Elektronik 3

Start und EKG

Prof. Dr. Jörg Vollrath

Elektronik 3

Buch: Reinold 2.5, 8, 12.2.3/4, 13

Video: Schaltungstechnik, Anwendungen, EKG
Video: Schaltungstechnik, EKG, Filter

Übersicht

Vorstellung Organisation
Review Projektpraktikum
Übersicht Elektronik 3
EKG Schaltung

Wer hat sich schon die Webseiten angeschaut?
Was finden Sie gut? Was erwarten Sie?

Meine Person

Prof. Dr.-Ing. Jörg Vollrath
Sprechstunde: T221 Mi 10:00-10:45
Voranmeldung per email
Joerg.vollrath@hs-kempten.de
Joerg.vollrath@ieee.org
Halbleitertechnik, Studium, Promotion, Darmstadt
- Halbleiterspeicher DRAM, Siemens, Infineon, Qimonda, Toshiba, IBM, Motorola
  64 Mbit .. 4 Gbit, 0.35 µm .. 50 nm
Vorlesungen

Bei meiner Tätigkeit in der Industrie wurden die neusten CMOS-Prozesstechnolgien für integrierte Schaltungen (DRAMs) eingesetzt.
In CMOS Technologie wurden Ladungspumpen, Spannungsregler, PLLs und DLLs, analoge Verstärker, Referenzspannungsquellen, digitale Schaltungen und high speed Busse realisiert.
Dabei traten nur parasitäre, laterale bipolare Transistoren auf.
Das Design in einer neuen Technologie musste gleich funktionieren, da ein Maskensatz mehrere Hunderttausend Euro kostet.
Die Simulation wurde zur Schaltungsentwicklung eingesetzt und musste das reale Verhalten der Schaltung möglichst genau abbilden.

Eine grosse Bedeutung hat der Test.
Für die Simulation wurden sowohl CMOS Bauelementen, als auch von parasitäre Widerstände und Kapazitäten von Leitungen und Bauelementen charakterisiert.
Am Speicherchip wurden mit Hilfe von Testpunkten interne Signal gemessen und mit der Simulation verglichen.
Ausserdem wurde die Gesamtfunktionalität bei verschiedenen Spannungen und Temperaturen verifiziert. Dabei wurde auch der Herstellungsprozess variiert (Process window).
Da Millionen von Chips hergestellt wurden traten einige Fehler nur sehr selten auf 1..100 ppm und mussten dennoch reproduziert, analysiert und behoben werden, um dass Produkt erfolgreich verkaufen zu können.

Review Status und Projektpraktikum

Haben sie sich gerecht Bewertet gefühlt?
Gibt es Verbesserungsvorschläge?
Gibt es Ideen für zukünftige Aufgaben?
Was fehlt ihnen bzgl. der Elektrotechnik noch?
Was war überflüssig?
Haben Sie die Videos genutzt?
In dieser Vorlesung plane ich keine Videoaufzeichnung

Wer macht nur elektronische Aufzeichnungen?
Haben Sie sich die Webseiten schon angeschaut?

Benötigen Sie noch Unterstützung bzgl. Elektronik 1-3?
Bitte senden Sie mir eine Email

Man könnte die Diode in Elektronik 1 weglassen, da Sie für das Projektpraktikum nicht gebraucht wird.
Die Videoaufzeichnungen werden genutzt, um nicht Verstandenes nochmal zu wiederholen.

Literatur

Elektronische Schaltungstechnik:

Grundlagen der Analogelektronik

Wolfgang Reinhold
ca. 30.- Euro

Lehrbuch Digitaltechnik

Jürgen Reichardt, Amazon: 39.80
http://users.etech.haw-hamburg.de/users/reichardt/di_buch.html

Literatur

Halbleiterschaltungstechnik

U. Tietze, Ch. Schenk
Springer Verlag
15. Auflage 89.95

CMOS Analog Circuit Design

Phil Allen and Doug Holberg
2015: 71/28 Euro
http://www.aicdesign.org/scnotes10.html

Aktivierungsfragen:
Haben Sie schon Bücher für das Studium gekauft?
Haben Sie Bücher in elektronischer Form?
Wie haben Sie die Bücher genutzt?
Welche Alternativen zu Büchern nutzen Sie?

