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

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,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

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

Spínací vlastnosti transistoru Základní parametry impulsu doba zpoždění doba náběhu (čelo) Další parametry – perioda , opakovací kmitočet,střída aj. trvání impulsu Vznik zákmitů,přenos impulsu, zpoždění,přizpůsobení doba doběhu (týl)

Spínací vlastnosti transistoru Bipolární transistor Transistor se po přivedení spínacího napětí U1 do báze otevře ze stavu „off“ (bod A) po přímce odpovídající RC do stavu „on“ (bod B).V obou těchto mezních stavech je ztrátový příkon transistoru (UCE x IC) minimální.Nezanedbatelný je však příkon během spínacích dob (náběžné a doběžné), rostoucí se vzrůstajícím kmitočtem signálu. Z hlediska příkonů není rovněž zanedbatelný budící příkon do báze transistoru (UBE x IB). Tento příkon je u unipolárních transistorů nulový a proto je tento typ transistorů preferován při integraci obvodů vysoké hustoty (paměti, CPU atd).

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 Uofs – vstupní ofsetové napětí A –zesílení - udává směrnice přímky -UB saturační napětí

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 (OP177) trimované laserem přístrojové (AD624) pevné/nastavitelné zesílení výkonové, vysokonapěťové AD815 - 1A vysokofrekvenční (video...) AD8130 - 250MHz 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 R0 a R1 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 R0 ku R1,mění polaritu,vstupní odpor je dán R1 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

Funkční měniče dioda jako exponenciální měnič logaritmický zesilovač teplotní nestability ….

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

Integrátor zapojení pro analogové počítače využití: odezva na ss a stř signály kmitočtová charakteristika má charakter dolní propusti aktivní filtry analogové „středování” šumu dolní propust pro digitalizaci signálu funkční generátory analogové časovací obvody

Analogově/digitálního převod Převodník využívající dvojnásobné analogové integrace Analogový signál transformuje na časový interval, který se digitalizuje.Základním obvodem je analogový integrátor. Ke vstupu integrátoru se nejprve na přesně stanovený časový interval t 1 přivede analogový signál Ux > 0. Poté se na vstup integrátoru připne referenční napětí Uref opačného znaménka než Ux. Komparátor určuje okamžik, kdy výstupní napětí integrátoru je rovno nule. Časový interval mezi okamžikem připojení napětí Uref na vstup integrátoru a překlopení komparátoru označíme t  3. Časové intervaly  t 1 a  t 3 měříme jako násobky přesného hodinového intervalu t 2. Časový interval t3 je úměrný převáděnému analogovému signálu Ux a snadno jej vyjádříme v číslicové formě pomocí hodinových impulsů a čítače. A1 A2 CLK

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

Schmittův klopný obvod (trigger) zapojení velmi podobné neinvertujícímu zesilovači kladná zpětná vazba-poměrem R2 / R1 je dána tzv. hystereze, jejímž důsledkem je,že výstup SKO se mění teprve tehdy,když vstupní úroveň překročí napěťovou hysterezi nutnou pro zpětný přechod pouze 2 stabilní stavy: Eo = +/- Usat - tvarovače Napěťová hystereze

Schmittův klopný obvod Komparátor je zdrojem chyb při zpracování skutečného signálu vlivem šumu či rušivého signálu V horní část obrázku je průběh vstupního signálu. V prostřední po zpracování komparátorem. Pokud zde místo komparátoru použijeme SKO s vhodně zvolenou úrovní hystereze, dostaneme správnou odezvu – spodní obrázek

Základní vlastnosti a parametry V návaznosti na číslicové obvody je třeba zajistit kompatibilitu s jednotlivými logickými skupinami (např. TTL kompatibilita předpokládá, že“1“ je + 5V a „0" je < 0,8V) Rychlost odpovědi typicky 40 až 100 ns, nejrychlejší i několik ns Chyby : Vstupní ofsetové napětí - (ideálně 0) , udává jak je posunut rozhodovací bod vzhledem ke skutečné 0 hodnotě V1 – V2 (obvykle jednotky mV) interval neurčitosti (ani T ani F), nepřímo uměrný zesílení použitého OZ (obvykle desítky µV) Interval neurčitosti

Funkční generátory Vhodným spojením integrátoru a Schmittova klopného obvodu lze realizovat generátor (trojúhelníkového a obdélníkového) tvaru impulsů. Demo verze programu Multisim7 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