Podstawy Elektroniki Opracowanie Zagadnieo – Spis treścisirius.cs.put.poznan.pl/~inf89784/zagadnienia.pdf · 2. Analiza stałoprądowa obwodu elektrycznego programem PSPIE (dyrektywa

1 Podstawy Elektroniki – Opracowanie Zagadnieo – Spis treści

Wstęp do teorii obwodów ..................................................................................................................................................................... 2

1. Modele elementów obwodowych wykorzystywanych w opisie obwodu elektronicznego..................................................................... 2 2. Analiza stałoprądowa obwodu elektrycznego programem PSPICE (dyrektywa sterująca „.DC”), wyznaczanie punktu pracy układu nieliniowego. ............................................................................................................................................................................................... 10 3. Analiza małosygnałowa, zmiennoprądowa obwodu elektrycznego programem (analiza .AC). Zasady analizy symbolicznej obwodu przy wymuszeniu sinusoidalnym. ................................................................................................................................................................ 10 4. Zasady opisu obwodu elektrycznego równaniami różniczkowymi – analiza przejściowa w dziedzinie czasu – analiza .TRAN. ............ 10

Półprzewodnikowe elementy układów elektronicznych ........................................................................................................... 10

5. Zasada działania tranzystora warstwowego i podstawowe parametry – współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie wspólnej bazy - WB (α0) i współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie wspólnego emitera – WE (β0). przewodzenia w półprzewodnikach typu n, typu p i złączu p-n spolaryzowanym napięciem zewnętrznym. ...................................................................................................... 10 6. Charakterystyki tranzystora na przykładzie układu WE (wejściowa IB(UBE)½UCE=const , i IC(UCE)½IB=const - wyjściowa). .............. 14 7. Parametry H tranzystora (na przykładzie układu WE), małosygnałowy model równoważny tranzystora na przykładzie układu WE wyznaczony z charakterystyk tranzystora. .................................................................................................................................................. 15 8. Przykładowe typy diod i ich zastosowanie: dioda warstwowa, Zenera, dioda elektroluminescencyjna, dioda pojemnościowa (warikap), fotodioda, dioda sterowana – tyrystor. ..................................................................................................................................... 16 9. Tranzystor unipolarny z izolowaną bramką - MOS, zasada działania, charakterystyki przejściowe i wyjściowe. ................................. 22

Praca tranzystorów bipolarnych w podstawowych konfiguracjach (elementarne ............................................................ 24

małosygnałowe stopnie wzmacniające tranzystorów bipolarnych) ....................................................................................... 24

10. Schemat zastępczy i podstawowe własności pracy tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego emitera (WE). ............................ 24 11. Schemat zastępczy i podstawowe własności pracy tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego kolektora (WC) – wtórnik emiterowy, układ Darligtona (super alfa). ................................................................................................................................................... 24

Wzmacniacze – podstawowe rodzaje – dobór parametrów pracy ........................................................................................... 25

12. Podstawowe rodzaje wzmacniaczy - praca w klasie A, AB, B i C. .......................................................................................................... 25 13. Typy wzmacniaczy prądu stałego – specyfika pracy tych układów, ogólny opis wzmacniacza operacyjnego idealnego – co to jest masa wirtualna? .......................................................................................................................................................................................... 27 14. Parametry określające jakośd wzmacniacza operacyjnego, wybrane przykłady spośród licznych zastosowao wzmacniaczy operacyjnych, np: integrator, wtórnik napięciowy. .................................................................................................................................... 29

Podstawy techniki SC ............................................................................................................................................................................ 36

15. Technika SC w konstrukcji układów scalonych przykład realizacji rezystora oraz integratora w technice SC. ...................................... 36 16. Analiza podanego przykładowego układu SC. ....................................................................................................................................... 36

Układy impulsowe regeneracyjne – przerzutniki ........................................................................................................................ 37

17. Ogólne warunki generacji drgao w układzie ze sprzężeniem zwrotnym wykorzystane do zmiany stanu przerzutnika, klasyfikacja przerzutników. Przerzutnik Schmitta .......................................................................................................................................................... 37 18. Przerzutniki cyfrowe, praca przerzutników w trybie synchronicznym i asynchronicznym na przykładzie przerzutnika Master-Slave. 37 19. Przerzutnik typu R-S (S-R) oraz J-K, przerzutnik typu D i typu T; zastosowanie przerzutników. ............................................................ 37

