Analogová elektronika
Motivace • Převod měřených veličin/dějů na data • Řízení experimentu
• Zpracování signálů potřebné v analogové (spojitý průběh hodnot) i digitální (diskrétní hodnoty) podobě
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)
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 → dBU =(20logU1/U2) → dBP =(10log P1/P2)
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
Theveninův teorém Libovolný lineární odporový elektrický obvod lze ke dvěma zvoleným svorkám nahradit náhradním obvodem složeným z ideálního zdroje napětí U0 v sérii s vnitřním odporem Ri. Určení Ri: 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 Ri. Určení U0: Zátěž je odpojena, napětí U0 je napětím obvodu naprázdno.
A
Lineární obvod
IZ UZ
B
Ri RZ
U0
I A Z UZ B
RZ
Nortonův teorém Libovolný lineární el. obvod lze ke dvěma zvoleným svorkám nahradit náhradním obvodem složeným z ideálního zdroje proudu IK paralelně s vnitřní vodivostí Gi. Určení IK: Zátěž je odpojena, svorky A-B zkratovány. Proud IK spočítáme jako proud nakrátko.
Určení U0: 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 Gi. Vzhledem k ekvivalenci napěťových a proudových zdrojů lze parametry obou typů náhradních obvodů navzájem přepočítat. A
Lineární obvod
IZ
UZ B
I A Z RZ
IK
Gi
UZ B
RZ
Výkonové přizpůsobení • řazení n-pólů za sebou • maximální přenos výkonu tzv. výkonové přizpůsobení Ri U0
dPRZ RZ
0
U 02 .Ri RZ 2.U 02 .RZ .Ri RZ 0 Ri RZ 4 2
IZ UZ
Řešíme otázku určení extrému (maxima) funkce pro výkon na zátěži a podmínku tohoto extrému.
RZ
U 02 .Ri RZ 2.U 02 .RZ .Ri RZ 0 2
U 02 .Ri RZ 2.U 02 .RZ .Ri RZ 2
U 02 .RZ PRZ Ri RZ 2 Podmínka výkonového přizpůsobení, tedy přenosu max. výkonu do zátěže.
Ri RZ 2 2.RZ .Ri RZ Ri RZ 2.RZ
1 U 02
1 Ri RZ
RZ Ri
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
Ideální zdroje napětí
proudu
Rezistor • • • • •
odpor definice R=U/I náhradní obvod (zapojení) vliv vývodů a pouzder teplotní závislost
•
proměnné rezistory: potenciometr trimr
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
Kondenzátor • • • • •
1 kapacita u idt U definice C náboj Q Q CU energie impedance Z (admitance Y) (zobecněný Ohmův zák.) • náhradní obvod (zapojení) • vektorový diagram t
0
0
du iC dt 1 W CU 2 1 Z jC
2
Cívka • • • •
indukčnost 1 i udt I definice L energie impedance Z (zobecněný Ohmův zák.) • náhradní obvod (zapojení) • vektorový diagram t
0
u L
0
di dt
N LI W LI
2
Z jL
Dioda • pn přechod, VA charakteristika v prvním kvadrantu, souvislost prahového napětí Ud 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
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
• •
Transformátory •
2 či více vinutí na společném jádře
•
transformační poměr
•
ztráty – ve vinutí – v jádře
U1 N1 I 2 U 2 N 2 I1
Kmitočtové filtry • pasivní a aktivní • využití – zpracování a úpravy signálů
Kmitočtové filtry - typy Dolní propust – např. odstranění šumu ze signálu
Horní propust – např. odstranění např. síťové frekvence (50Hz) ze signálu
Kmitočtové filtry - typy Pásmová propust – selektivně propustí signál určitého kmitočtu
Pásmová zádrž – selektivně zadrží signál určitého kmitočtu
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
vodivosti typu P vodivosti typu P
vodivosti typu P
Bipolární transistor - VA charakteristika • Stejnosměrné VA charakteristiky bipolárního transistoru • pro různé hodnoty pevného parametru
IC
UCE
IB
UCE u záv. IC vs. IB IB u záv. IC vs. UCE
IB
UCE u záv. IB vs. UBE
UCE
I B u záv. UC vs. UBE
UCE
UBE
IB
Pracovní oblast tranzistoru
Pracovní bod • Soubor stejnosměrných parametrů, udávající jednoznačně polohu ve VA charakteristikách (obvodu) • Může být ovlivněn neelektrickými parametry • Nastavení a stabilizace • Pracovní bod diody
Pracovní bod tranzistoru • Teplotní závislost pracovního bodu
• Metody stabilizace - použití teplotně závislých prvků, nebo volba obvodových prvků v zapojení
Spínací vlastnosti bipolárního tranzistoru
• Tranzistor se po přivedení spínacího napětí U1 do báze otevře ze stavu „off“ (bod A) po přímce odpovídající RC do stavu „on“ (bod B). • V obou těchto mezních stavech je ztrátový příkon transistoru (UCE x IC) minimální. • Nezanedbatelný je však příkon během spínacích dob (náběžné a doběžné), rostoucí se vzrůstajícím kmitočtem signálu. • Rovněž není zanedbatelný budící příkon do báze transistoru (UBE x IB). Tento příkon je u unipolárních transistorů nulový a proto je tento typ transistorů preferován při integraci obvodů vysoké hustoty (paměti, CPU atd).
