Číslicové a analogové obvody

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra číslicového návrhu

Anotace:

Základy analogových obvodů, základy číslicových obvodů. Matematický popis obvodů. Analýza obvodů. Návrh jednoduchých obvodů, výpočet jejich parametrů. Znalost SW Mathematica.

Požadavky:

Středoškolská matematika a fyzika.

Osnova přednášek:

1. Soustředěné vs. rozptýlené parametry, přechody mezi nimi. Stavové veličiny a parametry obvodu (odpor, kapacita, indukčnost). Zdroje proudu a napětí, spojení, základy obvodových rovnic. Náhrada prvků zdrojem proudu či napětí, obvodové rovnice. Sériové a paralelní řazení shodných prvků. Numerická matematika pro řešení rovnic popisujících elektrické obvody.

2. Obvodové rovnice, metoda uzlových napětí a smyčkových proudů. Stejnosměrné obvody. Digitální abstrakce, Boolská logika, boolské funkce (negace, NAND, NOR, AND, OR, sum-of-products), spínače typu N a typu P, implementace logických hradel pomocí spínačů typu N a spínačů typu P.

3. Polovodiče, vlastnosti. Základní nelineární prvky vyskytující se v elektrických obvodech (diody, ...), charakteristiky, linearizace. MOSFET. MOSFET jako zesilovač. MOSFET jako spínač.

4. Struktury logických prvků (technologie CMOS, fyzická struktura, logická hradla, multiplexery, třístavové budiče, hladinové klopné obvody, hranové klopné obvody) Harmonický ustálený stav s jednou frekvencí, přenos.

5. Rezonanční obvody; rovnice, časové průběhy veličin včetně výkonů. Měření a ukázka ladění. Homogenní vedení (různé přístupy, základní ukázky zakončení atd.). Zpoždění signálů v číslicových systémech. Symetrická vedení, asymetrická vedení

6. Výkon. Střední a efektivní hodnota. Jalový výkon. Energie a výkon v číslicových systémech (energie a výkon v jednoduchém RC obvodu, spotřeba energie v logických hradlech, NMOS logika, CMOS logika) Řízené zdroje a magneticky vázané obvody.Transformátory.

7. Operační zesilovače, komparátory (vlastnosti, jednoduchý obvod s OZ, vstupni a výstupní odpor, příklady, RC obvody s OZ, OZ v saturaci, kladná zpětná vazba, dvoubran).

Osnova cvičení:

1. Základy SW Mathematica pro řešení rovnic různých typů. Přechodový jev 1. řádu: osciloskop, vlastní numerika, NDSolve. Složitější obvod, měření, výpočet. Stejnosměrné obvody, Digitální abstrakce. Polovodiče. Tranzistor. Struktury logických prvků.

2. Harmonický ustálený stav s jednou frekvencí, případně obrácená úloha (určete parametr obvodu měřením a výpočtem). Rezonanční obvody; rovnice, časové průběhy veličin včetně výkonu. Měření a ukázka ladění. Fourier (hraní si numerické i experimentální). Homogenní vedení (různé přístupy, základní ukázky zakončení atd.), ukázky odrazů, přizpůsobení. Zpoždění signálů. Výkon. Střední a efektivní hodnota. Jalový výkon. Energie a výkon v číslicových systémech. Operační zesilovače.

Cíle studia:

Cílem předmětu je osvojit si teoretické základy číslicových a analogových obvodů a základní metody jejich řešení. Studenti se dozvědí, jak vypadají struktury počítače na nejnižší úrovni. Seznámí se s funkcí tranzistoru. Proč procesor topí, je ho potřeba chladit a jak spotřebu snížit. Čím je omezena maximální frekvence a jak ji zvýšit. Proč je potřeba sběrnici počítače zakončovat, co se stane, když ji nezakončí. Jak (principiálně) vypadá napájecí zdroj počítače. Na cvičeních budou studenti provádět měření na obvodech. Obvody budou také sami navrhovat, některé návrhy budou ověřovat na přípravcích. Pro řešení budou používat SW Mathematica.

Studijní materiály:

Agarwal, A., Lang, J. H. ''Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits''. Morgan Kaufmann, 2005. ISBN 1558607358.

Agarwal, A., Lang, J.H.: Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits, Elesevier 2005

Poznámka:

Informace o předmětu a výukové materiály naleznete na https://courses.fit.cvut.cz/BI-CAO/

Další informace:

https://courses.fit.cvut.cz/BI-CAO/

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bc. program Informatika, pro fázi studia bez oboru, kombi., 2015 - 2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Bezpečnost a informační technologie, kombi., 2015 - 2019 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Webové a softwarové inženýrství, zaměření Softwarové inženýrství, kombi., 2015 - 2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Bezpečnost a informační technologie, kombinovaná forma studia, 2020 (povinný předmět programu)