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

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

Obvody s diskrétními polovodičovými součástkami • 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

Transistory bipolární • • 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 • Základní zapojení transistoru v obvodu s rezistory určujícími polohu pracovního bodu • Metody řešení vícesmyčkových obvodů-aplikace Ohmova a Kirchhoffových zákonů

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

Zesilovače • Stejnosměrné zesilovače • Přenos ss signálů-možnost ovlivnění posunem ss pracovního bodu • Symetrické zapojení pro kompenzaci – tzv. diferenciální stupeń • Základní zapojení pro tzv. operační zesilovače • Hlavní parametry drift, ofset • U vícestupňových zesilovačů stabilita •

Zesilovače Příklad vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni, velmi vhodnou pro možnost integrace (OZ) Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů Základní parametry zesilovačů-zesílení, vstupní a výstupní odpor, kmitočtová a fázová charakteristika, drift, výkon

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

Kladná zpětná vazba-oscilátory Oscilátor s T – článkem (harmonický sinusový průběh) Stupeň vazby se řídí potenciometrem Oscilátor s trafo-vazbou (neharmonický obdélníkový průběh) Oscilátor-multivibrátor využívající nabíjení-vybíjení RC členů

Operační zesilovače • • Proč operační zesilovač ? Základní vlastnosti OZ Ideální a reálný operační zesilovač Základní funkční zapojení operačních zesilovačů Typy operačních zesilovačů podle způsobu použití Spektrum aplikací operačních zesilovačů Digitální potenciometry a programovatelné zesilovače

Proč operační zesilovač ? • Nejčastěji používaný elektronický prvek, historicky první byl realizován s elektronkami v roce 1938 • Zpravidla se označením myslí rozdílový (diferenční) operační zesilovač (dále OZ) • Byl nejprve určen k analogové realizaci matematických operací • Základní obvodový prvek pro zpracování analogových signálů (součet, rozdíl, negace, integrace, derivace, generace různých časových průběhů) • V analogových systémech je ekvivalentem mikroprocesoru u systémů digitálních

Aplikace - analogové počítače • • Název odvozený od elektronických obvodových bloků provádějících určité operace (sčítání, násobení, integraci, derivaci atd) se ss signály Analogové počítače mx" + bx' + kx = F(t)

Operační zesilovače Mají vysoké požadavky na vlastnosti stejnosměrných obvodových bloků. Pokročilá polovodičová technologie vedla k integraci prvku, umožnila např. teplotní stabilizaci čipu, kombinací bipolárních a unipolárních prvků (BIFET technologie) a dosažení optimálních parametrů. OZ se blíží svými vlastnostmi ideálním zesilovačům Univerzální využití v analogové elektronice s použitím vnější sítě obvodových prvků a zpětných vazeb.

Základní funkční schéma

Ideální převodní charakteristika rozdílového zesilovače +UB Uvýst Uofs Uvst Uofs – vstupní ofsetové napětí saturační napětí -UB A –zesílení - udává směrnice přímky

Integrované operační zesilovače Příklad základního zapojení bipolárního vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni, velmi vhodnou pro možnost integrace Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů

Ideální operační zesilovač

Rozdělení operačních zesilovačů • podle použití – standardní (. . 741) • levné – precizní (OP 177) • trimované laserem – přístrojové (AD 624) • pevné/nastavitelné zesílení – výkonové, vysokonapěťové • AD 815 - 1 A – vysokofrekvenční (video. . . ) • AD 8130 - 250 MHz • • • podle technologie – bipolární – unipolární – kombinované např. BIFET velký počet typů podle požadovaných vlastností výhodná provedení 1, 2, 4 OZ v jednom pouzdře

Komparátor • Základní zapojení operačního zesilovače (bez vnější sítě obvodových prvků) • Rozhraní mezi analogovými a digitálními obvody • Obvod, který zajišťuje „rozhodnutí“, které ze 2 analogových vstupních napětí je větší. Výstupem je logická hodnota reflektující relativní hodnoty na vstupu. Ideální převodní charakteristika

Rozdílový zesilovač Často využíván k zesilování napětí na můstku

Zapojení neinvertujícího zesilovače Zesílení : Charakteristické vlastnosti : • nemění polaritu • velký vstupní odpor – v případě použití FET transistorů na vstupu je řádu 1015 Ohmů elektrometrický zesilovač • Záporná zpětná vazba – zesílení určuje opět pouze poměr resistorů R 0 a R 1 • zvláštní případy: – diferenciální zesilovač – sledovač

Zapojení invertujícího zesilovače Zesílení : Charakteristické vlastnosti : • Princip virtuální nuly • - sčítací bod, virtuální 0 (napětí Ei > 0, Rvst se blíží nekonečnu) • záporná zpětná vazba • zesílení je jednoznačně určeno poměrem rezistorů R 0 ku R 1, mění polaritu, vstupní odpor je dán R 1 • Sčítání vstupních napětí

Můstek s OZ

Sčítací zesilovač

Aplikační spektrum Voltmetr s neinvertujícím zapojením OZ

D/A převodník se sčítacím zesilovačem U digitálně-analogového převodníku využíváme vlastnosti operačního zesilovače, u kterého je zesílení určeno zpětnou vazbou 2 základní obvodové prvky : sčítací zesilovač a spínače

Sledovač Používá se jako měnič impedance : Velmi vysoký vstupní odpor mění na velmi Malý výstupní odpor Kde Ao je zesílení bez Zpětné vazby

Zdroj referenčního napětí s velmi nízkým výstupním odporem

Usměrňovače a detektory • diodový usměrňovač s OZ • výhodný k usměrnění malých napětí (prahové napětí diody se v tomto zapojení zmenší v poměru A zisku OZ) • nevýhoda-omezený kmitočtový rozsah • využití v přístrojové technice (multimetry) a při zpracování signálů

Logaritmické zesilovače

Převodníky U/I a I/U • Detekce světelného záření • Fotodioda v zapojení převodník I/U

Derivační obvod

• elektronická derivace – potlačení šumu “ 1/f” (filtr „hornopropust“) • elektronická integrace – potlačení šumu v horní kmitočtové části (filtr „dolnopropust“) • kombinací integračního a derivačního obvodu (filtr pásmová propust) dosáhneme zúžení pásma filtrace signálů Základem aktivních filtrů

Aktivní dolní propust

Aktivní horní propust

Funkční generátory Vhodným spojením integrátoru a Schmittova klopného obvodu lze realizovat generátor (trojúhelníkového a obdélníkového) tvaru impulsů. Demo verze programu Multisim 7 je na www. electronicsworkbench. com

Studijní literatura [1] J. Punčochář, Operační zesilovače v elektronice, BEN technická literatura, Praha 2002, ISBN 80 -7300 -058 -X [2] M. Frohn et. al. , Elektronika – polovodičové součástky a základní zapojení, BEN technická literatura, Praha 2006, ISBN 80 -7300 -123 -3