Detail předmětu

Design of Electronic Circuits

FEKT-BPA-DECAk. rok: 2020/2021

Předmět se věnuje základním pasivním i aktivním součástkám pro elektronické obvody. Popisuje principy, vlastnosti a aplikace reálných součástek a seznamuje s jejich základním portfoliem. V předmětu jsou uvedeny základní zapojení analogových obvodů s bipolárními i unipolárními tranzistory a s operačními zesilovači. U těchto zapojení jsou uváděny jejich parametry, vlastnosti i oblasti využití. Důraz je kladen na způsob výběru vhodných typů součástek. V předmětu jsou dále popisovány zásady konstrukce elektronických obvodů z hlediska problematiky jejich napájení, minimalizace parazitních jevů a chlazení jednotlivých součástek. Jsou popsány i základy konstruování obvodů, zejména výroba a osazování DPS, ale též základní problematika mechanické konstrukce elektronických zařízení (konektory, ovládací a indikační prvky, přístrojové skříně).
Cvičení jsou zaměřena na procvičení praktických návrhů základních typů obvodů a výběru vhodných součástek. Cvičení jsou doplněna simulacemi na počítači, ve kterých si studenti ověří vlastnosti typických obvodů s tranzistory a operačními zesilovači. V předmětu si studenti osvojí práci s obvodovým simulátorem MicroCap a obeznámí se i s některými pokročilejšími typy analýz a funkcemi programu, jako je matematický rozbor signálů (např. FFT) a pokročilé funkce grafického výstupu programu. Dále se naučí využívat systém Eagle pro návrh DPS. V praktické laboratorní výuce se studenti naučí pájení součástek THT i SMT, osadí si DPS vyrobené dle vlastního návrhu a naučí se metodice oživování elektronických obvodů. Na oživeném zařízení poté změří jeho parametry a srovnají je s parametry původního simulovaného návrhu.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

6

Garant předmětu

doc. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav teoretické a experimentální elektrotechniky (UTEE)

Výsledky učení předmětu

Absolvent získá znalosti základního portfolia pasivních a aktivních součástek pro analogové elektronické obvody. Bude umět vybrat konkrétní vhodné typy součástek pro navrhovanou aplikaci podle katalogových údajů a bude znát aplikační zásady pro různé obvodové prvky. Student bude umět aplikovat typická obvodová zapojení s bipolárními i unipolárními tranzistory a s operačními zesilovači. Naučí se navrhovat jednodušší elektronické analogové obvody včetně jejich napájecích zdrojů, verifikovat vlastnosti navrženého obvodu pomocí obvodového simulátoru a případně optimalizovat požadované parametry. Naučí se vyhledávat a eliminovat možné problémy v návrhu obvodů i desek plošných spojů. Absolvent bude schopen navrhnout vhodné řešení signálových a napájecí rozvodů, vhodný způsob odvodu tepla z výkonových součástek.

Prerekvizity

Student musí pro úspěšné zvládnutí předmětu ovládat obsah předmětu Elektrotechnika 1 a 2. Vhodná je i základní znalost fyziky polovodičů.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a cvičení na počítači. Předmět využívá e-learning.

Způsob a kritéria hodnocení

Celkové hodnocení předmětu max. 100 bodů. Z toho celkem 30 b. za písemné testy ve cvičeních a 70 b. za závěrečnou písemnou zkoušku. Podmínkou udělení zápočtu je zisk minimálně 15 b. z testů. Podmínkou úspěšného ukončení předmětu je získání zápočtu a vykonání závěrečné zkoušky. Celkový dosažený počet bodů pro absolvování předmětu musí být minimálně 50.

