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

Ab dem 21.04.2020 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, es sind Umfragen möglich und wir können auch versuchen, ob die Vorlesungen über dieses System durchführbar ist. Für die große Übung müssen Sie LTspice auf ihrem Rechner installieren (https://www.analog.com/ => Design Center => Circuit Design Tools ...).

Als Alternative zur bbb-Vorlesung erhalten Sie die Möglichkeit, sich die Vorlesungsinhalte im Selbststudium mit freier Zeiteinteilung anzueignen. Hierzu holen Sie sich die Foliensätze, Handouts, Audio-Dateien, Video-Dateien und Hausübungsblätter jeweils für die aktuelle Woche hier vom Server auf ihren Rechner, packen die Audio- und Video-Zip's aus und drucken die Handouts. (Bitte immer nur die aktuell benötigten Dokumente, weil in den Dateien für die späteren Wochen noch Änderungen erforderlich sind.) Arbeiten Sie dann das Wochenprogramm (siehe Tabelle Ablaufplan weiter unten) wie folgt ab:

  1. Erarbeitung des Vorlesungsstoffs
  2. Jede Audiodatei ist einer Folie zugeordnet und enthält überwiegend Zusatzerklärungen. Schauen Sie sich die Folien an, bevor Sie die Audio-Datei abspielen, danach hören Sie sich die Zusatzerklärungen an, rekapitulieren im Anschluss das Gehörte, versuchen eventuell gestellte Fragen zu beantworten und machen Sie sich Notizen.
  3. Große Übung
  4. Auf den Foliensätzen zu den Großen Übungen finden Sie Beispielaufgaben und Lösungen. 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.
  5. Hausübungen
  6. 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> – optinales 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 sich 50% der Hausübungspunkte insgesamt erforderlich. Für zusätzlich Hausübungspunkte gibt es bis zu 2 Bonuspunkte für die Prüfungsklausur. 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, Hausübungen und Abgabetermine

Die nachfolgende 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 Sie sich den Stoff in der Woche erarbeiten sollen, in Spalte Große Übung jeweils Foliensatz und Aufgabennummer, bis zu der Sie im Anschluss Aufgabe der Große Übung abarbeiten sollen, in Spalte Hausübung das Aufgabenblatt der abzuarbeitenden Hausübung, und in Spalte Abgabe der späteste Abgebetermin der Hausübung. Der späteste Abgabetermin für die Hausübung ist immer der Dienstag der Folgewoche, so dass Sie die Möglichkeit haben, vor Abgabe auf der nächsten bbb-Web-Konferenz Fragen zu stellen.
bbb-TerminVorlesungGroße ÜbungHausübungAbgabe
1 20.04.2020 bis F1 Ende [HA1] 28.04.2020
2 28.04.2020 bis F2 Kennlinie, Diode A2.1 bis A2.4 [HA2] 05.05.2020
3 05.05.2020 bis F2 Transfer-Gatter A2.5 bis A2.9 [HA3] 12.05.2020
4 12.05.2020 bis F3, Folie 16 (Ringinverter) A2.10 bis A2.14 [HA4] 19.05.2020
5 19.05.2020 bis F3 ca. Folie 49 (Frequenzgang) A2.15, A2.16, A3.1 bis A3.3 [HA5] 26.05.2020
6 26.05.2020 bis F3 Folie 77 (Entwurf RLC-Tiefpass) A3.4 bis A3.7 [HA6] 02.06.2020
7 09.06.2020 bis F3 ca. Folie 110 (Wärmerauschen) A3.8 bis A3.11 entfällt*
8 16.06.2020 bis F4 ca. Folie 10 (HL Einführung) A3.12 bis A3.18 entfällt*
9 23.06.2020 bis F4 ca. Folie 45 (pn, Sperrbereich) A4.1 bis A4.5 [HA7] 30.06.2020
10 30.06.2020 bis F4 ca. Folie 84 (Diode, Diffusionskapazität) A4.6, A4.8 bis 4.11 [HA8] 07.07.2020
11 07.07.2020 bis F4, Folie 108 (Z-Diode) A4.12 bis A4.18 [HA9] 14.07.2020
12 14.07.2020 bis F5, ca. Folie 33 Übergangsfrequenz Stromverstärkung A5.1 bis A5.3, A5.6 bis A5.8 [HA10] 21.07.2020
13 21.07.2020 bis F5 ca. Folie 70 (Thyristor) A5.9, A5.10, A3.19
14 Selbststudium ohne BBB-Vorlesung bis F5 Ende (IGBT)
* Abgabeverschiebung um zwei Wochen nach hinten als Entlastung während der Prüfungszeit

Ergebnisse der Hausübungen:

Matrn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Sum LNE BP
517157 12 11.5 11 21.5 14 - - - - - - - - - - 70 ja 0
497033 14 7 11 12 11 - - 12 9 10 - - 86 ja 0.5
511670 13 6.5 10.5 17 - - 9.5 8 8 - - - - 72.5 ja 0
429964 12 11.5 14 21.5 13 12 12 10 10 - - 116 ja 1.5
516527 - - - - 11.5 3 8 9.5 8 - - - - - - 40 nein - -
518024 13 7 11.5 17 7.5 - - 12 10 - - - - 78 ja 0
418124 13.5 11.5 14 21 14 12 12 9.5 10 11.5 129 ja 2
512107 14 12 14 21 14 12 12 10 10 12 129 ja 2
465205 14 12 14 21.5 14 11.5 12 10 10 12 131 ja 2
464455 14 8.5 11.5 20 13 12 12 10 9 11 121 ja 2
478009 14 12 14 22 14 12 12 10 10 12 132 ja 2
517580 14 12 - - - - - - - - - - - - - - - - 26 nein - -
505718 5.5 11.5 14 13.5 - - - - - - - - - - - - 44.5 nein - -
507655 14 12 14 20 13 11 12 10 - - - - 104 ja 1
479206 14 12 14 22 13.5 12 12 10 10 12 131.5 ja 2
478669 13.5 9.5 14 20.5 14 12 12 9.5 10 12 127 ja 2
509970 13.5 12 14 21.5 14 12 12 10 10 12 131 ja 2
499231 14 12 14 22 14 - - 12 10 10 10 118 ja 1.5

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]

Aktuelles

Die nächste Prüfungsklausur Elektronik II findet am 08.10.2020 9:00 Uhr, im Rechnerraum 302, Institut für Informatik, Julius-Albert-Str. 4 (D3, Dachgeschoss) statt. Erlaubte Hilfsmittel sind eigene Ausarbeitungen, Taschenrechner und auch die Dateien ihrer Lösungen zu den Übungsaufgaben auf einem USB-Stick. Mehr als 25% der Punkte gibt es für Aufgaben, die mit de Simulator zu lösen sind. Sie erhalten erhalten dafür ein neu angelegtes Windows-Account. Dort legen Sie sich ein neues Unterverzeichnis mit ihrem Namen und in das Unterverzeichnis für jede auf dem Rechner gelöste Aufgabe ein Unterverzeichnis mit der Aufgabenummer an, in das Sie alle Entwurfsdateien und Bildschirmfotos zur jeweiligen Aufgabe speichern. Das Verzeichnis mit Ihrem Namen wird bei Abgabe der Klausur auf einen USB-Stick des Dozenten kopiert. 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 2019] [SS 2018] [SS 2017][SS 2016][SS 2015][SS 2014][SS 2013]. Alte Klausuren.


Autor: gkemnitz, Letzte Änderung: 13.10.2020 14:16:09


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