Analogov a slicov technika Prbh prodnch dj teplota

Analogová a číslicová technika Průběh přírodních dějů (teplota, světlo, zvuk, …) je spojitý-analogový proces -snaha o jeho zachycení, zpracování a uložení Příklad – zvuk : mikrofon-zesilovač-záznam-zesilovač-reproduktor Fyzikální experiment zahrnuje mnoho proměnných analogových signálů, jež je nutno zpracovat. Optimální je využít výhod číslicové techniky v určité fázi procesu. Číslicový signál-nespojitý jev, popsaný dvěma stavy ( 0 a 1 – impuls ) výhodné pro další zpracování, záznam, uložení a zpracování dat (nejprve je ovšem nutné analogový signál převést na digitální)

„…digitální zvuk“

Analogové elektronické obvody • • • 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)

Názvosloví, veličiny • • • normy schematické značky jednotky symboly el. veličin U, I, P, R, G, L, C, …… u, i, p, z, y, …… předpony logaritmické vyjádření d. BU =(20 log. U 1/U 2) d. BP =(10 log P 1/P 2) Návrhové CAD programy (PADS, Eagle)

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

Théveninova věta Libovolný lineární odporový el. obvod lze ke dvěma zvoleným svorkám nahradit náhradním obvodem, složeným z ideálního zdroje napětí v sérii s vnitřním odporem. Určení Ri: v původním obvodu zkratujeme všechny ideální zdroje napětí (nahradíme je vnitřním nulovým odporem) a vynecháme všechny ideální zdroje proudu. Ve zbylém odporovém obvodu pomocí ekvivalence nalezneme celkový odpor ke svorkám A-B. Velikost tohoto odporu je rovna vnitřnímu odporu Ri. Zátěžný rezistor je odpojen. Určení Uo: vnitřní napětí Uo určíme v původním obvodu metodou, kterou známe. Zátěžný rezistor je odpojen, napětí Uo je napětím obvodu naprázdno.

Nortonova věta Libovolný lineární el. obvod lze ke dvěma zvoleným svorkám nahradit náhradním obvodem, složeným z ideálního zdroje proudu paralelně s vnitřní vodivostí. Vzhledem k ekvivalenci napěťových a proudových zdrojů lze parametry obou typů náhradních obvodů navzájem přepočítat. Proud IK je proudem nakrátko.

Výkonové přizpůsobení • řazení n- pólů za sebou • maximální přenos výkonu tzv. výkonové přizpůsobení Podmínka výkonového přizpůsobení, tedy přenosu max. výkonu do zátěže. Řešíme otázku určení extrému (maxima) funkce pro výkon na zátěži a podmínku tohoto extrému.

Dvojpóly (jednobrany) • • 1 -brany a 2 -brany aktivní > < pasivní • • aktivní ideální zdroj napětí a) “ proudu b) některé diody • • pasivní odpor definice R=U/I prvek rezistor náhradní obvod (zapojení) vliv vývodů a pouzder teplotní závislost

Dvojpóly (jednobrany) • • • kapacita definice prvek kondensátor náboj Q energie impedance Z (admitance Y) (zobecněný Ohmův zák. ) náhradní obvod (zapojení) vektorový diagram

Dvojpóly (jednobrany) • • indukčnost definice prvek cívka energie impedance Z (zobecněný Ohmův zák. ) náhradní obvod (zapojení) vektorový diagram

Dvojpóly (jednobrany) • odpory 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

Dvojpóly - diody • Diody • pn přechod, VA charakteristika v prvním kvadrantu, souvislost prahového napětí Ud se šířkou zakázaného pásu • Ge, Si, Schottky, Ga. As. P, Si. C • diferenciální odpor • grafická konstrukce detekce rf napětí na diodě • rekombinace nosičů náboje omezuje rychlost usměrnění či sepnutí přechodu • nelineární prvek

Voltampérové charakteristiky diod

Další typy diod • • Zenerova dioda –použití ve stabilisačních obvodech, zdrojích napětí, omezovače atd Zenerův a lavinový jev > teplotní koeficient, šum dynamický odpor • LED a foto diody – přeměna elektrického proudu na světlo a opačně (indikace, displeje, použití v optočlenech, světelné závory, zabezpečovací technika aj. ) • Detekční diody

Čtyřpóly (dvojbrany) • aktivní • transistory bipolární a unipolární • pasivní • transformátory, kmitočtové filtry

Filtry pasivní a aktivní Využití – zpracování a úpravy signálů Dolní propust – odstranění šumu ze signálu Horní propust – odstranění např. síťové frekvence (50 Hz) ze signálu 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

Bipolární transistor-VA charakter. • Stejnosměrné VA charakteristiky bipolárního transistoru • > par. UC IC / IB > > par. IB IC / UC • > par. UC IB / UB • > > par. I B UC /UB

Pracovní oblast tranzistoru

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.

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 transistoru • Teplotní závislost pracovního bodu • Metody stabilizace-použití teplotně závislých prvků , nebo volba obvodových prvků v zapojení

Syntéza - návrh zesilovače Syntéza obvodů – jejich návrh, výpočet a realizace Příklad obvodové syntézy : navrhněte zesilovač střídavého napětí se zesílením 40 d. B Ukážeme si dva příklady řešení tohoto zadání : 1) Syntéza spočívající na klasickém návrhu , skládajícím se ze - stejnosměrného návrhu obvodu a posléze pomocí h-parametrů - střídavý návrh obvodu 2) Syntéza využívající použití operačního zesilovače Ad 1)

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 m. A , UCE= 6 V , U 20 = 12 V Napíšeme rovnice pro první smyčku : U 20=R 2 Ic + UCE pro druhou smyčku : U 20=R 1 IB + UBE dále platí IC=h 21 IB UB=konst=0, 6 V (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 R 2=1, 2. 103 Ohm = 1, 2 k. Ohm R 1= 228. 103 Ohm = 227 k. Ohm – v řadě je nejblíže 220 k. Ohm 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 dalších.

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 lze použít pro návrh obvodů s transistory (zesilovače pro zpracování střídavých signálů)

Střídavý návrh zesilovače a h-parametry

Návrh zesilovače použitím OZ Ad 2) • Operační zesilovač v „invertujícím zapojení“. • • Je to základní zapojení OZ zesílení – Ao = Eo / E 1 = Ro/R 1 – Není nutné provádět jakýkoli stejnosměrný návrh – Celý návrh se redukuje na pouhý výpočet dvou odporů. – Pro požadované zesílení 40 d. B = 100 x musí být poměr odporů roven 100 – Na jejich absolutní hodnotě nezáleží – může to být třeba 100 k. Ohm/1 k. Ohm ale i jiné poměry