AZ ANALÓG JELFELDOLGOZÁS FOLYAMATÁBRÁJA P Á C I E N S
ÉRZÉKELŐ
ERŐSÍTŐ
SZŰRŐK
ALULÁTERESZTŐ SZŰRŐ SÁVÁTERESZTŐ SZŰRŐ
Lineáris frekvenciaátviteli karakterisztika:
n (dB)
f (Hz)
vizuálisan megjeleníti a feldolgozott jelet
kiszűri az alacsony- és magas frekvenciájú zajokat
FELÜLÁTERESZTŐ SZŰRŐ
O R V O S
MEGJELENÍTŐ
az elektromos jelet torzítatlanul felerősíti elektromos jellé alakítja a mérendő biológiai jelet
ELLENÁLLÁS ÉS KONDENZÁTOR VÁLTÓÁRAMÚ KÖRBEN
Frekvenciaátviteli karakterisztika:
A 0 nem ábrázolható! (0 a mínusz végtelenben van!) 20000 lg =1 2000
lg
20000 =2 200
20
0
Logaritmikus frekvenciaátviteli karakterisztika:
lg
200 2000
20000
n (dB)
2
20
200
2000
20000
lg f (Hz)
20000 =3 20
1
2 oktávok
Azonos arányok, azonos távolságok…
Ube
R2 R1
Ube
C R
Uki
FELÜLÁTERESZTŐ SZŰRŐ II. (ALULVÁGÓ SZŰRŐ, HIGH PASS FILTER)
Mivel a kondenzátor váltóáramú ellenállása:
Uki
A feszültségosztó felső tagját C kapacitású kondenzátorral helyettesítjük
FELÜLÁTERESZTŐ SZŰRŐ I. (ALULVÁGÓ SZŰRŐ, HIGH PASS FILTER)
Ube
1 R2 = X C = 2π f C
U ki R1 = U be R1 + X C
U ki R1 = U be R1 + R2 U Mivel a kondenzátor árama 90º-al siet a feszültségéhez képest,
U
IC
t
az összegzést vektoriálisan kell elvégezni:
U ki = U be
R
( R + X C )EREDŐ ⇒ R 2 + X C 2
R ⎛ 1 ⎞ R 2 + ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 2π f C ⎠
2
2π ⋅ f ⋅ RC
(2π ⋅ f
n(dB)
frekvenciaátviteli karakterisztika
0
lg f
2π ⋅ f ⋅ RC
(2π ⋅ f
2. közelítés: ― nagy frekvencián : Mivel: (2π·f·RC)2 >>1
2
⋅ RC ) 3+ 1 2
U ki = U be
U ki 2π f RC ≅ = 2π f RC (≈ 0 ) + 1 U be n(dB) = 20 lg
a töréspont helye a τ = RC időállandótól függ
⋅ RC ) + 1
― kis frekvencián: Mivel: (2π·f·RC)2<<1
a pontos átviteli függvény:
U ki = U be
Uki
1. közelítés:
XC
90˚
U ki = U be
R
Tehát a pontos átviteli függvény:
R1 = R
IC
C
m +2 ere 0 d dek B/ sé de g: ká d
Származtatás: ellenállás feszültségosztóból:
1 dekád = 10 f / f =10
U ki = konst . + lg f U be
2π f RC
(2π
f RC )2 + (≈ 0 )
≅1
n(dB) = 20 lg (1) = 0
zérus meredekségű (vízszintes) egyenes
rövidzár
pozitív meredekségű (ferde) egyenes
nagy frekvencián a kondenzátor rövidzárral helyettesíthető!
Ube
R
Uki
4
R2
Ube
Mivel a kondenzátor váltóáramú ellenállása:
Uki
R1
R1 = X C =
1 2π f C
Ube
R
U ki XC = U be X C + R2
C
Uki
U
t
U ki = 2 U be ⎛ 1 ⎞ 2 ⎜⎜ 2π f C ⎟⎟ + R ⎝ ⎠
az összegzést vektoriálisan kell elvégezni:
XC
+
CHP Ube
R
2
(X C + R 2 ) EREDŐ ⇒ X C + R
2
U ki = U be
a pontos átviteli függvény:
U ki 1 = 5 U be 1 + (2π ⋅ f ⋅ RC )2
=
Sáváteresztő szűrő (Band Pass filter)
CLP
n(dB) = 20 lg
Mivel: (2π·f·RC)2 >>1
1
(1 + (≈ 0 ))2
U ki = U be
1
(≈ 0 ) + (2π
f RC )
2
≅
1 2π f RC
≅1 n(dB) = konst. − lg f
negatív meredekségű (ferde) egyenes
R
U ki U be
n(dB) = 0
2. közelítés: ― nagy frekvencián :
Mivel: (2π·f·RC)2<<1
Aluláteresztő szűrő (Low Pass filter)
lg f a töréspont helye a τ = RC időállandótól függ
― kis frekvencián:
RLP
RHP
frekvenciaátviteli karakterisztika
1. közelítés:
SÁVÁTERESZTŐ SZŰRŐ (bandpass filter) Felüláteresztő szűrő (High Pass filter)
n(dB)
Uki
Tehát a pontos átviteli függvény:
90˚
1 2π f C
C
U ki 1 = U be 1 + (2π ⋅ f ⋅ RC )2
R2=R
IC IC
(FELÜLVÁGÓ SZŰRŐ, LOW PASS FILTER)
0
U Mivel a kondenzátor árama 90º-al siet a feszültségéhez képest,
ALULÁTERESZTŐ SZŰRŐ II.
