Analogová elektronika

Transkript

1 Analogová elektronika

2 Motivace Převod měřených veličin/dějů na data Řízení experimentu Zpracování signálů potřebné v analogové (spojitý průběh hodnot) i digitální (diskrétní hodnoty) podobě

3 Charakteristika analogové elektroniky analogové < > číslicové obvody spojité a nespojité signály lineární a nelineární (popsané lineárními a nelineárními diferenciálními rovnicemi) podle použitých prvků lineární např. R, L, C nelineární např. transistory, diody pasivní a aktivní prvky spojování a řazení prvků v elektronických obvodech paralelní a sériové spojování hlediska navazování v obvodech (druhy vazeb, oddělení, výkonové přizpůsobení)

4 Základní pojmy normy součástky schematické značky jednotky symboly el.veličin U, I, P, R, G, L, C, u, i, p, z, y, předpony logaritmické vyjádření db U =(20logU 1 /U 2 ) db P =(10log P 1 /P 2 )

5 Základní zákony Ohmův zákon U=RI (obecně platný pro impedance) 1.Kirchhoffův zákon uzlové proudy 2.Kirchhoffův zákon smyčková napětí ostatní princip superpozice, (odezva lineárního obvodu na několik vstupních signálů je dán součtem jednotlivých odezev) Theveninův a Nortonův teorém

6 Theveninův teorém Libovolný lineární odporový elektrický obvod lze ke dvěma zvoleným svorkám nahradit náhradním obvodem složeným z ideálního zdroje napětí U 0 v sérii s vnitřním odporem R i. Určení R i : V původním obvodu zkratujeme všechny ideální zdroje napětí (nahradíme je vnitřním nulovým odporem) a odpojíme všechny ideální zdroje proudu. Zátěž je odpojena. Ve zbylém odporovém obvodu nalezneme celkový odpor ke svorkám A-B. Velikost tohoto odporu je rovna vnitřnímu odporu R i. Určení U 0 : Zátěž je odpojena, napětí U 0 je napětím obvodu naprázdno. A I Z R i A I Z Lineární obvod U Z R Z U 0 U Z R Z B B

7 Nortonův teorém Libovolný lineární el. obvod lze ke dvěma zvoleným svorkám nahradit náhradním obvodem složeným z ideálního zdroje proudu I K paralelně s vnitřní vodivostí G i. Určení I K : Zátěž je odpojena, svorky A-B zkratovány. Proud I K spočítáme jako proud nakrátko. Určení U 0 : Zátěž je odpojena, v původním obvodu zkratujeme všechny ideální zdroje napětí (nahradíme je vnitřním nulovým odporem) a odpojíme všechny ideální zdroje proudu. Ve zbylém obvodu spočteme odpor mezi svorkami A-B a z něj určíme vnitřní vodivost G i. Vzhledem k ekvivalenci napěťových a proudových zdrojů lze parametry obou typů náhradních obvodů navzájem přepočítat. A I Z A I Z Lineární obvod U Z R Z I K G i U Z R Z B B

8 Výkonové přizpůsobení Z R i R Z Z i Z Z i Z i Z Z i Z i Z Z i Z i Z i Z Z i Z R R R R R R R U R R R U R R U R R R U R R U R R R R R U R R U R dp Z i R R Z i R R Z 1 1 řazení n-pólů za sebou maximální přenos výkonu tzv. výkonové přizpůsobení Řešíme otázku určení extrému (maxima) funkce pro výkon na zátěži a podmínku tohoto extrému. Podmínka výkonového přizpůsobení, tedy přenosu max. výkonu do zátěže. U Z I Z U 0 R i R Z R R R Z i Z 2 0. U 2 P RZ

9 Základní prvky Dvojpóly (jednobrany) aktivní ideální zdroj napětí ideální zdroj proudu některé diody pasivní rezistor kondenzátor cívka dioda Čtyřpóly (dvojbrany) aktivní tranzistory pasivní transformátory kmitočtové filtry

10 Ideální zdroje napětí proudu

11 Rezistor odpor definice R=U/I náhradní obvod (zapojení) vliv vývodů a pouzder teplotní závislost proměnné rezistory: potenciometr trimr

12 Rezistory řízené neelektrickou veličinou termistor (záporný teplotní koeficient) použití pro snímání teploty, teplotní stabilizaci v obvodech posistor (kladný teplotní koeficient) ochrana prvků před nadměrnými proudy, termostaty k udržování konstantní teploty fotoodpor velikost ohmického odporu závisí na světle

13 Kondenzátor kapacita definice náboj Q energie 1 t u idt 0 C Q CU impedance Z (admitance Y) (zobecněný Ohmův zák.) náhradní obvod (zapojení) vektorový diagram U 0 i C du dt 1 W CU 2 1 Z jc 2

14 Cívka indukčnost 1 t definice i udt 0 L energie impedance Z (zobecněný Ohmův zák.) náhradní obvod (zapojení) vektorový diagram I 0 di u L dt N LI W LI Z 2 jl

15 Dioda pn přechod, VA charakteristika v prvním kvadrantu, souvislost prahového napětí U d se šířkou zakázaného pásu Ge, Si, Schottky, GaAsP, SiC diferenciální odpor grafická konstrukce detekce rf napětí na diodě rekombinace nosičů náboje omezuje rychlost usměrnění či sepnutí přechodu nelineární prvek

16 Další typy diod Zenerova dioda použití ve stabilizačních obvodech, zdrojích napětí, omezovačích atd. LED a foto diody přeměna elektrického proudu na světlo a opačně (indikace, displeje, optočleny, světelné závory, optická komunikace aj.) Detekční diody Kapacitní diody - varikapy

17 Transformátory 2 či více vinutí na společném jádře transformační poměr ztráty ve vinutí v jádře U U 1 2 N N 1 2 I I 2 1

18 Kmitočtové filtry pasivní a aktivní využití zpracování a úpravy signálů

19 Kmitočtové filtry - typy Dolní propust např. odstranění šumu ze signálu Horní propust např. odstranění např. síťové frekvence (50Hz) ze signálu

20 Kmitočtové filtry - typy Pásmová propust selektivně propustí signál určitého kmitočtu Pásmová zádrž selektivně zadrží signál určitého kmitočtu

21 Transistory bipolární a unipolární Základní aktivní prvek analogové i číslicové techniky V analogových obvodech použití pro zesilování signálů, spínání Fyzikální model-struktury NPN, PNP - dvě vodivostní struktury 2 druhy nosičů náboje: majoritní a minoritní Elektrické parametry stejnosměrné a střídavé Nelineární prvek - výhodné graficko-matematické řešení Střídavé parametry nejčastěji používané h-parametry slouží pro návrh obvodů pomocí maticového počtu Stejnosměrné parametry smysl a význam nejlépe patrné z obrázku tzv. voltampérových charakteristik

22 vodivosti typu P vodivosti typu P vodivosti typu P

23 Bipolární transistor - VA charakteristika Stejnosměrné VA charakteristiky bipolárního transistoru U CE I C I B pro různé hodnoty pevného parametru U CE u záv. I C vs. I B I B u záv. I C vs. U CE I B U CE u záv. I B vs. U BE U CE I B u záv. U C vs. U BE U CE U BE I B

24 Pracovní oblast tranzistoru

25 Pracovní bod Soubor stejnosměrných parametrů, udávající jednoznačně polohu ve VA charakteristikách (obvodu) Může být ovlivněn neelektrickými parametry Nastavení a stabilizace Pracovní bod diody

26 Pracovní bod tranzistoru Teplotní závislost pracovního bodu Metody stabilizace - použití teplotně závislých prvků, nebo volba obvodových prvků v zapojení

27 Spínací vlastnosti bipolárního tranzistoru Tranzistor se po přivedení spínacího napětí U 1 do báze otevře ze stavu off (bod A) po přímce odpovídající R C do stavu on (bod B). V obou těchto mezních stavech je ztrátový příkon transistoru (U CE x I C ) minimální. Nezanedbatelný je však příkon během spínacích dob (náběžné a doběžné), rostoucí se vzrůstajícím kmitočtem signálu. Rovněž není zanedbatelný budící příkon do báze transistoru (U BE x I B ). Tento příkon je u unipolárních transistorů nulový a proto je tento typ transistorů preferován při integraci obvodů vysoké hustoty (paměti, CPU atd).