Elementy elektroniczne jako składniki bramek cyfrowych – układów logicznych ............................................................ 40

20. Praca tranzystora NMOS z obciążeniem aktywnym (drugim tranzystorem NMOS) – inwerter NMOS, budowa układów logicznych opartych na inwerterach NMOS – przyczyny ograniczonego zastosowania takiego rozwiązania. ............................................................. 40 21. Inwerter dynamiczny NMOS (sterowany zegarem), budowa podstawowych bramek dynamicznych NMOS. ..................................... 43 22. Zasada działania inwertera CMOS. Zalety i wady techniki układów komplementarnych CMOS, konstrukcja bramek logicznych w technice CMOS. ........................................................................................................................................................................................... 44 23. Bramka transmisyjna (TG) w technice CMOS – budowa, działanie i zastosowania. .............................................................................. 44 24. Przykład prostego multipleksera, demultipleksera, kodery i dekodery (wykorzystanie w realizacji pamięci). ..................................... 45 25. Podstawowe rodzaje rejestrów i liczników – budowa i działanie.......................................................................................................... 45 26. Podstawy projektowania bramek logicznych z uwzględnieniem opóźnienia. ....................................................................................... 48

Generatory ............................................................................................................................................................................................... 48

27. Warunki generacji drgao – rodzaje generatorów LC, generator kwarcowy. ......................................................................................... 48 28. Zasada budowy generatorów RC – zalety i wady. ................................................................................................................................. 50

Przetworniki a/c i c/a .......................................................................................................................................................................... 51

29. Podstawowe parametry i typowe błędy wprowadzane przez przetworniki c/a. Najprostsze realizacje przetworników c/a – z przełączaniem prądowym i napięciowym. Zalety przetwornika c/a z drabinką rezystorową. .................................................................... 51 30. Podstawowe parametry przetworników a/c. Przykład całkującego przetwornika a/c. ......................................................................... 55

2

2 Podstawy Elektroniki – Opracowanie Zagadnieo

Wstęp do teorii obwodów

1. Modele elementów obwodowych wykorzystywanych w opisie obwodu elektronicznego. Podstawowe pojęcia:

Obwody o stałych skupionych – są to obwody elektryczne zbudowane z elementów(rezystorów, cewek, kondensatorów), których długośd jest b. mała w porównaniu z długością fali elektromagnetycznej odpowiadającej częstotliwości prądu w obwodzie.

Obwody o stałych rozłożonych – elementy składowe obwodu elektrycznego są rozłożone w sposób ciągły wzdłuż całego obwodu (ich długośd jest współmierna z długością fali elektromagnetycznej), np. elektryczna linia długa.

Podstawowe rodzaje wymuszeo (sygnałów) i stosowne analizy:

Wymuszenie stałoprądowe (Obwody prądu stałego) analiza .DC

Wymuszenie sinusoidalnie zmienne (Obwody prądu sinusoidalnie zmiennego) analiza .AC

Wymuszenia dowolnego kształtu (w tym impulsowe), analiza stanów przejściowych (dynamicznych) analiza .TRAN Podstawowe elementy obwodowe dla układów DC :

Elementy pasywne – R, L, C

Źródła prądu i napięcia (idealne i rzeczywiste)

Źródła sterowane i idealny wzmacniacz operacyjny

Prawa Kirchhoffa dla układu DC (pojęcie węzła i oczka obwodu) Podstawowe elementy obwodowe dla układów AC :


Warunki analizy obwodu AC Podstawowe elementy obwodowe dla układów TRAN dziedzina czas, opis równaniami różniczkowymi) :


Warunki analizy obwodu TRAN Rodzaje elementów obwodowych(wg funkcji elementów):

Elementy liniowe i nieliniowe

Aktywne Pasywne

Źródła autonomiczne (nie zależne - E, J).