R
: ég ks d de ká re /de me d B 0 -2
U ki R1 = U be R1 + R2
A feszültségosztó alsó tagját C kapacitású kondenzátorral helyettesítjük
Ube
ALULÁTERESZTŐ SZŰRŐ I. (FELÜLVÁGÓ SZŰRŐ, LOW PASS FILTER)
zérus meredekségű (vízszintes) egyenes
kis frekvencián a kondenzátor szakadással helyettesíthető!
Ube
szakadás
Származtatás: ellenállás feszültségosztóból:
Uki
6
A HATÁRFREKVENCIÁK ILLESZTÉSE A JEL FREKVENCIATARTOMÁNYÁHOZ sávszűrő átviteli sávja túl keskeny!
JELVESZTESÉG!!!
Uki
Együttes frekvenciaátviteli karakterisztika:
n(dB)
SÁVSZÉLESSÉG
0 -3
lgf a High Pass töréspont helye a τHP=RHP·CHP időállandótól függ
fL alsó (Low) határfrekvencia
a Low Pass töréspont helye a τLP=RLPCLP időállandótól függ
fH felső (High) határfrekvencia
7
8
A HATÁRFREKVENCIÁK ILLESZTÉSE A JEL FREKVENCIATARTOMÁNYÁHOZ sávszűrő átviteli sávja túl széles!
A HATÁRFREKVENCIÁK ILLESZTÉSE A JEL FREKVENCIATARTOMÁNYÁHOZ MEGNŐTT A ZAJ!!!
sávszűrő átviteli sávja illesztett
Optimális JEL / ZAJ viszony
9
10
AZ ANALÓG JELFELDOLGOZÁS FOLYAMATÁBRÁJA
SZIGETELŐK, FÉLVEZETŐK, VEZETŐK E
P Á C I E N S
ÉRZÉKELŐ
ERŐSÍTŐ
SZŰRŐK
az elektromos jelet torzítatlanul felerősíti elektromos jellé alakítja a mérendő biológiai jelet
kiszűri az alacsony- és magas frekvenciájú zajokat
O R V O S
MEGJELENÍTŐ
vizuálisan megjeleníti a feldolgozott jelet
Térbeli szerkezet:
Si, Ge: 4 vegyérték
GYÉMÁNTRÁCS 11
12
INTRINSIC (TISZTA) FÉLVEZETŐK EXTRÉM NAGY TISZTASÁG
SZENNYEZETT (ADALÉKOLT) FÉLVEZETŐK. N-TÍPUS
„HIBÁTLAN” KRISTÁLYSZERKEZET
(kb: 1010 Si, v. Ge, ↔ 1 szennyező atom) abszolút nulla hőmérsékleten
= elektron
T = 0K
N-típus pl: Si, v. Ge + Arzén adalék
(kb: 106 Si, v. Ge ↔ 1 As)
As: 5 vegyérték, 1 felesleges elektron szobahőmérsékleten
T = 290 K
szobahőmérsékleten
abszolút nulla hőmérsékleten
T = 290 K
T = 0K
kevés ELEKTRON
szabad elektronok
DONOR nívó (As)
ugyanannyi ELEKTRONHIÁNY (LYUK)
POZITÍV TÖLTÉSHORDOZÓ
ugyanannyi helyhezkötött pozitív As ion 13
SZENNYEZETT (ADALÉKOLT) FÉLVEZETŐK. P-TÍPUS P-típus pl: Si, v. Ge + Indium adalék
14
INTRINSIC ÉS SZENNYEZETT FÉLVEZETŐK (szobahőmérsékleten, külső feszültséggel)
(kb: 106 Si, v. Ge ↔ 1 In)
In: 3 vegyérték, 1 elektronhiány Intrinsic Si: szobahőmérsékleten
abszolút nulla hőmérsékleten
T = 290 K
T = 0K
ELEKTRONVEZETÉS
kismértékű elektronés lyukvezetés (vezetésiés vegyérték sáv)
jelentős N-típusú Si: ELEKTRONvezetés (vezetési sáv)
ugyanannyi helyhezkötött negatív In ion AKCEPTOR nívó (In) szabad lyukak
LYUKVEZETÉS
P-típusú Si: 15
jelentős LYUKvezetés (vegyérték sáv) 16
P-N ÁTMENET (külső feszültség nélkül)
P-N ÁTMENET (ún. záróirányú külső feszültséggel)
még szétválasztva
P-típus diffúzió, rekombináció
KISZÉLESEDETT KIÜRÍTETT RÉTEG
N-típus
Nem folyhat áram!