Spínací vlastnosti transistoru
• Základní parametry impulsu
t t t t
d
doba zpoždění
r
doba náběhu (čelo)
a
trvání impulsu
f
doba doběhu (týl)
Další parametry – perioda , opakovací kmitočet, střída aj. Vznik zákmitů, přenos impulsu, zpoždění, přizpůsobení
Bipolární versus CMOS technologie
Unipolární tranzistory mají velký vstupní odpor, řádu 1014 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.
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
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 : IC = 5 mA , UCE = 6V , U20 = 12V Napíšeme rovnice pro první smyčku : U20 = R2Ic + UCE pro druhou smyčku : U20 = R1IB + UBE dále platí IC = h21IB UBE = konst = 0,6V (přibližně z VA charakteristik)
Grafické znázornění
Stejnosměrný návrh zesilovače Přesnou hodnotu pro UBE 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 R2 = 1,2 . 103 Ohm = 1,2 kOhm R1 = 228.103 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 Au, vstupní odpor Ri či další.
Čtyřpóly a matice • maticové popisy vlastností dvojbranů • různé modely: • impedanční • admitanční • smíšený • … U1 Z11 Z12 I1 U Z Z 22 I 2 2 21 I1 Y11 Y12 U1 I Y Y 2 21 22 U 2 U1 h11 h12 I1 I h h 2 21 22 U 2
Čtyřpóly a matice
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)
Střídavý návrh zesilovače a h-parametry
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
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
Řešení elektronických obvodů • Přechodové děje lze popsat souborem diferenciálních rovnic • Exponenciální závislosti • U složitějších obvodů používáme Laplaceovu transformaci nebo simulační programy (Electronics Workbench - Multisim)
Řešení elektronických obvodů
Použití Laplaceovy transformace
Zesilovače • Důležitý aktivní obvodový blok • Zesilovače signálu (napětí, proudu, výkonu) • Různé varianty pro různá použití • Rozdělení do tříd připomenutí principu:
Základní parametry • • • •
zesílení vstupní a výstupní odpor kmitočtová a fázová charakteristika zkreslení
Třídy zesilovačů • Rozdělení podle polohy klidového pracovního bodu • Základní třídy:
A
• vysoká linearita • malá účinnost
B
C
Dvojčinný zesilovač
• vyšší účinnost • zkreslení při průchodu nulou
• nejvyšší účinnost • vf aplikace (v kolektoru rezonanční obvod pro potlačení zkreslení)
Zapojení tranzistoru v zesilovači • •
Aktivní prvek bipolární (unipolární) transistor Možnost 3 druhů zapojení tranzistoru (SB, SE, SK) – jedna z elektrod společná
společná báze
společný emitor
společný kolektor
• • • •
• • • •
• • • •
velké napěťové zesílení proudové zesílení < 1 malý vstupní odpor velký výstupní odpor
velké výkonové zesílení otáčí fázi malý (střední) vstupní odpor velký výstupní odpor
napěťové zesílení < 1 velké proudové zesílení velký vstupní odpor malý výstupní odpor
Vícestupňové zesilovače – kaskádní zapojení transistorů Vazba mezi stupni – střídavá, stejnosměrná (galvanická)
Emitorový sledovač • Výstup z emitoru zachovává fázi a amplitudu vstupu
• Velký vstupní a malý výstupní odpor • Pouze proudové zesílení
• Napěťové zesílení = 1
U1
RE
U2
Darlingtonův zesilovač
• Velký vstupní odpor • Malý výstupní odpor • Velké proudové zesílení β = β1 x β2
U1 U2
Další zapojení užívaná v zesilovačích: Proudový zdroj
Další zapojení užívaná v zesilovačích: Proudové zrcadlo Iz h21 I ref 2 h21 h21 je typicky několik set
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)
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
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 R1 Rvstup. R1 Au -
Selektivní zesilovače • Zesilují signály rozložené v určitém frekvenčním pásmu (filtry). • Pro šířku tohoto pásma B je rozhodující relativní šířka pásma x. B = f h - fd fh – horní mezní frekvence oblasti fd – dolní mezní frekvence oblasti střední frekvence této oblasti fs je fs = ½ (fh + fd) a relativní šířka pásma x = B/fs • Tyto zesilovače mají místo odporů jako zátěže v kolektorovém obvodu zapojen rezonanční obvod LC, jehož rezonanční frekvence je naladěna na střed přenášeného pásma.
Kladná zpětná vazba - oscilátory Oscilátor s T – článkem (harmonický sinusový průběh)
Oscilátor s trafo-vazbou (neharmonický obdélníkový průběh)
Oscilátor-multivibrátor využívající nabíjení-vybíjení RC členů
Oscilátor s Wienovým článkem a operačním zesilovačem
