Lehre.Elektronik2 (Struktur)

Elektronik II (2V1Ü)

(G. Kemnitz)

Analyse, Simulation und Entwurf elektronischer Schaltungen.
Fortsetzung der Lehrveranstaltung Elektronik I mit dem Übergang zu in der Praxis gebräuchlichen Bauteilmodellen. Lernziel ist der simulationsgestützte Schaltungsentwurf. Dieses Lernziel erfordert ein tieferes Verständnis der Funktionsweise von Halbleiterbauteilen.

Zielgruppe: Bachelor Technische Informatik, Master Mechatronik, Master Informatik

Foliensätze, Audio- und Video-Dateien

[F] -- Foliensätze, [H] -- Handouts für den Ausdruck , [A] -- Audio-Dateien zur Vorlesung, [GUF] -- Folien zur großen Übung zum Foliensatz, [GUH] -- Handout zur Großen Übung für den Ausdruck und [GUV] -- Video zur großen Übung.
  • [F1] [H1] [A1] Einführung, Wiederholung:
    1. Stationärer Betrieb.
    2. Zeitveränderliche Spannungen und Ströme.
    3. Halbleiter.
    4. Leitungen.
  • [F2] [H2] [A2] [GUF2] [GUH2] [GUV2] Schaltungssimulation im stationären Betrieb:
    1. Simulationsarten.
    2. Arbeitspunkt: Brückenschaltung, RD-Schaltung, Transistorschaltung.
    3. Kennlinie: Diode, Bipolartransistor, MOS-Transistor, Transistorverstärker, Operationsverstärkerschaltung.
    4. Transferfunktion: Kleinsignalverhalten, Vierpole, Simulationsart .tf, Transfergatter.
    5. Bauteiltoleranzen: Sensivitätsanalyse, Monte-Carlo-Simulation, Worst-Case-Analyse, E-Reihe.
  • [F3] [H3] [A3] [GUF3] [GUH3]
    • [GUV3] Simulation mit zeitveränderlichen Größen:
    1. Simulationsarten.
    2. Zeitdiskrete Simulation: Geschaltete RC-Glieder, Gatterschaltzeiten, Kippstufen, Sinussignale, Testsignale.
    3. Frequenzbereich: Frequenzgang, Laplace-Transformierte, Verstärker, Filter.
    4. Spektralanalyse: Fourier-Transformation, Klirrfaktor.
    5. Rauschen: Physikalische Ursachen, Rauschquellen und Transformationen, Rauschanalyse, Verstärker, SNR und Rauschzahl.
  • [F4] [H4] [A4] [GF4] Halbleiter, Dioden:
    1. Halbleiter: Stromfluss in Halbleitern, undotiert (intrinsisch), dotiert (extrinsisch), stromloser pn-Übergang, pn-Übergang im Sperrbereich, pn-Übergang im Durchlassbereich.
    2. Dioden: Spice-Modell, Durchlassbereich, Sperr- und Durchbruchbereich, Sperrschicht- und Diffusionskapazitäten, Kleinsignalmodell.
    3. Spezielle Dioden: Schottky-Diode, PIN-Diode, Kapazitätsdiode.
  • [F5] [H5] [GF5] Transistoren:
    1. Bipolartransistor: Aufbau und Funktion, Spice-Modell stationär, Kapazitäten, Kleinsignalmodell, Grundschaltungen.
    2. Thyristor.
    3. J- und MesFET: Aufbau und Funktion, Spice-Modell, Kleinsignalmodell, Grundschaltungen, Rauschen.
    4. MOSFET: Aufbau und Funktion, Spice-Modell, digitale Grundschaltungen, Latch-Up, Leistungs-MOSFETS.
    5. IGBT.

Organisation

Vorlesung

Ab Di. dem 20.04.2021 findet jeden Dienstag ab 8:00 eine bbb-Web-Konferenz zur Lehrveranstaltung statt. Anmeldung über die Web-Seite https://webconf.tu-clausthal.de/b/gun-arg-ayt (Nur, wenn die Konferenz läuft, möglich). In dieser Konferenz können Sie über Mikrofon oder Chat Fragen stellen und es es sind Umfragen möglich. Die Foliensätze, Handout-Version und Audio-Aufnahmen dazu finden Sie auf der Web-Seite, so dass es prinzipiell auch möglich ist, die Vorlesungen im Selbststudium zu erarbeiten. Ich zeichne die Vorlesungen zusätzlich auf und stelle sie als Ersatz der Audio-Aufzeichnung ins Netz.

