Elementy i układy elektroniczne

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

UKEL

1

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zagadnieniami z dziedziny podstaw elektrotechniki, teorii obwodów i układów elektronicznych w kontekście cyberbezpieczeństwa. Elementy elektroniczne stanowią najniższy (sprzętowy) poziom implementacji systemów i algorytmów, który bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo przetwarzanych informacji. Podstawowa znajomość praw opisujących proste obwody elektryczne oraz zasady działania elementów elektronicznych, umożliwią wyrobienie intuicji studentów w zakresie właściwości elementów elektronicznych, a w konsekwencji bardziej złożonych podzespołów elektronicznych, takich jak bramki cyfrowe, układy programowalne czy układy mikroprocesorowe.

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zagadnieniami z dziedziny podstaw elektrotechniki, teorii obwodów i układów elektronicznych w kontekście cyberbezpieczeństwa. Elementy elektroniczne stanowią najniższy (sprzętowy) poziom implementacji systemów i algorytmów, który bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo przetwarzanych informacji. Podstawowa znajomość praw opisujących proste obwody elektryczne oraz zasady działania elementów elektronicznych, umożliwią wyrobienie intuicji studentów w zakresie właściwości elementów elektronicznych, a w konsekwencji bardziej złożonych podzespołów elektronicznych, takich jak bramki cyfrowe, układy programowalne czy układy mikroprocesorowe.

Treść wykładu

1. Wprowadzenie. Krótki rys historyczny, współczesne trendy w elektronice. Elektronika z punktu widzenia technik informacyjnych. Nowoczesne metody implementacji układów elektronicznych i syntezy systemów. Konsekwencje i zagrożenia płynące z implementacji sprzętowej dla cyberbezpieczeństwa.
2. Definicje wielkości fizycznych i ich pomiary w elektronice. Prąd stały i zmienny, rezystancja, reaktancja. Chwilowe, średnie i skuteczne natężenie prądu, napięcie, moc. Metody pomiaru wielkości średnich i chwilowych (natężenia prądu, napięcia i mocy) przy pomocy nowoczesnej aparatury pomiarowej (oscyloskop cyfrowy).
3. Podstawowe elementy, techniki i prawa stosowane w opisie teorioobwodowym elementów i układów elektronicznych. Źródła napięciowe, prądowe, sterowane. Proste modele zastępcze: zasada Thevenina, Nortona, wykorzystanie metody superpozycji, Prawa Kirchhoffa, równania obwodowe dla prądu stałego i zmiennego, modele małosygnałowe, rezystancja w obwodzie prądu stałego i rezystancja różniczkowa. Wielowrotnik (dwójnik, czwórnik), metody opisu.
4. Podstawowe elementy bierne i ich właściwości fizyczne dla prądu stałego i zmiennego. Cewka, kondensator, rezystor, transformator. Modele idealne i rzeczywiste elementów biernych, typy, szeregi.
5. Proste obwody złożone z elementów biernych: dzielniki rezystancyjne, obwody RC, LC, dzielniki reaktancyjne, analiza prostych obwodów pasmowoprzepustowych, charakterystyka amplitudowa i fazowa, pasmo, odpowiedź impulsowa i jej związek z częstotliwością graniczną.
6. Półprzewodnik samoistny i domieszkowany, zasada działania złącza PN. Tranzystor bipolarny – model „kanapkowy”.
7. Tranzystor unipolarny JFET i MOSFET. Zasada działania, różnice tranzystorów BJT i FET. Model Schockley’a i Shichmana-Hodgesa. Tranzystor MOSFET z krótką i długą bramką. Przykłady zastosowań tych tranzystorów we współczesnej elektronice i systemach cyfrowych.
8. Tranzystory jako elementy aktywne: tranzystor bipolarny, polowy widziane zaciskowo. Opis czwórnikowy, linearyzacja nieliniowych elementów aktywnych. Punkt pracy i jego wpływ na parametry czwórnikowe. Analiza AC i DC prostych obwodów z elementami aktywnymi, tj. tranzystorem bipolarnym i unipolarnym.
9. Tranzystor jako wzmacniacz. Tranzystor jako przełącznik.
10. Wzmacniacz operacyjny jako źródło napięciowe sterowane napięciowo:
    • wzmacniacz operacyjny, jego model idealny i podstawowe parametry;
    • aplikacje wzmacniacza operacyjnego.
11. Bramka logiczna/układ cyfrowy jako element aktywny nieliniowy o charakterystyce zbliżonej do sigmoidalnej. Podstawowe układy cyfrowe: inwerter CMOS, klucz tranzystorowy, bramka NOR, NAND. Parametry dynamiczne i statyczne.
12. Chwilowe natężenie prądu, chwilowa moc, ulot elektromagnetyczny elementu i układu elektronicznego jako źródła informacji w kontekście cyberbezpieczeństwa.

Zakres laboratorium

Laboratorium to ciąg pięciu spotkań, gdzie studenci w praktyce będą mogli empirycznie zweryfikować najważniejsze treści wykładu. Każde spotkanie laboratoryjne trwa po 3 godziny.

1. Prąd stały, zmienny, metody pomiarów napięcia, natężenia prądu i rezystancji.
2. Tranzystor bipolarny: charakterystyki i podstawowe aplikacje.
3. Tranzystor unipolarny: charakterystyki i podstawowe aplikacje.
4. Wzmacniacz operacyjny: właściwości i aplikacje.
5. Podstawowe układy cyfrowe, wykorzystanie pomiaru chwilowego prądu zasilania i ulotu elektromagnetycznego do identyfikacji procesu przełączania.

Zakres projektu

Zadania projektowe realizowane są z wykorzystaniem elementarnych metod analitycznych oraz symulacji komputerowej w środowisku Matlab i/lub Spice. Ich tematyka koncentruje się na następujących elementach i układach:

• wykorzystanie środowiska Matlab i SPICE do wyznaczania charakterystyk częstotliwościowych i odpowiedzi czasowych prostych dwójników i czwórników,
• analiza pracy małosygnałowej i wielkosygnałowej tranzystorów bipolarnych i FET,
• symulacja prostych układów ze wzmacniaczami operacyjnymi i bramkami.

Literatura:

• U. Tietze, Ch. Schenk, "Układy półprzewodnikowe", WNT 2009.
• P. Horowitz, P. Hill, "Sztuka elektroniki", WKiŁ 2013.
• M. Rusek, J.Pasierbiński, "Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach", WNT, 2006.
• R. Jacob Baker, "CMOS: Circuit Design, Layout and Simulation", Wiley, IEEE press, 2010.

Oprogramowanie:

Symulator obwodowy SPICE, środowisko Matlab, system operacyjny Windows lub Linux.

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych