Topic analoge informatieverwerking Begrippen versterken waarom om steeds

Topic: analoge informatieverwerking Begrippen • versterken: waarom ? – om steeds voldoende boven de ruis uit te komen • vb. signaal van geostationaire satelliet – om voldoende vermogen te kunnen leveren om een actuator aan te sturen • vb. motoren • lineariseren – na niet-lineaire omzetting • de spanning of stroom uit de sensor is niet altijd evenredig met de te meten grootheid die de sensor opmeet • filteren – selecteren van bepaald deelspectrum • vb. ontvangst van radio – corrigeren van spectrum • beslissen versterkers (veelal opamps) + R, L, C componenten

Topic: analoge informatieverwerking Overzicht: de 3 acties in analoge elektronica • waarnemen (sensor), of controleren (actuator): – – types bereik, domein, gevoeligheid, DCT (DC transferfunctie) spectrum, bandbreedte impedantie (Thévenin) • overbrengen via transmissiemedium – bandbreedte – ruis – impedantie • conditioneren of verwerken (versterkers) – – – definitie, types, I/O model A( ), ( ) lineaire vervorming ruis ingang- en uitgangsimpedantie niet-lineaire vervorming • getrouwheid van overbrenging

Topic: analoge informatieverwerking Transducers • sensor: niet elektrisch (primaire) signaal naar elektrisch (secundaire) signaal – vb. microfoon • actuator: omgekeerde – vb. luidspreker • types – directe sensoren: omzetting in • meetbare open-klemspanning – spanningstype, kleine Rs • meetbare korstsluitstroom – stroomtype, grote Rs – indirecte sensoren: impedantie is een functie van primaire signaal i g + - Rs e 0=f(g) i 0=f(g) v g i Rs g Z=f(g) v

Topic: analoge informatieverwerking Transducers • begrippen – DC-transferfunctie (DCT) • statisch verband tussen de 2 grootheden • evenwicht in ieder punt – bereik (range) • toegelaten waarden primaire grootheid – gevoeligheid (sensitivity) • d. E/dg(g 0) met E secundaire grootheid

Topic: analoge informatieverwerking Transducers • voorbeelden – thermokoppel: directe sensor vh spanningstype • 2 juncties van metalen op temperatuur (vb. ijzer constantaan) • e over voltmeter evenredig met verschil absolute T tussen twee thermokoppels (3 en 4 op dezelfde T !!!) • e is zeer klein versterking nodig te observeren T 1 + v 1 - referentie T 2 + v 2 + - v 3, T 3 voltmeter R= + v 4, T 3 0 = -v 1+v 3+e-v 4+v 2, v 3 = v 4 e = v 1 -v 2 = (T 1 -T 2) + T 1 T 2 + - Rs Ri v 1 e 0= (T 1 -T 2) + - R 0 0 RL 1000 v 1 versterker V ruis -

Topic: analoge informatieverwerking Transducers • voorbeelden – fotodiode: directe sensor vh stroomtype • pn junctie waarop fotonen invallen – foton wordt geabsorbeerd en genereert electrongat paar, die een stroom doet vloeien – fotostroom evenredig met fotonenstroom en dus met de lichtsterkte – vrijwel oneindige Rs • zonnecel (100 W/m 2) • LED: Light Emitting Diode: ‘rode puntlichtje’ • laserdiodes: in optische netwerken

Topic: analoge informatieverwerking Transducers • voorbeelden – elektrodynamische microfoon: directe sensor vh spanningstype • • • – vereist egalisatie geluid = drukvariatie in de tijd beweging membraan verandert magnetische flux veranderlijke magnetische flux geeft spanning (wet van Faraday-Lenz) e(t) = K dp/dt of E = K j P TRAAGHEID VAN MEMBRAAN: tijdsconstante van membraan-veer-demper systeem: AC transferkarakteristiek H = E/P = K j /(1+j ) versterking Av = A(1+j )/j vraagje 1. Bewijs de formule voor e(t) !