Große Übung

In der Großen Übung werden Schaltungen mit LT-Spice simuliert. Die Foliensätze mit den Aufgaben finden Sie auch oben auf der Web-Seite. Pandemie-bedingt können wir den Übungsraum an der UNI nicht nutzen, so dass Sie an ihren eigenen Rechnern zu Hause arbeiten müssen. Dazu müssen Sie LTspice auf ihrem Rechner installieren (https://www.analog.com/ => Design Center => Circuit Design Tools ...). Das war bisher immer problemlos.

Versuchen Sie zuerst jede Aufgabe, selbst zu lösen. Spielen Sie dann das Video bzw. die Audio-Datei zur Aufgabe mit den Zusatzerklärungen ab. Nehmen Sie an ihrer Lösung eventuell erforderliche Korrekturen vor und vergleichen Sie erst zum Abschluss ihre Lösung mit der Musterlösung. Wenn Sie beim ersten Durchgehen der Großen Übungen für weniger als 50% der Aufgaben die Lösungen selbst finden, dann gehen Sie die Große Übung ein paar Tage später nochmal durch. Machen Sie sich Notizen und heben Sie sich ihre Dateien auf. Es wird voraussichtlich wieder wie in den vergangenen Jahren Prüfungsaufgaben geben, die mit LT-Spiece zu lösen sind. Das erfordert die Fähigkeit, "flüssig" mit dem Simulator zu arbeiten. Eigene Dateien und Aufzeichnungen dürfen Sie in der Prüfung nutzen und es ist recht hilfreich, wenn Sie die vor der Prüfung gut aufbereiten.

Hausübungen

Nach Erarbeitung des Vorlesungsstoffs und Durchgehen der Großen Übung sollte die Lösung der Hausübungen schnell gehen. Die Lösungen sind als PDF mit Dateinamen

E2_<anr>_<name>_<matr>>_<opt>.pdf

(<anr> – Aufgabenummer, <name> – ihr Name, <matr> – ihre Matrikel-Nummer, <opt> – optionales Kürzel bei mehreren Dateien) bis zu den in der Ablauftabelle angegebenen Tagen per EMai an ha-e2@in.tu-clausthal.de zu schicken, werden korrigiert und zurückgesendet. Für die Prüfungszulassung sind 50% der Hausübungspunkte insgesamt erforderlich. Für zusätzliche Hausübungspunkte gibt es bis zu 2 Bonuspunkte für die Prüfungsklausur. Das entspricht einer Notenstufe. Bei den Hausübungen ist keine Gruppenarbeit zulässig. Bei offensichtlichen Plagiaten werde ich die angeblichen Autoren einzeln zu einer bbb-Video-Konferenz einladen und prüfen, wer der wirkliche Autor ist und entsprechend der allgemeinen Rahmenprüfungsordnung verfahren.

Ablaufplan, Abgabetermine

In der nachfolgenden Tabelle steht in der ersten Spalte die Vorlesungswoche, in Spalte bbb-Termin der Termin der bbb-Web-Konferenz, in Spalte Vorlesung jeweils Foliensatz, Abschnitt und Unterabschnitt, bis zu dem die Vorlesung kommen wird (Richtwert). In der Spalte "Große Übung" stehen jeweils Foliensatz und Aufgabennummer, bis zu der Sie in der Woche im Selbststudium mit dem Simulator kommen sollten. In Spalte Hausübung finden Sie das Aufgabenblatt der Woche und unter Abgabetermin den spätesten Abgabetermin für die Hausübung, in der Regel der Dienstag der Folgewoche.
bbb-TerminVorlesung [Video-Aufzeichnung]Große ÜbungHausübungAbgabe
1 20.04.2021 bis F1 Ende [V1] [HA1] 27.04.2021
2 27.04.2021 bis F2 .op Ende [V2] A2.1 bis A2.4 [HA2] 04.05.2021
3 04.05.2021 bis F2 Simulationsart .tf [V3] A2.5 bis A2.9 [HA3] 11.05.2021
4 11.05.2021 bis F3 Anfang [V4] A2.10 bis A2.14 [HA4] 18.05.2021
5 18.05.2021 bis F3 Folie 27 (RC-Oszillator) [V5 bis F20] A2.15, A2.16, A3.1 bis A3.3 [HA5] 01.06.2021
6 01.06.2021 bis F3 Folie 57 (AC-Sim., Verstärker) [V6] A3.4 bis A3.7 [HA6] 08.06.2021
7 08.06.2021 bis F3 ca. Folie 83 (Filter) [V7] A3.8 bis A3.11 [HA7] 15.06.2021
8 bis F3/115 (Rauschquellentransformation) [V8] A3.12 bis A3.14
9 22.06.2021 bis F4/16 (undotierte HL) [V9] bis A3/24 [HA8] 29.06.2021
10 29.06.2021 bis F4 ca. Folie 43 (pn-Übergang, Sperrbereich) [V10] A4.6, A4.8 bis 4.11 [HA9] 06.07.2021
11 06.07.2021 bis F4, Folie 78 (Sperrschichtkapazität) [V11] A4.12 bis A4.18 [HA10] 13.07.2021
12 13.07.2021 bis F4, Folie 108 Z-Dioden [V12]
13 20.07.2021 bis F5 ca. Folie 23 (vollständiges Transistormodell) [V13, vorzeitiger Aufzeichnungsabbruch] A5.9, A5.10, A3.19
14 27.07.2021 bis F5, Folie 67 (BT Grundschaltungen)

