Analogová a číslicová technika Průběh přírodních dějů (teplota,světlo,zvuk,…) je spojitý-analogový proces-snaha o jeho zachycení,zpracování a uložení Příklad.

Prezentace na téma: "Analogová a číslicová technika Průběh přírodních dějů (teplota,světlo,zvuk,…) je spojitý-analogový proces-snaha o jeho zachycení,zpracování a uložení Příklad."— Transkript prezentace:

1 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 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) Fyzikální experiment zahrnuje mnoho proměnných analogových signálů,jež je nutno zpracovat.Optimální je využít výhod číslicové techniky v určité fázi procesu.

2 Analogové zpracování signálu Analogový signál upravujeme přímo analogovými elektronickými obvody Očekávané změny amplitudy a fáze zpravidla závisejí na frekvenci, kmitočtové charakteristiky nastaveny hodnotami pasivních součástek – málo flexibilní

3 Číslicové zpracování signálu Výhody číslicového zpracování Méně komponent, deterministické stabilní chování, širší uplatnění Větší šumová odolnost, menší závislost na napájení, teplotě atd. Jednoduché přeladění filtrů, filtry s menšími tolerancemi, možnost self- testu Možnost implementace adaptivních filtrů ANALOG INANALOG OUT Finite Impulse Response Filter Číslicově- analogový převodník (DAC) Vzorkování (S/H) a analogově- číslicový převodník (ADC) Digitální zpracování (DSP) Rekonstrukční filter Anti-aliasing filter

4 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)

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

6 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

7 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

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

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

10 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

11 Obvody s diskrétními polovodičovými součástkami Diody pn přechod,VA charakteristika v prvním kvadrantu,souvislost prahového napětí U d 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

12 Voltampérové charakteristiky diod

13 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

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

15 Filtry

16 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

17

18 Bipolární transistor-VA charakter. Stejnosměrné VA charakteristiky bipolárního transistoru > par.U C I C / I B > > par. I B I C / U C > par.U C I B / U B > > par.I B U C /U B

19 Pracovní oblast tranzistoru

20 Bipolární versus CMOS technologie Unipolární tranzistory mají velký vstupní odpor, řádu 10 14 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.

21 Pracovní bod Soubor stejnosměrných parametrů,udávající jednoznačně polohu ve VA charakteristikách (obvodu) Může být ovlivněn neelektrickými parametry Nastavení a stabilizace Pracovní bod diody

22 Pracovní bod transistoru Základní zapojení transistoru v obvodu s rezistory určujícími polohu pracovního bodu Metody řešení vícesmyčkových obvodů-aplikace Ohmova a Kirchhoffových zákonů

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

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

25 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

26 Očekáváme: věrnost přenosu (výstupní signál má stejný tvar jako vstupní) – poměr harmonických složek signálu by se měl zachovávat, neměl by se měnit jejich fázový posuv => modulová a fázová frekvenční charakteristika konstantní běžné střídavé zesilovače vysoké frekvence - zesílení klesá s rostoucí frekvencí díky vnitřním paralelním kapacitám (např. Millerova kapacita bip. tranzistoru) Nízké frekvence – zesílení klesá s poklesem frekvence díky použití sériových kapacit ve vazbách přenosové pásmo F BW = F HI – F LO (body s poklesem zesílení o -3dB, tj. 1/√ 2) Zesilovače - přenos

27 Bodeho diagram Modulová a fázová frekvenční charakteristika jednostupňového střídavého zesilovače Bodeho diagram +45° -45° -3dB 0dB

28 Bodeho diagram Logaritmické modulové (dB) a fázové charakteristiky jednotlivých stupňů se sčítají 1 stupeň – 20dB/dek, posuv +/- 90deg 2 stupně – 40dB/dek, posuv +/- 180deg 3 stupně – 60dB/dek, posuv +/- 270deg Vícestupňové zesilovače Kritické pro možnost oscilací S počtem stupňů se zužuje přenosové pásmo