Osnovy výuky

1.Pasivní elektronické součástky. Reálné pasivní součástky: rezistor, kondenzátor, cívka, transformátor. Parazitní vlastnosti, náhradní obvody, oblasti použití, vlastní šum. Spolehlivost reálných součástek. Speciální pasivní součástky: varistor, termistor, fotorezistor, Peltiérův článek.
2. Metodika návrhu analogových elektronických obvodů. Obecné zásady a postupy při navrhování elektronických obvodů, počítačová podpora návrhu obvodů.
3. Přechod PN a diody. Přechod PN v propustném a závěrném směru. Mechanismus přenosu proudu v propustném a v závěrném směru. Kapacita přechodu PN. AV charakteristika přechodu PN. Průrazy přechodu PN a jejich využití. Typy diod, jejich vlastnosti a užití: usměrňovací, stabilizační, Schottkyho, transil a další speciální typy. Optoelektronické prvky - fotodioda, lavinová dioda, LED, laserová dioda.
4. Unipolární tranzistory. Unipolární tranzistor (FET): struktura, režimy činnosti a modely. Porovnání s BT. Základní vlastnosti tranzistorů J-FET, MOSFET. Výkonové tranzistory. Tranzistor IGBT: struktura, vlastnosti.
Zásady práce s bipolárními a unipolárními tranzistory.
5. Obvody s tranzistory. Napěťový zesilovač s bipolárním tranzistorem v zapojení SE: nastavení pracovního bodu, napěťové zesílení a vstupní odpor. Zesilovač třídy, A, B, AB. Emitorový sledovač. Rozdílový zesilovač s BT. BT jako spínač. BT jako proudový zdroj. Proudové zrcadlo. Darlingtonovo zapojení. FET jako zesilovač. FET jako spínač: vlastnosti, aplikace - analogové a digitální spínače, multiplexery. FET jako řízený odpor.
6. Vícevrstvé spínací struktury. Tyristor, základní struktura, funkce, náhradní schéma. AV charakteristika tyristoru. Spínání a vypínání tyristoru. Speciální druhy tyristorů. Triak, diak, trisil. Použití spínacích prvků. Princip fázového řízení.
7. Operační zesilovače. Základní vlastnosti OZ – ideální operační zesilovač. Vlastnosti reálného operačního zesilovače. Zpětná vazba, stabilita obvodu. Invertující a neinvertující zapojení. Vlastnosti OZ se vstupními obvody BT a FET. Typy výstupních obvodů OZ. Šumy operačních zesilovačů. Zásady pro práci s OZ.
8. Obvody s operačními zesilovači. Rozdílový a součtový zesilovač s OZ, sledovač. Přístrojový zesilovač. Oddělovací zesilovač. Aktivní usměrňovač s OZ. Integrační a derivační zesilovač. Komparátor, komparátor s hysterezí. Převodníky I/U, funkční převodníky. Oscilátory s OZ. Aktivní kmitočtové filtry.
9. Stabilizátory napětí a proudu. Usměrňovače a filtry v napájecích zdrojích. Parametrické stabilizátory napětí. Lineární stabilizátory napětí. Napěťové reference. Pevné a nastavitelné lineární integrované stabilizátory napětí. Stabilizátory proudu. Spínané stabilizátory: principy, základní zapojení a vlastnosti.
10. Aplikační zásady při návrhu analogových elektronických obvodů. Výběr součástek a aplikační zásady. Napájení a zemnění v reálných obvodech. Signálové rozvody. Parazitní jevy a jejich potlačení. Napěťový a výkonový derating součástek. Ochrana proti přepětí a přetížení. Chlazení elektronických součástek. Časté chyby při návrhu analogových obvodů.
11. Technologie montáže, plošné spoje. Plošný spoj: způsob návrhu, technologie montáže, základní zásady návrhu DPS a časté chyby. Technologie pájení. Chyby pájení.
12. Základy konstrukce elektronických obvodů. Mechanická konstrukce, ovládací a indikační prvky. Konstrukční požadavky z hlediska bezpečnosti.

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty s portfoliem základních reálných elektronických součástek, s jejich vlastnostmi a použitím, dále se základními analogovými obvody s tranzistory a operačními zesilovači a s obvody pro napájení elektronických obvodů. Studenti se seznámí s praktickými zásadami konstrukce elektronických obvodů a zařízení.

Základní literatura

LINEAR TECHNOLOGY: Analog Circuit Design - A Tutorial Guide to Applications and Solutions. Linear Technology, 2011. ISBN 978-0-12-385185-7 (EN)
HOROWITZ, P.; HILL, W. The Art of Electronics (2nd Edition). Cambridge University Press, 1989. ISBN 978-0-521-37095-7 (EN)
BOYLESTAD, R. L. Introductory Circuit Analysis (13th Edition). Pearson 2015. ISBN 978-1292098951 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BPA-ELE bakalářský

    specializace BPA-ECT , 2. ročník, letní semestr, povinný
    specializace BPA-PSA , 2. ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.

Cvičení na počítači

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.

Osnova

1. Obvodový simulátor MicroCap – úvodní seznámení
2. Obvodový simulátor MicroCap – pokročilejší typy analýz a funkce programu
3. Obvodový simulátor MicroCap – generátory signálu, analýza signálů, matematické funkce, grafy
4. Usměrňovače a napájecí filtry
5. Parametrické stabilizátory napětí. Ochrana proti přepětí při spínání indukční zátěže
6. Zesilovače s BP a FET, nastavení pracovního bodu, zesílení a vstupní odpor
7. Tranzistor jako spínač. Rychlost spínání
8. Tyristor a triak. Fázová regulace
9. Návrh jednoduchého obvodu, jeho simulace a optimalizace v programu MicroCap
10. Praktický návrh DPS v systému Eagle
11. Simulace zapojení s OZ. Analýza šumu
12. Kmitočtové filtry
13. Zápočtový test

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.

Osnova

1. Organizační pokyny, pravidla práce v laboratoři
2. Práce s měřicími přístroji, pravidla použití
3. Pasivní a aktivní usměrňovač a jejich vlastnosti
4. Napájecí zdroje – měření lineárního zdroje napětí
5. Zdroj konstantního proudu
6. Zesilovače s bipolárním tranzistorem, nastavení pracovního bodu, zesílení a vstupní odpor
7. Tranzistor jako spínač
8. Tyristor a triak. Fázová regulace výkonu
9. Spínaný zdroj blokující
10. Praktika z pájení SMT a THT
11. Praktická realizace: osazení obvodu ve smíšené technologii (SMT, THT)
12. Praktická realizace: oživení obvodu, měření jeho parametrů
13. Praktická realizace: porovnání dosažených parametrů se simulací, zhodnocení