Lehre.Elektronik2_SS2024 (Struktur)


Elektronik II (3V1Ü) oder (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: Master Mechatronik, Master Informatik

Für die 3SWS/4CP Teilnehmer des auslaufenden MB Studiengangs (Elektronik IIa) enden die Veranstaltung mit der 10. Vorlesungswoche. Alles, was in der 6CP Version für die anderen Studiengänge danach behandelt wird, ist nicht mehr prüfungsrelevant.

Die Veranstaltung wird in deutsch angeboten. Language for lectures and exams is German.

Foliensätze

[F] -- Foliensätze, [GU] -- Folien zur großen Übung zum Foliensatz, [H] -- Handouts für den Ausdruck.
  • [F1] [H1] Einführung, Wiederholung:
    1. Stationärer Betrieb.
    2. Zeitveränderliche Spannungen und Ströme.
    3. Halbleiter.
    4. Leitungen.
  • [F2] [H2] [GUF2] [GUH2] 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] [GUF3] [GUH3]
  • 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] [GF4] Halbleiter, Dioden:
    1. Halbleiter: Stromfluss in Halbleitern, undotiert (intrinsisch), dotiert (extrinsisch), stromloser pn-Übergang, p n-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] Weitere Halbleiterbauteile:
    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.
  • Schaltungstechnik:
  • Vorlesungsvideos SS24: [V3] , [V4] , [V5] , [V7] , [V9] , [V10] , [V12] , [V13] , [V15] , [V16]
  • Vorlesungsvideos SS23: [E2_V21.mp4] [E2_V13.mp4] [E2_V15.mp4] [E2_V19.mp4] [E2_V9.mp4] [E2_V17.mp4] [E2_V20.mp4] [E2_V10.mp4] [E2_V5.mp4] [E2_V16.mp4] [E2_V14.mp4] [E2_V11.mp4] [E2_V7.mp4] [E2_V12.mp4] [E2_V4.mp4] [E2_V8.mp4] [E2_V3.mp4] [E2_V6.mp4] [E2_V18.mp4]
  • ältere Vorlesungsaufzeichnungen auf dem Video-Server

Organisation

Die Veranstaltung beginnt am 09.04.24 um 8:30 mit einer Präsenzvorlesung im Übungsraum Technische Informatik im im Keller des Instituts für Mathematik. In den nachfolgenden Wochen finden zum 8:15 Termin Online-Vorlesungen im Web-Raum https://webconf.tu-clausthal.de/rooms/gun-arg-ayt/join statt. Zu dem Termin Di. 13:15 wechseln sich wochenweise Vorlesung und Übung ab.

Hausübungen

Die wöchentlichen Hausübungen sind als PDF mit den 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 EMail 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. Bei den Hausübungen ist keine Gruppenarbeit zulässig. Bei auffälligen Übereinstimmungen werden die angeblichen Autoren einzeln zu bbb-Video-Konferenzen eingeladen und geprüft, wer die Aufgaben lösen kann. Bei Abgabe offensichtlich nicht selbst bearbeiteter Lösungen wird wie bei Plagiaten entsprechend der allgemeinen Rahmenprüfungsordnung verfahren.

Große Übung

In der Großen Übung werden Schaltungen mit LT-Spice simuliert. Die Foliensätze mit den Aufgaben finden Sie oben bei den Foliensätzen zur Vorlesung. Den Simulator können Sie sich auch zu Hause auf einen eigenen Windows-Rechner installieren. Quelle:

https://www.analog.com/ => Design Center => Circuit Design Tools ...
Speichern Sie sich ihre Rechnerlösungen und Hausübungen in Vorbereitung auf die Prüfungsklausur auf einen Stick.

Ablaufplan, Hausübungen und Abgabetermine

Die nachfolgende Tabelle ordnet den Vorlesungswochen Themen und Hausübungen zu. In der Spalte Video-Aufzeichungen werden fortlaufend die Video-Aufzeichungen des aktuellen Semesters ergänzt. Die Audio- und Video-Aufzeichungen, Foliensätze und Hausübungen von früheren Semestern finden Sie auf der Web-Seite unten unter vergangene Semester. In der letzten Tabellenspalte steht für jede Hausübung der späteste Abgabetermin.
Die Zuordnungen der Themen, Übungsaufgaben und Abgabetermine verschieben sich in der Regel innerhalb des Semesters etwas und werden hier in der Tabelle zusammen mit den Video-Aufzeichnungen und den noch fehlenden Hausübungsblättern aktualisiert.
ThemenVideoPräsenzterminHausübungAbgabe
1 F1 Wiederholung, F2.1 Arbeitspunkt V2 [HA1] 18.04.2024
2 F2.1 Arbeitspunkt, F2.2 Kennlinie [V3] L: A2.1 bis A2.6 [HA2] 25.04.20243
3 F2.3 Transferfunktion, F2.4 Bauteiltoleranzen [V4] V5 [HA3] 02.05.2024
4 F3.1 Zeitdiskrete Simulation, Frequenzb. [V6] L: A2.7 bis A2.10 [HA4] 08.05.2024
5 F3.1 Zeitdiskrete Simulation, F3.2 Frequenzbereich [V7] V8 [HA5] 16.05.2024
6 F3.2 Frequenzbereich [V9] L: A3.1 bis A3.7 [HA6] 23.05.2024
7 F3.2 Frequenzbereich, F3.3 Spektralanalyse [V10] V/Ü [HA7] 30.05.2024
8 F3.4 Rauschen [V11] L [HA8] 05.06.2024
9 F4.1 Halbleiter [V12] V/Ü [HA9] 13.06.2024
10 F4.2 Dioden [V13] L [HA10] 20.06.2024
11 F5.1 Bipolartransistoren V/Ü
12 F5.2 Thyristoren, F5.3 JFET, MESFET L
13 F5.4 MOSFET, F5.5 IGBT V/Ü
14 F6 Schaltungstechnik L
(V/Ü -- Vorlesung oder Übung im SB; L -- Laborübung im Übungsraum Technische Informatik).

Ergebnisse der Hausübungen:

Matrn A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 Sum LNE BP
503510 12,5 10 13 18 9,5 12 12 9 10
602634 12,5 12 12,5 17 5,5 8,5 12 10 10
602672 12 10 13,5 13 6,5 10 12 8 10
491532 7 12 14 19,5 12,5 12 12 9 10
525059 12,5 10 10 - - - - - -
543556 10,5 - - - - - - - -
602782 3,5 - - - - - - - -
520944 11 1 6,5 - - - - - -
602191 - - - - 3 6 7 2 -

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

Der mündlichen Prüfung ist ein praktischer Teil vorangestellt, in dem Sie eine Aufgabe mit dem Simulator lösen. Die Ergebnisse sind Teil des nachfolgenden Prüfungsgespräches. Erlaubte Hilfsmittel eigener Laptop mit LTSpiece. Für den praktischen Teil dürfen Sie alle Unterlagen zur Vorlesung, Skript, gelösten Aufgeben, ... dabei haben. Untersagt ist nur die Kommunikation mit anderen Personen. Beim Prüfungsgespräch ist nur der Laptop mit den Simulationsergebnissen und maximal ein A4-Blatt einseitig mit Notizen zu den Ergebnissen des praktischen Teils zugelassen.

Vergangene Semester: [SS 2023] [SS 2022] [SS 2021] [SS 2020] [SS 2019] [SS 2018] [SS 2017] [SS 2016] Alte Klausuren.


Autor: gkemnitz, Letzte Änderung: 18.06.2024 11:05:58


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