TFY4185 - Måleteknikk

Fakta høst 2010 Foreleser: ??? Stud-ass: ??? Vurderingsform: Skriftlig eksamen (?? %), midtsemester (?? %), arbeider (?? %), prosjekt (?? %) Eksamensdato: ???

Øvingsopplegg høst 2010 Antall godkjente: ??/?? Innleveringssted: ??? Frist: ???

Lab høst 2010 Info om lab

Dette faget er flyttet opp i 3. klasse f.o.m. neste skoleår(2009/2010).

Fagets innhold

Elektroniske kretselementer:

• Enkle passive kretser
• Halvleder kretselementer
• Aktive kretser, operasjonsforsterkere
• Digitale kretser

Laboratorium i kretsteknikk:

• Bygging og utprøving av et utvalg av elektroniske kretser
• Datamaskinlaboratorium: Simulering av kretser med dataverktøy (PSpice)

Vurderingsform

Det gis karakterene bestått/ikke bestått. Faget har en (frivillig) semesterprøve som teller i endelig vurdering dersom den teller positivt. For å ta avsluttende eksamen må man levere 5 av 6 øvinger, samt fullføre lab.

Oppsummering av pensum

Kompendium: Gustafsson og Skullerud, TFY 4185 Lecture Notes 2008

• Voltage and current dividers
  • Om man har to impedanser i serie (<math>Z_1</math> og <math>Z_2</math>), er forholdet mellom spenning <math>V_0</math> over <math>Z_1</math> og spenning <math>V</math> over begge:

<math>\frac{V_0}{V} = \frac{Z_1}{Z_2 + Z_1}</math>

• • Om man har to impedanser i parallell (<math>Z_1</math> og <math>Z_2</math>), er forholdet mellom strøm <math>I_0</math> gjennom <math>Z_1</math> og strøm gjennom begge <math>I</math>:

<math>\frac{I_0}{I} = \frac{Z_2}{Z_2 + Z_1}</math>

• Norton and Thevenin equivalents
  • Thevenins theorem: Enhver krets med to poler uten andre aktive elementer enn spenningskilder og strømkilder, kan framstilles som en krets med en spenningskilde i serie med en resistans, <math>R_i</math>, som er den indre resistansen mellom polene.

<math>V_T=</math> "open source voltage", spenningen mellom polene når de er åpne. Finnes ved hjelp av f.eks. Kirchhoffs lover.

<math>R_T=R_i</math> "output resistance", total resistansen i kretsen. Finnes ved å kortslutte alle spenningskilder og sette inn åpne ender i stedet for strømkilder.

• • Nortons theorem: Enhver krets med to poler uten andre aktive elementer enn spenningskilder og strømkilder, kan framstilles som en krets med en strømkilde i parallell med en resistans, <math>R_i</math>, som er den indre resistansen mellom polene.

<math>I_N</math> "short circuit current", strømmen når polene er kortsluttet. Kan også finnes ved hjelp av f.eks. Kirchoffs lover.

Sammnehengen mellom Thevenin og Norton<math>I_T=\frac{V_T}{R_T}</math>

• Impedance matching, input and output
• Maximum power transfer to the load (both AC and DC cases)
• Phase shift induced by passive components
• Resonant circuits: Give an example of a simple resonant circuit, its resonant frequency and what

the Q value is and what it means.

Lærebok: Neil Storey, Electronics A Systems Approach

Chapter 3: Amplification

• Definition of amplification
  • Forsterkningen av en størrelse er forholdet mellom den forsterkede størrelsen <math>X_o</math> og den uforsterkede <math>X_i</math>. Vi definerer:

voltage gain (<math>A_V</math>) <math> = \frac{V_o}{V_i}</math>

current gain (<math>A_I</math>) <math> = \frac{I_o}{I_i}</math>

power gain (<math>A_P</math>) <math> = \frac{P_o}{P_i}</math>

• • Ofte oppgis gain i dB. Da har vi:

voltage gain (<math>A_V</math>) <math> = 10 \cdot \log(\frac{V_o}{V_i})</math>

current gain (<math>A_I</math>) <math> = 10 \cdot \log(\frac{I_o}{I_i})</math>

power gain (<math>A_P</math>) <math> = 10 \cdot \log(\frac{P_o}{P_i}) = 20 \cdot \log(\frac{V_o}{V_i})</math>

• Simple High-pass and Low-pass filters including their Bode dagrams (Both amplification and

phase)

Chapter 4: Control and Feedback

• Negative feedback
• The advantage of using feedback amplifiers

Chapter 5: Operational Amplifiers

• A simple operational amplifier based non-inverting amplifier
• A simple operational amplifier based inverting amplifier
• Characteristics for an ideal operational amplifier compared to a non-ideal (real world) operational amplifier
• Frequency dependence of amplification and how it is influenced by feedback
• How the input and output impedance are influenced by feedback