az összeérintés pillanatában N
P P-N ÁTMENET KIÜRÍTETT RÉTEG
elektronok és lyukak diffúziója
P-N ÁTMENET FÉMVEZETÉK
FÉMVEZETÉK
EGYENSÚLY
FÉM-FÉLVEZETŐ ÁTMENET
In, As ionok ellentétes irányú töltése
(nincs töltéshordozó! SZIGETELŐ!)
FÉM-FÉLVEZETŐ ÁTMENET
17
P-N ÁTMENET
18
P-N ÁTMENET MINT EGYENIRÁNYÍTÓ (DIÓDA)
(ún. nyitóirányú külső feszültséggel) Még mindig nem folyhat áram!
ELKESKENYEDETT KIÜRÍTETT RÉTEG
félvezető dióda
P
N P-N ÁTMENET
U < Uküszöb
A dióda rajzjele: P
N
ELEGENDŐEN NAGY NYITÓIRÁNYÚ FESZÜLTSÉGNÉL A KIÜRÍTETT RÉTEG ELTŰNIK
-
+
Ún. nyitóirányú áram folyik!
vezet
I
-
+
nem vezet
U > Uküszöb P lyukáram
rekombináció
N Biológiai analógia: SZINAPSZIS elektronáram
19
20
DIÓDAKARAKTERISZTIKÁK
DIÓDAKARAKTERISZTIKÁK
(az ideális dióda)
(valóságos félvezető dióda)
I I (A)
FO L ÁR YHA AM T
M T NE YHA L M FO RA Á
U
U (V)
0,3 V
Váltóáram egyenirányítása:
0
+
21
-
+
+
-
+
egyenirányított szinuszjel
szinuszjel
0,7 V
Ennél a „küszöbfeszültségnél” fogy el a kiürített réteg
22
TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOR I.
TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOR II.
( FET = Field Effect Transistor )
( FET = Field Effect Transistor )
(nyelő)
(nyelő)
nagy áram
KIÜRÍTETT RÉTEG
kis áram
KIÜRÍTETT RÉTEG
(kapu)
(kapu)
−
− R=ρ
A vezető csatorna keresztmetszete, így ellenállása is a GATE feszültséggel változtatható (forrás)
kis drain-source ellenállás:
l Anagy
R=ρ
A vezető csatorna keresztmetszete, így ellenállása is a GATE feszültséggel változtatható 23
(forrás)
nagy drain-source ellenállás:
l Akicsi
24
A FET ELLENÁLLÁSA FESZÜLTSÉGGEL VEZÉRELHETŐ, ERŐSÍTŐKÉNT HASZNÁLHATÓ
TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOR III. ( FET = Field Effect Transistor ) Szimbóluma:
Képe: 5 mm
D
G S
Sajnálatosan minden eddig feltalált erősítő eszköz nemlineáris átviteli függvénnyel rendelkezik
Más elven működő ún. rétegtranzisztorok: kollektor
Egyéb erősítő építőelemek:
bázis
tranzisztor
25
emitter
AZ ELEKTROMOS ERŐSÍTŐ JELLEMZŐI
Ube
Erősítő az az áramkör, amelynél:
A teljesítmény egy része hővé alakul.
A Pki − Pbe +Phő teljesítménytöbblet külső energiaforrásból származik.
Feszültségerősítés:
AP =
AU =
integrált áramkör26 (IC)
NEMLINEÁRIS ERŐSÍTŐ
Uki
torzított kimenőjel
A TORZÍTÁS CSÖKKENTÉSE NEGATÍV VISSZACSATOLÁSSAL I.
Pki > Pbe
Teljesítményerősítés:
elektroncső
Pki Pbe U ki U be
Erősítésszint: (decibel, dB)
P n(dB) = 10 lg ki Pbe n(dB) = 20 lg
U ki U be
(ha Rki = Rbe)
27
N E G A T Í V
V I S S Z A C S A T O L Á S
U
Ube 3. majd kivonjuk a bemenőjelből
2. visszacsatoljuk
NEMLINEÁRIS ERŐSÍTŐ
visszacsatoló hurok VISSZACSATOLÓ ÁRAMKÖR
Uki
„torzítatlan” kimenőjel
1. a kimenőjel egy részét
28
A TORZÍTÁS CSÖKKENTÉSE NEGATÍV VISSZACSATOLÁSSAL II.