28 Spínací vlastnosti transistoru Základní parametry impulsu t d doba zpoždění t r t t a f doba náběhu (čelo) trvání impulsu doba doběhu (týl) Další parametry perioda, opakovací kmitočet, střída aj. Vznik zákmitů, přenos impulsu, zpoždění, přizpůsobení

29 Bipolární versus CMOS technologie Unipolární tranzistory mají velký vstupní odpor, řádu Ohmu, tudíž pro jejich řízení nepotřebujeme výkon. Tento aspekt se příznivě odrazí zejména v konstrukci logických obvodů, kde s velkou hustotou integrace u bipolárních technologií strmě narůstá příkon (a tím teplo) obvodu.

30 Syntéza - návrh zesilovače Syntéza obvodů jejich návrh, výpočet a realizace Příklad obvodové syntézy: navrhněte zesilovač střídavého napětí se zesílením 40 db Syntéza spočívající v klasickém návrhu skládajícím se ze - stejnosměrného návrhu obvodu a posléze pomocí h-parametrů - střídavého návrhu obvodu

31 Stejnosměrný návrh zesilovače Základní zapojení transistoru v obvodu s rezistory určujícími polohu pracovního bodu vychází ze zjednodušení původního schématu pro ss výpočet Metody řešení vícesmyčkových obvodů-aplikace Ohmova a Kirchhoffových zákonů Volba klidového pracovního bodu: Vycházíme z katalogového údaje klidového pracovního bodu použitého bipolárního transistoru : I C = 5 ma, U CE = 6V, U 20 = 12V Grafické znázornění Napíšeme rovnice pro první smyčku : U 20 = R 2 I c + U CE pro druhou smyčku : U 20 = R 1 I B + U BE dále platí I C = h 21 I B U BE = konst = 0,6V (přibližně z VA charakteristik)

32 Stejnosměrný návrh zesilovače Přesnou hodnotu pro U BE bychom mohli pro daný transistor získat z jeho VA charakteristik. Pro běžný výpočet naprosto stačí (pro Si transistor) pracovat s hodnotou uvedenou v návrhu. Po dosazení známých parametrů vypočteme hodnoty R 2 = 1, Ohm = 1,2 kohm R 1 = Ohm = 227 kohm v řadě je nejblíže 220 kohm Tím je pro tento jednoduchý transistorový jednostupňový zesilovač návrh stejnosměrných parametrů ukončen. V dalším přejdeme k návrhu střídavých parametrů téhož zesilovače. Obecný návrh využívá kaskádního řazení matic (prvků popsaných střídavými parametry např h ), čímž lze početně vyjádřit a popsat libovolný parametr daného obvodu, jako je např. napěťové zesílení A u, vstupní odpor R i či další.

33 Čtyřpóly a matice maticové popisy vlastností dvojbranů různé modely: impedanční admitanční smíšený U I h h h h I U U U Y Y Y Y I I I I Z Z Z Z U U

34 Čtyřpóly a matice

35 Střídavý návrh zesilovače a h-parametry Zapojení bipolárního transistoru pro měření VA charakteristik V určitém bodě VA charakteristik (pracovní bod) lze odvodit tzv. střídavé parametry transistoru v tomto případě h-parametry h-parametry lze použít pro návrh obvodů s transistory (zesilovače pro zpracování střídavých signálů)

36

37 Střídavý návrh zesilovače a h-parametry

38 Řešení elektronických obvodů obvodová analýza matematický a grafický popis řešení obvodů hledisko: stejnosměrných parametrů střídavých parametrů přechodové děje matematický popis odlišný pro: stacionární stav < > přechodový děj < > střídavé parametry impulsní odezva řešení Laplaceovou transformací

39 Obvodová analýza Analýza obvodů zjišťování vlastností obvodů (např. jejich odezva daná charakteristikami) Druhy charakteristik (kmitočtová, přechodová, fázová, ) Souvislosti mezi nimi Kmitočtová a časová doména, FFT

40 Řešení elektronických obvodů Přechodové děje lze popsat souborem diferenciálních rovnic Exponenciální závislosti U složitějších obvodů používáme Laplaceovu transformaci nebo simulační programy (Electronics Workbench - Multisim)