Ergebnisse der Hausübungen:

Matrn Ü1 Ü2 Ü3 Ü4 Ü5 Ü6 Ü7 Ü8 Ü9 Ü10 Sum LNE BP
Punkte 14 12 14 22 14 12 12 10 10 12 132
504346 4 13 15 8 7,5 6,5 8 10 72 ja 0
475099 14 12 10 20,5 10 11 9 86,5 *ja 0
474713 10 8 13 11 8 10 6 10 76 ja 0
516307 9 12 14 14 13,5 10,5 9 9,5 10 10,5 112 ja 1,5
490531 14 11 14 19 13,5 12 12 9,5 10 9 124 *ja 2
523363 10 4 11.5 18 13 11 10 8 8 10 103,5 ja 1
494748 12 2.5 14,5
518024 14 12 14 22 13,5 12 12 10 9 12 130,5 #ja 2
450423 8 6.5 4.5 19,5
523961 12 14 20 13 11 8,5 10 10 98,5 ja 1
533982 11 10.5 13 14 7 12 12 9 10 9 117,5 ja 1,5
481504 13 12 14 22 11 12 11 9,5 10 12 126,5 ja 2
507655 14 12 14 20 9,5 11 10 10 100,5 #ja 1
527776 9 7 11 18 12,5 12 12 3 9 11 104,5 *ja 1
511670 10 7 14 21 13,5 12 11 10 10 10 118,5 #ja 1,5
481913 14 10.5 24,5
481494 14 12 9 21.5 2 8 8 74.5 ja 0
511144 0.5 0,5
487579 14 10.5 24,5
487108 14 12 14 22 10 72 *ja 0
483142 9 9.5 14 19 10,5 10,5 12 4 8 6 102,5 ja 1
487270 14 14
487854 14 12 14 21 10,5 71,5 ja 0
* Verbuchungsfehlermeldung „Studiengang konnte nicht eindeutig bestimmt werden“; # Verbuchungsfehlermeldung „Maximale Anzahl bestandener Versuche ist überschritten“. In beiden Fällen Weiterleitung an das Prüfungsamt in Papierform.

Literatur:

  1. Beetz, B.: Elektroniksimulation mit PSPICE. Vieweg-Verlag, 2008. ISBN 978-3-8348-0238-5. (E-Book in der TUC-Bibliothek)
  2. G. Kemnitz. Technische Informatik Band 1: Elektronik. Springer. 2009.
  3. U. Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer-Verlag. 2002.
  4. K.-H. Cordes, A. Waag, N. Heuck: Integrierte Schaltungen. Pearson 2011
  5. [LTspice IV User Manual] . ecee.colorado.edu/~mathys/ecen1400/pdf/scad3.pdf
  6. [Spice-Modell TLC07x]
  7. [Spice-Modell BAT43]

Prüfung

Die Prüfung findet am 06.10.2021 von 8:00 bis 11:00 als Online-Klausur statt. Erlaubte Hilfsmittel sind eigene Ausarbeitungen, Taschenrechner, LTSpice auf ihrem Rechner und auch die Dateien mit eigenen Lösungen zu den Übungsaufgaben. Mehr als 25% der Punkte gibt es für Aufgaben, die mit dem Simulator zu lösen sind. Die Klausur bekommen Sie über Moodle als pdf. Sie können die Aufgaben dann auf Papier lösen und geben zum Schluss Fotos ihrer Lösungen auf Papier sowie die Dateien und Bildschirmfotos ihrer Lösungen auf dem Rechner per EMail an dieselben Adresse ab, wie die Hausübungen. Zur Vorbereitung sei empfohlen, dass Sie von der großen Übung zu Foliensatz 3, für die Komplexaufgabe 3.19 bis 3.24 die Schaltungseingabe, die Simulationsdurchführung und die Anfertigung vernünftiger Bildschirmfotos solange üben, bis Sie alle fünf Aufgaben innerhalb von 20 min schaffen.

Vergangene Semester: [SS 2020] [SS 2019] [SS 2018] [SS 2017][SS 2016][SS 2015][SS 2014][SS 2013]. Alte Klausuren.


Autor: gkemnitz, Letzte Änderung: 10.04.2022 12:12:42

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