Übersicht Elektronik 3

Da die Vorlesung neu strukturiert ist, werden die Webseiten noch ergänzt.
Sie können die Seiten im Browser auch als pdf ausdrucken.
Es gibt alte Videos der originalen alten Vorlesungen.

Der Aufbau der Webseiten ist hier dokumentiert und die gezippte Startdatei web_Template.zip ist hier.
Wie kann man die Webseiten herunterladen und aktualisieren?

Es gibt eine 90min Klausur.
Nichtprogramierbarer Taschenrechner
Unterlagen, Bücher

Was möchten Sie in dieser Vorlesung lernen?

Was habe ich geplant?

Kompakt Übersicht

ECG Analysis

AD8220
Datasheet AD8220 lokal

Identifizieren Sie die Schaltungsblöcke!

Stellen Sie die Blöcke mathematisch dar!

Simulieren Sie diese Schaltung!

Man kann an diesem Schaltbild verschiedene Teilschaltungen sehen:

Instrumentation amplifier: Integrierter Subtrahierer mit hochohmigem Eingang und Anschlüssen für R3. (Elektronik 1, 18)

2 resistor human protection
Common mode and differential mode input RC
Clamp diodes
Common mode feedback OP2177
Differential amplifier AD8220
Conversion +5V, -5V range to 5V, 0V range and mid level 2.5V
Low pass filter (Sallen Key)

Datenblattanalyse der Operationsverstärker
Warum benötigt man verschiedene Typen?

Verstärkungseinstellung vom AD8220 nach dem Datenblattformeln: Widerstände

$R = \frac{1}{\frac{1}{4.12 k\Omega} + \frac{1}{24.9 k\Omega + 24.9 k\Omega} } = 38 k\Omega$

$G = 1 + \frac{49.4 k\Omega}{R_G} = 1 + \frac{49.4 k\Omega}{38 k\Omega} = 14$

CR Hochpass nach dem Operationsverstärker AD8220: C = 4.7 µF R = 1 MΩ
Es liegt ein komplexer Spannungsteiler vor.
Der Strom durch beide Elemente ist gleich.

$\underline{I} = \frac{\underline{U}}{\underline{Z}} = \frac{\underline{U_e}}{R + \frac{1}{j \omega C}} = \frac{\underline{U_a}}{R}$
Daraus ergibt sich die Übertragungsfunktion. ( Bode Diagramm GET2, Reinhold 2.5) Diese wird so umgeformt, dass über und unter dem Bruchstrich Polynome von jω ohne Vorfaktor stehen.
Dann kann man Nullstellen und Pole bestimmen.

$\frac{\underline{U}_a}{\underline{U}_e} = \frac{R}{R + \frac{1}{j \omega C}} = \frac{j \omega C R}{j \omega C R + 1} = \frac{j \omega}{j \omega + \frac{1}{C R}}$

Wenn der Imaginärteil gleich dem Realteil ist ergeben sich Pole im Nenner (Nullstellen im Zähler).

$\omega = \frac{1}{C R} = 2 \pi f_{gu}$

$f_{gu1} = \frac{1}{2 \pi 4.7 \mu F 1 M \Omega} = 33.8 mHz$

RC Tiefpass vor dem ADC AD7685: R=500 Ω, C = 2.7 nF

$\frac{\underline{U}_a}{\underline{U}_e} = \frac{\frac{1}{j \omega C}}{R + \frac{1}{j \omega C}} = \frac{1}{j \omega C R + 1}$

$f_{go1} = \frac{1}{2 \pi 2.7 nF 500 \Omega} = 118 kHz$

Operationsverstärker AD8618:
Annahme für die Schaltungsanalyse mit Operationsverstärker: Kein Eingangsstrom, unendliche Verstärkung
Es gibt zwei grundlegende Schaltungsarten:
Gegenkopplung: Differenzeingangsspannung UD=0 (Verstärker)
Mitkopplung: Ausgangsspannung +VDD oder -VDD (Schmitt-Trigger, Komparator mit Hysterese)
Hier wird der Operationsverstärker in Gegenkopplung als Verstärker betrieben:
1) Verstärker: 5V, 0V, 2.5V, nichtinvertierend

$\frac{\underline{u}_a}{\underline{u}_e} = \frac{\underline{I} (57.6 k\Omega + 1.18 k\Omega)}{\underline{I} 1.18 k\Omega} = 50$

