電子回路基礎

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よりとしこいまる
5 years ago
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1 電子回路基礎アナログ電子回路デジタル電子回路の基礎と応用月曜 2 時限目教室 :D205 天野英晴 hunga@am.ics.keio.ac.jp

2 講義の構成第 1 部アナログ電子回路 (4/7, 4/14, 4/21, 5/12, 5/19) 1 ダイオードの動作と回路 2 トランジスタの動作と増幅回路 3 トランジスタ増幅回路の小信号等価回路 4 演算増幅器の動作 5 演算増幅器を使った各種回路の解析

3 講義の構成第 2 部デジタル電子回路 (5/26, 6/2, 6/9: まっちゃん, 6/16, 6/23: まっちゃん, 6/30, 6/30, 7/7, 7/14) 6 ディジタル回路とは? CMOSの基本回路 7 CMOSの動作原理とレイアウト 8 CMOSの静特性と動特性 9 BJTを使ったディジタル回路 10 特殊な入出力 11 フリップフロップの動作原理基本回路 12 フリップフロップの動特性とStatic Timing Analysis 13 メモリ回路 14 FPGA 設計 15 ASIC 設計

4 講義資料参考書高橋進一, 岡田英史共著, 培風館, 電子回路天野英晴コロナ社ディジタル設計者のための電子回路講義で使う電子資料 : で配布演習の結果は keio.jp で公開

5 コンピュータ実習 ( 重野先生 ) からの伝言コンピュータ実習では, 第一回から MS- Windows 等で実習を行います. アカウントやパスワードの確認し, ログインできるように準備しておいてください. パスワードが分からない場合は,ITC の窓口で, パスワードのリセットを依頼できます.

6 第 1 部アナログ電子回路

7 講義予定 0. 電子回路を学ぶ前にテキスト1 章 1. ダイオードの動作と回路テキスト2 章 2. トランジスタの動作と増幅回路テキスト3 章 3. トランジスタ増幅回路のテキスト4 章小信号等価回路 4. 演算増幅器の動作テキスト5 章 5. 演算増幅器を使った各種回路の解析テキスト5 章

8 0. 電子回路を学ぶ前に関連科目と電子回路の関連情報機器の基盤技術 : 電子回路アナログとディジタル連続と離散素子と回路自由と拘束線形と非線形理想と現実電気回路と電子回路の基礎

9 関連科目と電子回路の関連空間電荷表面電界空間に分布素子に集中線型非線型アナログディジタル電磁気学電気回路電子回路論理回路 dv diveds 抵抗 q R ダイオードトランジスタ演算回路 LSI i idt 1 コンデンサ Cv 素子 v

10 情報機器の基盤技術 : 電子回路オーディオアンプトランジスタダイオードオペアンプ ( 演算増幅器 )

11 アナログ波形

12 連続と離散アナログとディジタル連続な電圧変化標本化離散的な電圧計測値 +v x x (t ) x 7 +v x x k x 7 x 6 x 6 x 5 x 5 x 4 x 4 x 3 t x 3 t x 2 x 2 x 1 x 1 -v x 0 連続な電圧値量子化 8 種類の電圧値 -v x 0

13 なぜアナログを? 本当はディジタルの方が簡単なのでそちらを先にやりたい基本的にアナログ電子回路は電子工学科の領分今何でもディジタルなのになぜアナログを? 計算機基礎との関係論理設計をやってからの方がディジタル回路の解説がうまく行く今はやりはミックスドアナログディジタル日本半導体の一部はこれで生きようとしている

m-controller Network IF Network IF MIPS CPU

14 m-controller Network IF Network IF MIPS CPU Core TEG TCI Tx TCI Rx Host CPU Chip TCI Rx Host C Accelerato Accelerato 8x8 PE Array Tx Tx Rx Accelerato Host CPU + Accelerator x3 Chip Stack Fabricated in 65nm CMOS Accelerator Chip Microphotograph of stacked test chips.