29 Stabilita zesilovače

30 Rozdělení vazeb dle zapojení k výstupu Napěťová vazbaProudová vazba klesároste výstupní odpor

31 Rozdělení vazeb dle připojení ke vstupu Seriová vazbaParalelní vazba klesároste vstupní odpor

32 Záporná zpětná vazba Záporná ZV rozšiřuje přenosové pásmo, snižuje zkreslení zlepšuje stabilitu zesílení (  vs. A 0 ) modifikuje vst./výst. impedanci

33 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

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

35 Spínací vlastnosti transistoru Transistor se po přivedení spínacího napětí U 1 do báze otevře ze stavu „off“ (bod A) po přímce odpovídající R C do stavu „on“ (bod B).V obou těchto mezních stavech je ztrátový příkon transistoru (U CE x I C ) 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 (U BE x I B ). Tento příkon je u unipolárních transistorů nulový a proto je tento typ transistorů preferován při integraci obvodů vysoké hustoty (paměti, CPU atd). Bipolární transistor

36

37 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

38 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

39 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)

40 Operační zesilovač Operační zesilovač je širokopásmový diferenciální zesilovač se stejnosměrným vstupem, s velkým vstupním odporem R i řádu stovky kΩ až několika MΩ, s malým výstupním odporem řádu 100 Ω a velkým zesílením větším než 10 4. Operační zesilovač byl původně používán jako základní jednotka analogových počítačů, diferenciálních analyzátorů sestavená z diskrétních prvků (tranzistory, odpory atd.). S rozvojem hybridních a později monolitických integrovaných obvodů se stal operační zesilovač samostatnou jednotkou, elektronickým prvkem. Původně používán v analogových počítačích, pro základní aritmetické operace sečítání, odečítání, dělení a násobení a rovněž pro integraci analogových signálů. Dnes uplatnění v řadě dalších elektronických obvodů jako stejnosměrné i střídavé zesilovače, komparátory, elektronický vzorkovací obvod (analogová paměť), klopné obvody a generátory signálů, aktivní filtry, převodníky z analogového signálu na číselnou hodnotu a naopak.

41 Ideální operační zesilovač – definice Zesílení ideálního operačního zesilovače v otevřené smyčce A a vstupní odpor Ri jsou nekonečně velké. Výstupní odpor Ro je nulový. I + = I - = 0 Nemá ofset ani drift. –Ofset = nenulový výstupní signál při zkratovaných a uzemněných vstupních svorkách –Drift = změna ofsetu s časem a teplotou. Vliv součtového signálu je nulový, tj. činitel potlačení součtového signálu K CMR → ∞. Zesiluje rovnoměrně signály všech frekvencí včetně nulové; je to tedy stejnosměrně vázaný zesilovač. Výstupní úroveň nezávisí na napájení, rozkmit E o není omezen. Jako zesilovač s velkým zesílením není operační zesilovač prakticky použitelný bez záporné zpětné vazby. Teorie ideálního operačního zesilovače je tak v podstatě teorií jeho zpětné vazby. E o = A(E + - E - ) + A/K CMR (E + + E - )/2

42 Základní funkční schéma

43 Ideální převodní charakteristika rozdílového zesilovače U vst U výst -U B +U B U ofs U ofs – vstupní ofsetové napětí A –zesílení - udává směrnice přímky saturační napětí

44 Ideální operační zesilovač

45 Reálný operační zesilovač Skutečné (reálné) OZ se liší od ideálních –Početní chyby – konečné hodnoty A, Ri, Ro –Statické chyby Ofset, drift, vstupní proudy a jejich nesymetrie, teplotní závislost Závislost výstupu na součtovém vstupním signálu Závislost výstupu na napájení Omezení rozkmitu výstupu, saturační napětí –Dynamické chyby Závislost A na kmitočtu, změna fáze výstupního signálu s kmitočtem Konečná rychlost přeběhu –Šumová složka ve výstupu (vnitřní zdroje i zesílení šumu na vstupu)

46 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.