2) Verstärker: Invertierendes Tiefpass Filter 1. Ordung

$\frac{\underline{u}_a}{\underline{u}_e} = - \frac{\underline{I} \frac{1}{\frac{1}{14 k\Omega} + j \omega 47nF}} {\underline{I} 14 k\Omega} = - \frac{1}{1 + j \omega 47nF 14 k\Omega}$

$f_{go2} = \frac{1}{2 \pi 47 nF 14 k\Omega} = 241 Hz$

3,4) Invertierendes Tiefpass Filter 2. Ordnung (Sallen-Key)

ECG input circuit SPICE model

ECGin.asc

Version 4
SHEET 1 996 836
WIRE 832 272 784 272
WIRE 784 288 784 272
WIRE 832 320 832 272
WIRE 624 400 560 400
WIRE 720 400 704 400
WIRE 832 400 832 384
WIRE 832 400 800 400
WIRE 944 400 832 400
WIRE 560 416 560 400
WIRE 832 448 832 400
WIRE 560 512 560 496
WIRE 560 512 368 512
WIRE 560 528 560 512
WIRE 368 544 368 512
WIRE 832 576 832 512
WIRE 368 656 368 624
WIRE 560 688 560 608
WIRE 624 688 560 688
WIRE 720 688 704 688
WIRE 832 688 832 640
WIRE 832 688 800 688
WIRE 944 688 832 688
WIRE 832 720 832 688
WIRE 832 816 832 784
FLAG 368 656 0
FLAG 784 288 0
FLAG 832 816 0
FLAG 944 400 Ua
FLAG 944 688 Ub
SYMBOL voltage 560 400 R0
WINDOW 0 28 16 Left 2
WINDOW 3 40 73 Left 2
WINDOW 123 40 101 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 1m 80)
SYMBOL voltage 368 528 R0
WINDOW 123 24 124 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value2 AC 1
SYMATTR InstName V2
SYMATTR Value SINE(0 2m 10)
SYMBOL voltage 560 512 R0
WINDOW 0 34 27 Left 2
WINDOW 123 24 124 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V3
SYMATTR Value SINE(0 1m 80)
SYMBOL res 720 384 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 15k
SYMBOL res 816 384 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res 816 672 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res 720 672 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 15k
SYMBOL cap 816 576 R0
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 20p
SYMBOL cap 816 720 R0
SYMATTR InstName C2
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SYMBOL cap 816 320 R0
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 2.2p
SYMBOL cap 816 448 R0
SYMATTR InstName C4
SYMATTR Value 20p
TEXT 368 744 Left 2 !.ac oct 10 1 0.1G

Stellen Sie die Übertragungsfunktion für

Gleichtakt (Common mode) und

Gegentakt (Differential) Signal auf!

Für die Gleichtaktsimulation hat nur V2 ein AC 1 Signal.
Für die Gegentaktsimulation werden nur V1 und V3 ohne Phasenverschiebung auf AC 0.5 gesetzt.
Aktivierung:
Entwickeln Sie ein Rezept zur Aufstellung der Übertragungsfunktion.

Allgemein: Tiefpass

$\frac{\underline{U}_a}{\underline{U}_e} = \frac{\frac{1}{j \omega C}}{R + \frac{1}{j \omega C}} = \frac{1}{1 + j \omega C R}$

$f_g = \frac{1}{2 \pi R C}$

Gleichtakt: Nur V2 ist aktiv
Wegen der Symmetrie fallen C1 und C4 weg.

$R = \frac{R_1 + R_2}{2} = \frac{25 k\Omega}{2} = 12.5 k\Omega$

$C = C_3 + C_2 = 2.2 pF + 2.2 pF = 4.4 pF$

$f_g = \frac{1}{2 \pi R C} = 2.89 MHz$

Gegentakt: V1 und V2 sind aktiv
Es wird nur die halbe Schaltung betrachtet.