41 Řešení elektronických obvodů

42 Použití Laplaceovy transformace

43

44

45 Zesilovače Důležitý aktivní obvodový blok Zesilovače signálu (napětí, proudu, výkonu) Různé varianty pro různá použití Rozdělení do tříd Základní parametry zesílení vstupní a výstupní odpor kmitočtová a fázová charakteristika zkreslení připomenutí principu:

46 Rozdělení podle polohy klidového pracovního bodu Základní třídy: A vysoká linearita malá účinnost Třídy zesilovačů B Dvojčinný zesilovač vyšší účinnost zkreslení při průchodu nulou C nejvyšší účinnost vf aplikace (v kolektoru rezonanční obvod pro potlačení zkreslení)

47 Zapojení tranzistoru v zesilovači Aktivní prvek bipolární (unipolární) transistor Možnost 3 druhů zapojení tranzistoru (SB, SE, SK) jedna z elektrod společná společná báze velké napěťové zesílení proudové zesílení < 1 malý vstupní odpor velký výstupní odpor společný emitor velké výkonové zesílení otáčí fázi malý (střední) vstupní odpor velký výstupní odpor společný kolektor napěťové zesílení < 1 velké proudové zesílení velký vstupní odpor malý výstupní odpor Vícestupňové zesilovače kaskádní zapojení transistorů Vazba mezi stupni střídavá, stejnosměrná (galvanická)

48 Emitorový sledovač Výstup z emitoru zachovává fázi a amplitudu vstupu Velký vstupní a malý výstupní odpor Pouze proudové zesílení Napěťové zesílení = 1 U1 R E U2

49 Darlingtonův zesilovač Velký vstupní odpor Malý výstupní odpor U1 Velké proudové zesílení β = β 1 x β 2 U2

50 Další zapojení užívaná v zesilovačích: Proudový zdroj

51 Další zapojení užívaná v zesilovačích: Proudové zrcadlo I z Iref h21 2 h 21 h 21 je typicky několik set

52 Stejnosměrné zesilovače Stejnosměrné zesilovače Přenos ss signálů - možnost ovlivnění posunem ss pracovního bodu Symetrické zapojení pro kompenzaci vlivu teploty tzv. diferenciální stupeň (rozdílový) Základní zapojení pro operační zesilovače Hlavní parametry zesílení, ofset, drift U vícestupňových zesilovačů stabilita V dnešní době realizace operačními zesilovači (OZ) Různé kategorie vyráběných OZ Např. pro zesílení velmi malých ss signálů (termočlánky) s malým driftem a ofsetem S velkou dynamikou zesílení (pro DSP) Pro výkonové použití (ovládání motorů)

53 Integrované zesilovače Příklad (TI LM384) vícestupňového audio zesilovače se stejnosměrnou (galvanickou) vazbou mezi stupni, velmi vhodnou pro možnost integrace (OZ) Použitá zapojení: proudové zrcadlo diferenciální stupeň (upravený) dvojčinný zesilovač sériově řazené diody pro posun ss úrovní

54 Zesilovače - zpětná vazba, stabilita Pojem zpětné vazby Kladná a záporná Vliv vazby na zesílení, kmitočtovou charakteristiku a stabilitu Nyquistovo kriterium stability Zpětná vazba jednoznačně definuje zesílení Možnost změny zpětné vazby R2 Au - R1 Rvstup. R1

55 Selektivní zesilovače Zesilují signály rozložené v určitém frekvenčním pásmu (filtry). Pro šířku tohoto pásma B je rozhodující relativní šířka pásma x. B = f h - f d f h horní mezní frekvence oblasti f d dolní mezní frekvence oblasti střední frekvence této oblasti f s je f s = ½ (f h + f d ) a relativní šířka pásma x = B/f s Tyto zesilovače mají místo odporů jako zátěže v kolektorovém obvodu zapojen rezonanční obvod LC, jehož rezonanční frekvence je naladěna na střed přenášeného pásma.

56 Kladná zpětná vazba - oscilátory Oscilátor s T článkem (harmonický sinusový průběh) Oscilátor-multivibrátor využívající nabíjení-vybíjení RC členů Oscilátor s trafo-vazbou (neharmonický obdélníkový průběh) Oscilátor s Wienovým článkem a operačním zesilovačem