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

48 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 napájení –standardní –sail-to-rail (pro malá napájecí napětí jedné polarity) podle technologie –bipolární –unipolární –kombinované např.BIFET velký počet typů podle požadovaných vlastností výhodná provedení 1,2,4 OZ v jednom pouzdře

49 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

50 Rozdílový zesilovač Často využíván k zesilování napětí na můstku

51 Zapojení neinvertujícího zesilovače Zesílení : nemění polaritu velký vstupní odpor – v případě použití FET transistorů na vstupu je řádu 10 15 Ohmů elektrometrický zesilovač Záporná zpětná vazba – zesílení určuje opět pouze poměr resistorů R 0 a R 1 zvláštní případy: –diferenciální zesilovač –sledovač Charakteristické vlastnosti :

52 Zapojení invertujícího zesilovače Zesílení : Princip virtuální nuly - sčítací bod, virtuální 0 (napětí E i > 0,R vst 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 Charakteristické vlastnosti :

53 Můstek s OZ

54 Sčítací zesilovač

55 Aplikační spektrum Voltmetr s neinvertujícím zapojením OZ

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

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

58 Zdroj referenčního napětí s velmi nízkým výstupním odporem

59 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

60 Detektor špiček

61 Logaritmické zesilovače

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

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

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

65 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 U x > 0. Poté se na vstup integrátoru připne referenční napětí U ref opačného znaménka než U x. Komparátor určuje okamžik, kdy výstupní napětí integrátoru je rovno nule. Časový interval mezi okamžikem připojení napětí U ref 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 t 3 je úměrný převáděnému analogovému signálu U x a snadno jej vyjádříme v číslicové formě pomocí hodinových impulsů a čítače. A1 A2 CLK

66 Derivační obvod

67 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

68 Aktivní dolní propust

69 Aktivní horní propust

70 Schmittův klopný obvod (trigger) zapojení velmi podobné neinvertujícímu zesilovači kladná zpětná vazba-poměrem R 2 / R 1 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

71 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

72 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 V 1 – V 2 (obvykle jednotky mV) interval neurčitosti (ani T ani F), nepřímo uměrný zesílení použitého OZ (obvykle desítky µV) Interval neurčitosti

73 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

74 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

75

76 Typy zdrojů signálu a měřících systémů Většina výstupů čidel po úpravě signálu představuje zdroj napětí Zdroje i měřicí systémy bývají uzemněné nebo plovoucí

77 Rozdělení zdrojů signálu Uzemněné zdrojeNeuzemněné (plovoucí) zdroje Typicky zdroje signálu napájené z elektrické sítě. Země dvou zdrojů nemusí být nutně na stejné potenciálu. I při napojení na stejný rozvod elektřiny v budově rozdíly 10-200 mV. Při špatném propojení více. Typicky baterie a zdroje napájené z baterie, termočlánky, transformátory, izolační zesilovače atd.

78 Diferenciální měřící systém Žádný ze vstupů nepřipojen k pevnému potenciálu (např. zemi) Bateriově napájené měřicí přístroje, systémy s přístrojovými zesilovači (diferenciální zesilovač s velkou vstupní impedancí v obou větvích Ideálně U m = A*(U + - U - ) Napětí přítomné současně na obou vstupech – součtové napětí (common-mode voltage) – ideálně potlačeno, prakticky omezení rozsahu, konečný činitel potlačení součtového napětí U m = A*(U + - U - ) + A/K CMRR *(U + + U - )/2 Činitel K CMRR klesá s frekvencí Měření K CMRR

79 Uzemněný (opřený o zem) měřící systém - GRSE Měření napětí se provádí proti zemnímu vodiči

80 Nezemněné (pseudodiferenciální) měření - NRSE Měření napětí na různých vstupech proti společnému referenčnímu vodiči – není přímo spojen se zemí