$R = R_1 + R_2 = 25 k\Omega$

$C = C_3 + C_4 = 2.2 pF + 20 pF = 22.2 pF$

$f_g = \frac{1}{2 \pi R C} = 286 kHz$

ECG SPICE model

ECG.asc

Version 4
SHEET 1 1600 916
WIRE -976 192 -1024 192
WIRE -1024 208 -1024 192
WIRE -976 240 -976 192
WIRE -864 256 -864 224
WIRE -176 288 -208 288
WIRE -64 288 -96 288
WIRE 64 288 16 288
WIRE 80 288 64 288
WIRE 96 288 80 288
WIRE 192 288 176 288
WIRE 304 288 272 288
WIRE 336 288 304 288
WIRE 352 288 336 288
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WIRE 592 288 448 288
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WIRE 768 288 736 288
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WIRE 1024 288 880 288
WIRE 1168 288 1088 288
WIRE -1184 320 -1248 320
WIRE -1088 320 -1104 320
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WIRE 192 336 192 288
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WIRE 336 336 336 288
WIRE 336 336 320 336
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WIRE 1056 416 1056 400
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WIRE -1248 432 -1440 432
WIRE -656 432 -656 400
WIRE -64 432 -64 288
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WIRE 192 432 192 336
WIRE 224 432 192 432
WIRE 448 432 448 288
WIRE 464 432 448 432
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WIRE 1024 432 976 432
WIRE -1248 448 -1248 432
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WIRE 80 448 80 288
WIRE 80 448 32 448
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WIRE 336 448 288 448
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WIRE 1168 448 1120 448
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WIRE 688 560 608 560
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SYMATTR InstName C4
SYMATTR Value 220p
SYMBOL cap -208 448 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C8
SYMATTR Value 4.7�
SYMBOL res -672 416 R0
SYMATTR InstName R13
SYMATTR Value 4.12k
SYMBOL res -768 352 R0
SYMATTR InstName R14
SYMATTR Value 24.9k
SYMBOL res -768 464 R0
SYMATTR InstName R15
SYMATTR Value 24.9k
SYMBOL voltage -1248 320 R0
WINDOW 0 28 16 Left 2
WINDOW 3 40 73 Left 2
WINDOW 123 39 99 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 1m 80)
SYMATTR Value2 AC 0.5
SYMBOL ad8220 -400 480 R0
SYMATTR InstName U5
SYMBOL res -336 592 R0
SYMATTR InstName R16
SYMATTR Value 100k
SYMBOL voltage -240 768 R0
WINDOW 123 24 124 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value2 AC 1
SYMATTR InstName V2
SYMATTR Value SINE(0 2m 80)
SYMBOL diode -848 320 R180
WINDOW 0 24 64 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL diode -848 384 R180
WINDOW 0 24 64 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL diode -832 608 R180
WINDOW 0 24 64 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D3
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL diode -832 672 R180
WINDOW 0 24 64 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D4
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL voltage -1440 448 R0
WINDOW 123 24 124 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V3
SYMATTR Value SINE(0 2m 10)
SYMBOL voltage -1248 432 R0
WINDOW 0 34 27 Left 2
WINDOW 123 24 124 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V4
SYMATTR Value2 AC 0.5
SYMATTR Value SINE(0 1m 80)
SYMBOL res -1088 304 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R17
SYMATTR Value 15k
SYMBOL res -992 304 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R18
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res -992 592 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R19
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res -1088 592 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R20
SYMATTR Value 15k
SYMBOL cap -992 448 R0
SYMATTR InstName C9
SYMATTR Value 10p
SYMBOL cap -992 640 R0
SYMATTR InstName C10
SYMATTR Value 2.2p
SYMBOL cap -992 240 R0
SYMATTR InstName C11
SYMATTR Value 2.2p
TEXT 728 592 Left 2 !VDD VDD 0 DC 5\nVSS VSS 0 DC 0\nVREF VREF 0 DC 2.5\nVMM VMM 0 DC -5
TEXT 1080 600 Left 2 !;tran 1
TEXT 120 656 Left 2 !.ac oct 10 1m 1000k

Bestimmen Sie mit der Simulation Grenzfrequenzen

und maximale Verstärkung!

Haben Sie schon LTSPICE Schaltungen in dieser Form heruntergeladen und simuliert?

Linksclick auf die Schaltung
Herunterladen der verwendeten Schaltungen:
ECG.asc, AD8615.asc, AD8615.asy, ad8220.asc, ad8220.asy
Öffnen von ECG.asc mit LTSPICE und Simulation.

Gab es Probleme?