15 自由と拘束素子と回路 i 1 R v i v R q idt Cv q q i v E C v E i E v R v C R dq dt 1 C q v

16 線形と非線形理想と現実 i i 範囲 v v

17 線形と非線形理論式と実験結果 i i av i a bv i cv 2 dv 3 i bv dv 3 v v i i(v ) i i(v ) D 2 v ( i( v ) av ) 2

18 電気回路と電子回路電気回路の基本的性質電気回路素子の性質インピーダンス

19 キルヒホフの法則

20 交流と直流

21 電圧源電流源

22 基本電気回路素子の性質

23 各素子のインピーダンス

24 回路素子の直列並列接続

25 1. ダイオードの動作と回路半導体の動作原理ダイオードの動作ダイオード回路バイポーラトランジスタの動作電界効果トランジスタの動作

26 例 : シリコン自由電子数 = 正孔数真性半導体

27 不純物半導体 (n 型半導体 ) 5 価の不純物としてヒ素 As を Si に混入自由電子が発生 ( ドナー )

28 不純物半導体 (p 型半導体 ) 3 価の不純物としてホウ素 B を Si に混入電子が不足し正孔が発生 ( アクセプタ )

29 ダイオード pn 接合 (p 型半導体と n 型半導体の接合 )

30 ダイオードの動作 ( 電圧未印加 ) + ー正孔 (+) 電子 (-) 空乏層にはキャリア ( 正孔や電子 ) が存在しない

31 ダイオードの動作 ( 電圧印加 ) P 型半導体 N 型半導体 P 型半導体 N 型半導体多数キャリア (p 型における正孔, n 型における電子 ) が移動し, 電流として流れる尐数キャリア (p 型における電子, n 型における正孔 ) の移動はあるが, 数が尐ないため電流にはならない

32 ダイオードの電流 - 電圧特性 V TH 0.7V

33 ダイオード回路 E V D V R V D RI D I E D V D R 1 R E-I D 特性は?

34 ダイオード特性理想近似現実 if V D 0, ON (V D =0, I D >0) If V D < 0, OFF (V D <0, I D =0) if V D 0.7, ON (V D =0.7, I D >0) If V D < 0.7, OFF (V D <0.7, I D =0)

35 ダイオード回路の特性流れる流れない I E D V D R 1 R I D 1 I D R E I D I D I D 1 R ( E 0.7 ) 理想現実近似 E E E

36 現実ダイオード特性によるダイオード回路解析 I E D V D R 1 R 回路の特性ダイオードの特性連立方程式 -

37 で特に指定の無い限り近似ダイオードと考えておけば十分回路の特性 I E-I D 特性 E D V D R ダイオードの特性 if V D 0.7, ON 1 R (V D =0.7, I D >0) If V D < 0.7, OFF (V D <0, I D =0) I D 1 R ( E 0.7 )

38 ダイオードを利用した回路例リミッタ回路

39 ダイオードを利用した回路例整流回路電圧の振幅 ( 最大値 ):V 1.4V 電流の最大値 :(V-1.4)/R

40 身の回りのダイオード LED(Light Emitting Diode: 発光ダイオード )

41 発光ダイオード順方向電流を流すことで発光通常のダイオードより ON 電圧が高い 2.1V-3.5V 赤が一番簡単で安い黄緑青の順に難しくなり高くなる中村修二さんによる高輝度青色発光ダイオードの発明の話は有名だよ! 知っておこう発光ダイオードを明るく光らせるためにはどうすればよいか? 発光ダイオードを直接電源につないだらどうなるか?

42 電流が流れれば 0.7V 低下する Vcc Vcc 0.7VでON R ON Y=0.7V R Y R VY VY VY=(Vcc-0.7)/ V 0.7V VY=Vcc I Vcc I Vcc I=(Vcc-0.7)/R I=(Vcc-0.7)/2R Vcc

43 問題 : R, ダイオードに流れる電流 I と直流電源電圧 Eの関係をグラフにしなさい図ではダイオードが2つだがダイオードが1つの場合と2つの場合について答えなさいただし, 閾値電圧 0.7Vの近似ダイオードとする. R1 E 1k 1.2k E 5V R2

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