Topic: analoge informatieverwerking Elektrodynamische microfoon p 1 + e(t) - I

Topic: analoge informatieverwerking Transducers • voorbeelden – accelerometer: indirecte sensor – airbag • gebaseerd op veranderende capaciteit • zie slides

Topic: analoge informatieverwerking Transducers • voorbeelden – uit de micro-mechanica: zie figuur • als accelerometer of drukmeter (microfoon) – versnelling of druk verandert C – in combinatie met sinusoïdale stroombron » amplitudemodulatie • als elektrostatische luidspreker (actuator) – spanningsverschil wekt kracht op F = 0 AV 2/2 d 2 – wijzigende kracht geeft verplaatsing d = 0 AV 2/2 kd 2 » is niet-lineair: nood aan niet-lineaire versterker

Topic: analoge informatieverwerking Versterkers • Doel: kleine signalen groot maken zonder vervorming – spreken >< roepen • idaal: v 0(t) = G vi(t) of v 0(t) = rm ii(t) G = voltage gain, rm = transresistance – bron vi of ii wordt niet belast – uitgangsspanning v 0 onafhankelijk van RL • vanuit gebruikersstandpunt

Topic: analoge informatieverwerking Versterkers lineair model frequentie onafhankelijk Rs + + + - vi v 1 Ri - + - R 0 Av v 1 • spanning - spanning – open klem winst Av = v 0/v 1 voor RL= – versterking G G = v 0/vi = Ri/(Ri+Rs) RL/(Rl+R 0) Av – als Rs<<Ri en Ro<< RL G = v 0/vi (1 -(Rs/Ri)-(Ro/RL)) Av RL vo -

Topic: analoge informatieverwerking Versterkers lineair model frequentie onafhankelijk i 1 ii Gs Gi + + - R 0 rm i 1 • stroom - spanning – open klem winst Av = v 0/i 1 voor RL= – versterking G G = v 0/ii = Gi/(Gi+Gs) RL/(RL+R 0) rm – als Gs<<Gi en Ro<< RL G = v 0/ii (1 -(Rs/Ri)-(Ro/RL)) rm RL vo -

Topic: analoge informatieverwerking Versterkers lineair model frequentie afhankelijk Rs + + + - Vi V 1 Ri - + - R 0 Av V 1 RL Vo - • transistoren, weerstanden, geleiders met C – RC laagdoorlaat in frequentiedomein – open klem winst Av = Avo 1/(1+jf/fu) (genoteerd met grote letters in italic) met fu kantelfrequentie of halfvermogenfrequentie – versterking G G = V 0/Vi = Ri/(Ri+Rs) RL/(Rl+R 0) Avo 1/(1+jf/fu) |G| = Go (1/(1+(f/fu)2) = -bgtg(f/fu) Gd. B = 20 log 10(|G|) zie slide

Topic: analoge informatieverwerking Versterkers lineair model • bode diagramma Gd. B(f<fu) 20 log 10(G 0) Gd. B(f>fu) 20 log 10(G 0) - 20 log 10(f/fu) – 2 asymptoten • horizontale • -20 d. B per decade – -3 d. B bij fu • bandbreedte B: frequentieband tussen -3 d. B versterkingspunten • lineaire vervorming – frequenties boven fu verzwakt

Topic: analoge informatieverwerking Versterkers lineair model cascade Rs + + + - Vi V 1 Ri 1 + - R 01 Av 1 V 1 - trap 1 Ri 2 + V 2 - + R 02 Av 2 V 1 RL V 0 - trap 2 • trapwinsten G = V 0/Vi = (V 0/V 2) (V 2/Vi) = G 2 G 1 = V 2/Vi = Ri 1/(Ri 1+Rs)Ri 2/(Ri 2+R 01)Av 1 = G 10/(1+jf/fu 1) G 2 = V 0/V 2 = RL/(RL+R 02)Av 2 = G 20/(1+jf/fu 2) Gd. B = G 1 d. B + G 2 d. B = -bgtg(f/fu 1) - bgtg(f/fu 2) na 2 e kantelpunt -40 d. B per decade • eenheidswinstbandbreedte f 0 – frequentie waarbij de totale winst 1 (0 d. B) is • fasespeling – verschil tussen fase bij f 0 en -180° (stabiliteit) • zie slide

Topic: analoge informatieverwerking Versterkers lineair model AC-gekoppeld – geen DC nodig • telefonie: 200 Hz - 4. 5 k. Hz • muziek: 16 Hz - 16 k. Hz – drift (vb. temperatuur) = traag fenomeen ! • versterkers die lage freqs onderdrukken – nulpunt bij 0 Hz en pool bij f 1 V 1/Vi=Ri/(Ri+Rs+1/j C)=Ri/(Rl+Rs)(jf/fl)/(1+jf/fl) fl =1/(2 (Ri+Rs)C) – totale winst, winst voor middenfrequenties G=V 0/Vi= (V 1/Vi)(V 0/V 1) = Ri/(Ri+Rs) (jf/fl)/(1+jf/fl) Avo 1/(1+jf/fu) RL/(Rl+R 0) = Gm(jf/fl)/(1+jf/fl) • 1/(1+jf/fu) – bandbreedte B: verschil ts halfvermogenfreqs • zie slide Rs C + + + - Vi V 1 Ri - + - R 0 Av V 1 RL Vo -