81 Měření uzemněných zdrojů 1 Pozor na připojení uzemněných zdrojů k uzemněným měřícím systémům !! chybové napětí  U g -> ss i st šum, působí proud zemní smyčkou, lze tolerovat u zdrojů signálu s velkou amplitudou při nízkoimpedančním spojení zemí

82 Měření uzemněných zdrojů 2 Lepší připojení k diferenciálním nebo pseudodiferenciální m systémům – rozdíl zemních potenciálů (souhlasné napětí) se neměří Non -

83 Měření plovoucích zdrojů 1 Součtové napětí nesmí přesáhnout bezpečné meze – u diferenciálních a pseudodiferenciálních zapojení nutno kontrolovat (zbytkové vstupní proudy zesilovačů !) U ss vazby postačí jeden odpor, ale vstupy nevyvážené – větší šum

84 Měření plovoucích zdrojů 2 U zemněného měřícího systému nevzniká zemní proudová smyčka Pseudodiferenciální vstupy odolnější proti šumu

85 Elmg. šum v měřících systémech Zdroje šumu – st napájecí přívody (50Hz), počítačové monitory, číslicové obvody, vysokonapěťové a silové zdroje, spínané napájecí zdroje, motory a silové spínače, výboje Přenos – vazba konduktivní (společná zátěž), v. kapacitní (elektrické pole), v. induktivní (magnetické pole), v. radiační (elmg. pole) Přijímač – čidla, přívody k obvodům pro úpravu signálu, vlastní obvody úpravy signálu, přívody k měřicímu systému Potlačení – rozdělení napájecích (silových) a signálových zemí, stínění, zvětšení vzdáleností, balancované diferenciální obvody, …

86 Nevhodné stínění - zemní smyčka Vhodné zapojení stínění Přenos šumu konduktivní vazbou

87 Přenos šumu kapacitní vazbouPřenos šumu induktivní vazbou

88 Balancované zapojení Shodná impedance vývodů zdroje a vstupů měřícího systému proti zemi, shodná impedance vodičů proti zemi Šum kapacitní vazbou -> součtový signál -> na rozdílové hodnotě Vm se neprojeví šum ~ signál

89

90 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 : 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)

91 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 : I C = 5 mA, U CE = 6V, U 20 = 12V Napíšeme rovnice pro první smyčku : U 20 =R 2 I c + U CE pro druhou smyčku : U 20 =R 1 I B + U BE dále platí I C =h 21 I B U B =konst=0,6V (přibližně z VA charakteristik) Grafické znázornění

92 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. 10 3 Ohm = 1,2 kOhm R 1 = 228.10 3 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 A u, vstupní odpor R i či dalších.

93 Čtyřpóly a matice

94 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)

95

96 Střídavý návrh zesilovače a h-parametry

97 Operační zesilovač v „invertujícím zapojení“. Je to základní zapojení OZ zesílení –A o = E o / E 1 = R o /R 1 –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 Návrh zesilovače použitím OZ Ad 2)

98 Základní zapojení OZ – invertující zesilovač Pro ideální OZ (E i = 0, i s = 0) Pro obecné pasivní prvky

99 Základní zapojení OZ – neinvertující zesilovač Pro ideální OZ (E i = 0, i s = 0) Pro obecné pasivní prvky

100 Základní zapojení OZ – napěťový sledovač Pro ideální OZ (E i = 0, i s = 0)

101 Vliv zpětné vazby OZ βA < 0 záporná ZV (A*<A) βA > 0 kladná ZV (A*>A) βA → 1 nestabilní zapojení (A* → ∞) |A| → ∞ … UoUo A β UiUi βUoβUo U´ i Zesílení id. OZ s uzavřenou ZV smyčkou je dáno jen parametry ZV

102 Porovnání ideálního a reálného OZ Konečné zesílení v otevřené smyčce A: Nenulový výstupní odpor R v, odpor zátěže R L