Chapter 6: Semiconductors and Diodes

• How the ideal diode work and its typical applications
  • One could characterise an ideal diode as a component that conducts no current when voltage is applied across it in one direction, but appears as a short circuit when a voltage is applied in the other direction.
  • Diode circuit symbol: an arrow pointing in the direction of forward current.
  • Wide range of applications: rectification of alternating voltages (AC to DC), Voltage control (Zener diodes), demodulation (making an AM signal meaningful), signal clamping.
• Describe the electrical properties of insulators, semi-conductors and metals in a simple energy band model
  • Semi-conductors: Fermi level is between the conduction and valence bands, i.e. in an area of low density of states. The valence and conduction bands are close enough (~less than 2-3 eV) to allow considerable excitation of electrons by increasing temperature or doping.
• Give a simple description of “doping” and how it influences the material
  • In silicon: boron-> p-type, phosphorus-> n-type.
• How a PN diode functions and its I-V characteristic
  • Due to diffusion of charge in a pn-junction a voltage barrier is created between the p and n type semiconductors. This voltage barrier can either be enhanced or decreased depending on the direction current is sent through the depletion layer.
• The function of a Zener diode
  • Voltage control (protection of a circuit from too high voltage values, or to make voltage output constant).

Chapter 7: Field-Effect Transistors

• The construction and function of the different sorts of field-effect transistor
  • Husk på at navngivingen Drain og Source er motsatt av det man skulle tro, dvs positiv strøm går fra Drain til Source.
  • MOSFET: Bruker figur 7.4 s 173: Er en positiv spenning V(ds)=V(d) - V(s) mellom Drain og Source. Tilkoblingen på høyre side er Substratet, denne er gjerne jordet og setter nullpunkt for systemet (den er heller ikke noe videre forklart i boka, så tipper den har lite relevans). Gaten på venstre side er isolert fra halvlederen ved et MO-lag(MetallOksid). Setter vi på en positiv spenning over gaten, vil de negative ladningsbærerne fra P-feltet "trekkes" over mot N-feltet, og depletion-layeret vil bli mindre, dermed blir det flere ladningsbærere som kan sende strøm, og det går mer strøm. Om spenningen er negativ, vil på samme måte elektronene i N-laget "skyves" inn i P-laget, dvs depletion-lageret blir større.
    • DE MOSFET - Depletion - Enhancement MOSFET: som beskrevet overfor, kan gi signal både for positiv og negativ Gate-spenning.
    • Enhanced MOSFET - her går P-laget i figur 7.4 fra høyre side av transistoren og helt inn til gaten, dvs det er ikke et N-lag mellom P-laget og gaten. Poenget med denne MOSFETen er at man hele tiden må ha en positiv spenning på gaten. Da dras de få ledende elektronene i P-laget inn mot gaten, og det lages en "bro" av elektroner som kan lede strøm mellom Source og Drain.
  • JFET: Bruker figur 7.7 s 175: I denne transistoren må Gate-spenningen alltid være negativ for at det ikke skal gå noen strøm gjennom gaten(her er det ikke noe MO-lag mellom gaten og halvlederen). Poenget med denne FET-en er at man bruker Reverse Bias-egenskapene ved halvlederen til å regulere strømmen mellom Source og Drain. Dvs, jo mer spenning man setter på "feil vei" fra Source til Gate, jo større vil depletion-laget være (figur b), og dermed er det færre ladningsbærere som kan sende strøm fra Drain til Source. Hadde man satt på en positiv strøm, ville strømmen gå fra Gate til Source som i en diode.
  • Symboler: Sammenlign figur 7.3 og figur 7.5: Dette er logisk, for MOSFET er det ikke kontakt mellom Gate og Source-Drain. Samtidig er Enhancement tegnet med stiplet linje, for der er det ikke kontakt mellom Source- og Drain-lagene. Generelt for alle transistorsymboler går pilen i Substrate eller Gain fra P-dopet til N-dopet i den fysiske transistoren

På samme måte for figur 7.6 og 7.8: Her er Gaten fysisk koblet til transistoren, så også i symbolet.

