Analogová a číslicová technika

Prezentace na téma: "Analogová a číslicová technika"— 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 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)

2 „…digitální zvuk“

3 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)

4 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)

5 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

6 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

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

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

9 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

10 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

11 Voltampérové charakteristiky diod

12 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

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

14 Filtry

15 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

16

17 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

18 Pracovní oblast tranzistoru

19 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.

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

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

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

23 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

24 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

25 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

26 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

27 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)

28 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).

29 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

30 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

31 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)

32 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.

33 Základní funkční schéma

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

35 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

36 Ideální operační zesilovač

37 Rozdělení operačních zesilovačů
podle použití standardní (..741) levné precizní (OP177) trimované laserem přístrojové (AD624) pevné/nastavitelné zesílení výkonové, vysokonapěťové AD A vysokofrekvenční (video...) AD MHz podle technologie bipolární unipolární kombinované např.BIFET velký počet typů podle požadovaných vlastností výhodná provedení 1,2,4 OZ v jednom pouzdře

38 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

39 Rozdílový zesilovač Často využíván k zesilování napětí na můstku

40 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

41 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

42 Můstek s OZ

43 Sčítací zesilovač

44 Aplikační spektrum Voltmetr s neinvertujícím zapojením OZ

45 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

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

47 Zdroj referenčního napětí s velmi nízkým výstupním odporem

48 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

49 Logaritmické zesilovače

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

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

52 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

53 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

54 Derivační obvod

55 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

56 Aktivní dolní propust

57 Aktivní horní propust

58 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

59 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

60 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

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

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