β=
R1 = konst. R1 + R2
HA A HUROKERŐSÍTÉS ELÉG NAGY, A NEGATÍVAN VISSZACSATOLT ERŐSÍTŐ ERŐSÍTÉSÉT (A’ ) A VISSZACSATOLÓ ÁRAMKÖR „ERŐSÍTÉSE” (β ) HATÁROZZA MEG.
HA A VISSZACSATOLÓ ÁRAMKÖR LINEÁRIS (PL. ELLENÁLLÁS FESZÜLTSÉGOSZTÓ), A VISSZACSATOLT ERŐSÍTŐ IS LINEÁRIS LESZ.
Feszültségosztó mint
U = U be − U ki ⋅ β
A NEGATÍVAN VISSZACSATOLT ERŐSÍTŐ TULAJDONSÁGAI:
+ + + -
U ki = U ⋅ A
U ki = (U be − U ki ⋅ β ) ⋅ A
A' =
U ki A = U be 1 + A ⋅ β
ha a hurokerősítés elég nagy:
A' ≅
A·β >> 1
1 β
NAGYOBB STABILITÁS (az A változásával, vagy a kimeneten ható külső zavarokkal szemben) TORZÍTATLAN JELÁTVITEL SZÉLESEBB ÁTVITELI SÁV
több negatívan visszacsatolt erősítő sorbakapcsolása (pl.: A’1 ·A’2 ·A’3) 30
KISEBB EREDŐ ERŐSÍTÉS (A’)
29
NEGATÍV VISSZACSATOLÁS AZ ÉLŐ SZERVEZETBEN
DIFFERENCIÁLERŐSÍTŐ
(HOMEOSZTÁZIS)
(BIOLÓGIAI ERŐSÍTŐ)
SZABÁLYOZÁSOK: Testhőmérséklet Vércukorszint Vérnyomás Hormonszint
bemenőjel
PUPILLAREFLEX A PUPILLA ÁTMÉRŐJÉNEK AGYI SZABÁLYOZÁSA
erősítő
≈ 0V
Ube1
külső zavar
Ube2
U ki = A' (U be1 − U be2 ) =
Uki
R2 (U be1 − U be2 ) R1
kimenőjel a szembe jutó fény állandó intenzitású lesz 31
32
EKG ERŐSÍTŐ (a hálózati 50 Hz-es zaj elnyomása)
ÉRINTÉSVÉDELMI SZEMPONTOK AZ EKG ERŐSÍTŐBEN
áramjárta vezeték 230V 50 H a falban z
pl. 3mV
pl. 3V 50 Hz-es zaj
40 mm
2500 V átütési szilárdság
50 Hz-es zaj
A HÁLÓZATI 50 Hz-es ZAJ MINDKÉT (+,-) BEMENETRE EGYFORMÁN HAT, ÉS MINT „KÖZÖS MÓDUSÚ” JEL KIESIK
33
34
AZ ANALÓG JELFELDOLGOZÁS FOLYAMATÁBRÁJA P Á C I E N S
ÉRZÉKELŐ
ERŐSÍTŐ
SZŰRŐK
az elektromos jelet torzítatlanul felerősíti elektromos jellé alakítja a mérendő biológiai jelet
kiszűri az alacsony- és magas frekvenciájú zajokat
LCD (Liquid Crystal Display) MEGJELENÍTŐK I. (folyadékkristályos kijelző) az elemi cella (PIXEL)
O R V O S
MEGJELENÍTŐ
keresztezett irányú polarizátorok
vizuálisan megjeleníti a feldolgozott jelet A fény polarizációs síkja elcsavarodik A fény kiléphet 35
VILÁGOS CELLA 36
LCD (Liquid Crystal Display) MEGJELENÍTŐK I.
LCD MEGJELENÍTŐK II.
(folyadékkristályos kijelző) az elemi cella (PIXEL)
SZÍNDIAGRAM az emberi szem érzékenysége
a színes pixel (RGB)
Red G Green keresztezett irányú polarizátorok
R
Blue
B A fény polarizációs síkja elcsavarodik A fény kiléphet
VILÁGOS CELLA
SÖTÉT CELLA
Az RGB színek súlyozott összeadásával az „összes” szín előállítható
A fény polarizációs síkja nem tud elcsavarodni A fény nem léphet 37 ki
38
LCD MEGJELENÍTŐK III.
LCD MEGJELENÍTŐK IV.
(a mátrix áramkör)
(Monitor, TV)
a képernyő részlete
39
40