• How a transistor is used in a simple amplifier
• The I-V characteristics for the different sorts of field-effect transistors

Chapter 8: Bipolar Juction Transistors

• How a bipolar transistor works
  • Tar for oss en NPN-transistor (for figur, se boka s. 224)
  • Denne består av et tungt N-dopet Emitter-lag (tilsvarer Source i MOSFET), et tynt, relativt svakt P-dopet Base-lag (tilsvarer Gate), og et N-dopet Collector-lag (Drain).
  • Har positiv spenning fra Collector til Emitter - Om Base er åpen, vil det gå en liten strøm I(CEO) fra Collector til Emitter. Setter man opp en positiv strøm fra Base til Emitter, vil elektroner gå motsatt vei, fra Emitter til Base, som i en vanlig diode. Forskjellen er at siden Emitter er sterkt N-dopet og Base er svakt P-dopet, vil ladningsbærerne i Base-laget også være elektroner. I overgangen mellom Base og Collector vil det som i alle p-n-overganger være et depletion layer med positiv ladning på N-siden og negativ ladning på P-siden. Siden P-laget er så tynt, vil elektronene som kommer fra Emitter og over i P-laget merke et positivt elektrisk felt fra Collector-siden og bli trukket over til Collector. Strømmen fra B til E er liten sammenlignet med strømmen fra C til E.
  • To viktige karakteristikker for en Bipolar Transistor:
    • Emitter et tungt dopet og Base er svakt dopet - siden det i dette P-N-systemet er flest negative ladningsbærere, vil ladningsbærerne i Base være elektroner, og disse vil tiltrekkes av det positive feltet i Collector.
    • Base er tynn - Dersom ikke Base var tynn, ville elektronene bare gått fra Emitter til Base som i en vanlig diode.
  • En bipolar transistor gjør om et strømsignal til en ut-strøm, i motsetning til FET, der man bruker spenning som input.

Chapter 9: Power Electronics

• The different classes of power amplifiers
  • Det viktige i dette kapitlet er hva slags ut-signal de forskjellige forsterkerklassene gir og hvor effektive de er. Dere kommer til å se en grei linearitet i dette, og klassene er logisk delt inn.
  • Effekten måles i % og er gitt ved E=(Effekten forbrukt i lasten)/(Effekten fra kraftforsyningen)
    • Klasse A (s 291 for illustrasjoner): En effektforsterker som overfører hele signalet fra inputen. Mindre fare for distortion, men effektiviteten har et maksimum på ca. 25 prosent.
    • Klasse B (s 292) : Overfører 50 prosent av signalet fra inputen, dvs enten den positive eller negative delen av et sinussignal. Effektiviteten kan komme opp i 78 prosent, men faren for distortion er større.
    • Klasse AB (s 292) : Overfører mellom 50 og 100 prosent av inn-signalet, kutter gjerne av toppen eller bunnen av sinussignaler. Effektiviteten et sted mellom A og B, og samme med mengden distortion.
    • Klasse C (s 293) : Gir ut-signal for under 50 prosent av sinusbølgen, f.eks. signal for topp eller bunn i sinussignalet. Effektiviteten kommer opp mot 100 prosent.
    • Klasse D (s 293) : Gir av eller på-signal med uendelig resistans når den er av, og null resistans når den er på.
• How TRIAC’s and thyristors are used within power control circuits
  • En Thyristor (s 301) kan forstås som en sammensetning av to bipolare transistorer. Den fungerer slik at om man gir et signal i gaten, vil det gå strøm fra anoden(a) til katoden(c) så lenge V(a) - V(c) er positiv. Om spenningen snus, stopper signalet. Thyristorer brukes i en krets for å kun gi en del av en AC-strøm. Den må trigges i gaten for å starte, og så leder den strøm fram til spenningen blir negativ (s 302).
  • En Triac er en bidireksjonal Thyristor, dvs den kan fungere både når spenningen fra (a) til (c) er negativ OG positiv, men den slår seg i begge tilfeller av når spenningen blir ~0.
• The different ways to convert AC-DC as well as the advantages and disadvantages of the different methods

Chapter 10: Analogue Signal Processing

• The difference between a Butterworth, Chebyshev and Bessel filter
• Sketch out a general measurement system, explain where you think the best places to filter the signal are and why

Chapter 11: Positive Feedback, Oscillatiors and Stability

• Positive feedback and the Barkhausen criteria

Chapter 12: Digital Systems

• The difference between combinational and sequential logic
• Reducing a logical expression with the aid of Boolean algebra or the Karnough diagram

Chapter 13: Sequential Logic

• The function and workings of: Bi-stable, mono-stable and astable sequential logic
• The function and workings of a shift register and counter

Chapter 14: Digital Devices

• How transistors are used within digital electronics
• The important parameters for the TTL and CMOS digital-logic families
• How one couples to an open collector logical circuit

Chapter 15: Array Logic

• The function of PLA, PAL, GAL, EPLD, PEEL, PROM, FPGA
• Describing the building up of a micro-computer

Eksterne linker

• NTNUs fagbeskrivelse
• Timeplan Høst10
• Guide: Elektronikkens verden - del 1
• Guide: Elektronikkens verden - del 2
• Guide: Elektronikkens verden - del 3