zwrotnym wzmacniacz nieodwracający. Modyfikacje podstawowej struktury wzmacniacza nieodwracającego. Wzmacniacz odwracający i masa pozorna. Inwerter analogowy. Sumator odwracający. Sumator odwracający, wagowy, binarny/ Przetwornik cyfrowo/analogowy. Idealny układ całkujący. Idealny układ różniczkujący. Wzmacniacz różnicy sygnałów. 6 / 9

7 Stabilizator napięcia ze wzmacniaczem błędu. Detektor progowy Detektor progowy bez dodatniego sprzężenia zwrotnego komparator prosty. Detektor progowy z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego komparator z regeneracją. Sposób tworzenia detektora progowego z histerezą. Detekcja progowa sygnału zaszumionego. Odbiornik transmisji cyfrowej z histerezą. Detektor progowy z regulowanym położeniem pętli histerezy. Generator relaksacyjny Sposób tworzenia astabilnego generatora relaksacyjnego. Astabilny generator relaksacyjny. Monostabilny generator relaksacyjny. Uogólniona koncepcja generatora relaksacyjnego. Scalony uniwersalny generator relaksacyjny 555. Astabilny generator relaksacyjny z układem 555, Generator relaksacyjny z układem 555 i asymetrycznym sygnałem wyjściowym, Monostabilny generator relaksacyjny z układem 555. Generator sterowany napięciem VCO. Modulator częstotliwości FM. Pętla synchronizacji fazy - PLL Struktura pętli fazowej. Prosty detektor fazy typu I. Detektor fazy typu II z zerową różnicą fazy w stanie synchronizacji. Odtwarzanie częstotliwości zegara transmisyjnego odbieranego przebiegu binarnego. Demodulator częstotliwości FM. Powielacz częstotliwości. Syntezer częstotliwości. Ćwiczenia laboratoryjne Wprowadzenie do programu MULTISIM Przykłady zastosowania programu MultiSim do symulacji prostych obwodów elektrycznych. Sprawdzenie prawa Ohma i praw Kirchhoffa na przykładzie obwodów rezystancyjnych. Analiza w dziedzinie czasu obwodów RC. Rezystancyjne dzielniki napięcia. Analiza w dziedzinie czasu obwodów LR. Dioda półprzewodnikowa Działanie prostownicze diody półprzewodnikowej w obwodzie elektrycznym. Prostownik jednopołówkowy z filtrem RC na wyjściu. Prostownik dwupołówkowy z układem Graetza. Detektor szczytowy. Demodulator diodowy. Ogranicznik diodowy. Tranzystor bipolarny, część 1 Układ polaryzowania tranzystora bipolarnego stałym prądem bazy. Układ polaryzowania tranzystora bipolarnego z rezystorem emiterowym. Wzmacniacz napięciowy z potencjometrycznym układem polaryzowania tranzystora. Tranzystor bipolarny, część 2 7 / 9

8 Tranzystor bipolarny jako klucz. Wtórnik emiterowy i jego wykorzystanie do separowania wyjścia wzmacniacza od obciążenia. Wzmacniacz komplementarny. Tranzystor w układach stabilizatora napięcia z diodą Zenera. Tranzystor unipolarny część 1 Wyznaczenie wartości napięcia progowego tranzystora unipolarnego NMOS. Tranzystor unipolarny w układzie wzmacniacza sygnałów zmiennych. Wyznaczanie punktu pracy tranzystora unipolarnego. Tranzystor unipolarny jako łącznik liniowy. Tranzystor unipolarny część 2 Tranzystor unipolarny MOS jako klucz przełączający. Inwerter logiczny CMOS. Bramka NAND w technologii CMOS. Bramka AND w technologii CMOS. Bramka NOR w technologii CMOS. Bramka OR w technologii CMOS. Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz operacyjny w układzie wtórnika napięciowego. Wzmacniacz operacyjny w układzie wzmacniacza nieodwracającego. Wzmacniacz operacyjny w układzie wzmacniacza odwracającego. Wzmacniacz operacyjny jako integrator analogowy. Wzmacniacz operacyjny w układzie sumatora. Wzmacniacz operacyjny jako aktywny detektor szczytowy. Wzmacniacz operacyjny w układzie wzmacniacza różnicowego. Wzmacniacz operacyjny jako detektor progowy z histerezą. Wzmacniacz operacyjny - praktyczna realizacja układów Zapoznanie się z platformą montażową ELVIS II. Badanie układu wzmacniacza nieodwracającego. Badanie układu wzmacniacza odwracającego. Badanie układu detektora progowego z histerezą. Generator relaksacyjny Generator relaksacyjny z pojedynczym wzmacniaczem operacyjnym. Generator relaksacyjny z dwoma komparatorami. Generator wykorzystujący scalony uniwersalny układ typu 555 generator astabilny i generator monostabilny. Generator sterowany napięciem VCO. Pętla synchronizacji fazowej - PLL Obserwacja synchronizowania się pętli fazowej. Dostrajanie się częstotliwości oscylatora do częstotliwości sygnału wzorcowego. Generator kontrolowany za pośrednictwem pętli fazowej. Zastosowanie pętli fazowej jako powielacza częstotliwości. Zastosowanie pętli fazowej jako podzielnika częstotliwości. Sposób obliczania oceny końcowej Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest uzyskanie pozytywnej oceny z zajęć laboratoryjnych. Ocena końcowa jest oceną z egzaminu: 8 / 9

9 - podwyższoną o 0,5 stopnia dla osób, które zdadzą egzamin w pierwszym terminie, - obniżoną o 0,5 stopnia dla osób, które zdadzą egzamin w trzecim terminie, Ocena 5,0 nie jest podwyższana. Ocena 3,0 nie jest obniżana. Wymagania wstępne i dodatkowe Podstawowe wiadomości z elektrotechniki. Zalecana literatura i pomoce naukowe 1.Praca zbiorowa pod red St. Kuty: Przyrządy półprzewodnikowe i układy elektroniczne cz. I i II", Wyd AGH, Kraków U. Tietze, Ch. Schenk: Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa J. Kalisz: Podstawy elektroniki cyfrowej. WKŁ, Warszawa B. Wilkinson: Układy cyfrowe. WKŁ, Warszawa P. Horowitz, W. Hill: Sztuka Elektroniki, WKŁ, Warszawa Ciążyński W.E.: Elektronika analogowa w zadaniach. Tom 1-8, Gliwice, WPŚl Literatura uzupełniająca 4.Gray P.R., Hurst P.J., Lewis J.H., Meyer R.G.; Analysis and design of analog integrated circuits, 4th ed., Wiley, New York Allen P.E., Holberg D.R.; CMOS Analog Circuit Design, Oxford UP, Baker R.J.: CMOS, Wiley, 3rd ed.,ieee Press, 2010 Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu Nie podano dodatkowych publikacji Informacje dodatkowe Brak Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Udział w wykładach Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych Przygotowanie sprawozdania, pracy pisemnej, prezentacji, itp. Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 28 godz 49 godz 28 godz 20 godz 125 godz 5 ECTS 9 / 9