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 dBU =(20logU1/U2) dBP =(10log P1/P2) 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 Řešíme otázku určení extrému (maxima) funkce pro výkon na zátěži a podmínku tohoto extrému. řazení n- pólů za sebou maximální přenos výkonu tzv. výkonové přizpůsobení Podmínka výkonového přizpůsobení, tedy přenosu max. výkonu do zátěže.

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,GaAsP,SiC 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 Filtry pasivní a aktivní Využití – zpracování a úpravy signálů Dolní propust – odstranění šumu ze signálu Horní propust – odstranění např. síťové frekvence (50Hz) 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 dB Ukážeme si dva příklady řešení tohoto zadání : 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 mA , UCE= 6V , U20 = 12V Napíšeme rovnice pro první smyčku : U20=R2Ic + UCE pro druhou smyčku : U20=R1IB + UBE dále platí IC=h21IB UB=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 220kOhm 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 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 / E1 = Ro/R1 Není nutné provádět jakýkoli stejnosměrný návrh Celý návrh se redukuje na pouhý výpočet dvou odporů. Pro požadované zesílení 40dB = 100x musí být poměr odporů roven 100 Na jejich absolutní hodnotě nezáleží – může to být třeba 100kOhm/1kOhm ale i jiné poměry