Verstärkung v_u = 700; Maß: a_v = 20 log₁₀ | v_u | = 57 dB
Bandbreite
f_gu = 0.033Hz; f_go = 157 Hz
Spannungsversorgung:
+5V; -5V, +2.5 V, GND
Auflösung, Eingangsspanungsbereich
Puls:
60/min = 1/s = 1Hz; 180/min = 3 Hz; 50 Punkte pro Herzschlag 150 Samples per second
Analog Digital Wandler:
ADC7685; 16-bit, 250 kSPS; VDD 2.3V..5.5V; VDDlogic 1.8V..5V

$\Delta = LSB = \frac{V_{ref}}{N_{Bit}} = \frac{5 V}{2^{16}} = \frac{5 V}{65532} = 0.07 mV$ am ADC
Signalauflösung am Eingang der Schaltung:

$\Delta_{in} = \frac{\Delta}{V_u} = \frac{0.07 mV}{700} = 0.1 \mu V$

Werkzeugkasten Elektrotechnik

Widerstand	$\underline{Z} = \frac{\underline{U}}{\underline{I}} = R + j \omega L + \frac{1}{j \omega C} = \frac{1}{\underline{Y}}$
Knotengleichung	$\sum{\underline{I}} = 0$
Maschengleichung	$\sum{\underline{U}} = 0$
Übertragungsfunktion	$\frac{\underline{U_{out}}}{\underline{U_{in}}} = \frac{(j \omega + S_{N1})..}{(j \omega + S_{P1})..}$

Operationsverstärker
Gegenkopplung: Die Eingangsspannungsdifferenz ist näherungsweise Null.
Mitkopplung: Die Ausgangsspannung wird so gross, wie die positive oder negative Versorgungsspannung.

Lösungsweg zur Bestimmung von Spannungen und Strömen (Knotenanalyse):
Alle Knotennamen (Spannungsnamen) und Ströme werden in den Schaltplan gezeichnet.
Für jeden Knoten wird die Knotengleichung der Ströme erstellt.
Für jeden Strom wird die Spannungsdifferenz des anliegenden Elementes geteilt durch den Widerstand eingesetzt.
Das entstehenden Gleichungssystem wird gelöst.
Schrittweises eliminieren von unbekannten Spannungen durch Umformung einer Gleichung nach der zu eliminierenden Spannung und Einsetzen in die übrigen Gleichungen.

Für die Übertragungsfunktion werden im Zähler und Nenner durch Erweitern Polynome von jω = s gebildet.
Von den Polynomen werden dann die Nullstellen (S_Ni,S_Pi) bestimmt und die einzelnen Faktoren aufgestellt.

Weitere Lösungsmethoden:
Ersatzquellen, schrittweises Zusammenfassen, Superposition

Elektrische Modelle

Statisch, dynamisch (frequenzabhängig)

Quellen
Widerstand
Diode
Transistor
Operationsverstärker
Transformator

Sensoren
Signalverarbeitung: Filter
Energieumwandlung: Spannung, Strom
Aktoren

Zusammenfassung und nächste Vorlesung

Rechnen Sie die Aufgabe Übung 5: Operationsverstärker Aufgabe 2
Rechnen Sie die Aufgabe WS2012: Aufgabe 5
Zusammenfassung vorbereiten
Vorlesung ähnlich wie Schaltungstechnik 19 Anwendung EKG mit Video

Nächstes Mal

02 Filter

2023 Elektronik 3 01 Start und EKG Anwendungen Prof. Dr. Joerg Vollrath

Elektronik 3

Start und EKG

Prof. Dr. Jörg Vollrath

Video der 19. Vorlesung 8.6.2021

Übersicht

Meine Person

Review Status und Projektpraktikum

Literatur

Elektronische Schaltungstechnik:

Lehrbuch Digitaltechnik

Literatur

Halbleiterschaltungstechnik

CMOS Analog Circuit Design

Übersicht Elektronik 3

Kompakt Übersicht

ECG Analysis

Identifizieren Sie die Schaltungsblöcke!

Stellen Sie die Blöcke mathematisch dar!

Simulieren Sie diese Schaltung!

ECG input circuit SPICE model

Stellen Sie die Übertragungsfunktion für

Gleichtakt (Common mode) und

Gegentakt (Differential) Signal auf!

ECG SPICE model

Bestimmen Sie mit der Simulation Grenzfrequenzen

und maximale Verstärkung!

Werkzeugkasten Elektrotechnik

Elektrische Modelle

Zusammenfassung und nächste Vorlesung