Źródła nieautonomiczne(sterowane)

Bierne, konserwatywne (L, C, M)

Czynne, dys-sypatywne (R)

Elementy obwodowe pasywne idealne: (matematyczne modele elementów)

Rezystancja – R (G=1/R – kondunktancja),

Indukcyjnośd – L (samoindukcja),

Pojemnośd – C,

Indukcyjnośd wzajemna – M.

UKLADY DC (direct current) Obwody prądu stałego

Ogólnie (w dziedzinie czasu) .TRAN Dla obwodów prądu stałego .DC

Rezystancja Rezystancja

3


UR=R*IR, G=1/R Prawo Ohma UR=UR(t), IR=IR(t) R-Rezystancja *Ω+ G-konduktancja [S]

UR=R*IR, G=1/R Prawo Ohma UR=const, IR=const.

Indukcyjnośd

iL=iL(t) uL=uL(t) uL=L diL/dt L- indukcyjnośd *H+

Indukcyjnośd iL=IL=const. uL=UL=const. UL=L*(dIL/dt)=0 Czyli UL=0, IL=const. Stały prąd, napięcie na elemencie = 0 – zwarcie Model obwodowy

Cewka (element rzeczywisty)

Element rzeczywisty – cewka

Pojemnośd

iC=iC(t) uC=uC(t) iC=C diC/dt C-pojemnośd *F+

Pojemnośd iC=IC=const. uC=UC=const. IC=C (dUC/dt)=0 Jak IC=0, UC=const. Oznacza to przerwę w obwodzie

Kondensator (element rzeczywisty)

GC=1/RC

Element rzeczywisty

GC=1/RC

4


Sprężenie indukcyjne z cewek (magnetyczne)

UL1=L1 diL1/dt +(-) M diL2/dt UL2=L2 diL2/dt +(-) M diL1/dt

iL1=IL1=const. iL2=IL2=const.

Zasilanie od 1 strony transformator, np. na biegu jałowym (i2=0) UL2 = +(-) M diL1/dt

Przy zasilaniu od 1 strony nie ma przenoszenia energii na stronę wtórną. Nic się nie indukuje.

Wniosek: Przechodząc od postaci ogólnej obwodu (wymuszenia, prądy i napięcia funkcją czasu) do postaci uproszczonej obowiązującej dla prądu stałego (wymuszenia, prądy i napięcia stałe w czasie) zwieram indukcyjnośd i rozwieramy pojemnośd.

Opis obwodu równaniami Kirchhoffa

.TRAN .DC

iK=iK(t) i1 + i3 – i2 – i4 = 0 PPK ∑+(-) iK = 0 Dla dowolnego węzła

iK=IK=const. I1 + I3 – I2 – I4 = 0 ∑+(-)IK=0 Dla dowolnego węzła

5


UK=UK(t) E2 – u4 + u3 + u1 = 0 Dla dowolnej drogi zamkniętej (oczka) NPK ∑+(-) uK +(-) eK = 0

uK=UK=const. eK=EK=const. E2-U4+U3+U1=0 Dla dowolnej drogi zamkniętej (oczka) NPK ∑+(-) UK+EK=0

Elementy aktywne .DC – źródła napięcia, prądu stałego.

Źródło napięciowe (idealne) Źródło napięciowe (rzeczywiste)

i – dowolne, e – niemal od obc.

I - dowolne, E-const.

Charakterystyki zewnętrzne źródeł.

Źródło prądowe (idealne) Źródło prądowe (rzeczywiste)

6


j-niezal. od obc., u – dowolne

U-dowolne

Charakterystyki zewnętrzne źródeł

Zamiana źródeł dla .DC

Elementy aktywne .DC – źródła sterowane

Źródło VVT (voltage to voltage transducer) Źródło CCT (current to current transducer)

7


I1=0, I2- dowolne U=μU1, μ-const *V/V+, wsp. sterowania źródła

I1-dowolne, U1=0 I2=λI1, U2-dowolne, λ-const*A/A+ wsp. sterowania źródła

Źródło VCT voltage to current transducer Źródło CVT current to voltage transducer

I1=0, I2=q*U1, U2-dowolne, q-const[A/V] Wsp. sterowania żródła

U1=0,U2=γ*I1, I2-dowolne, γ-const[V/A] Wsp. sterowania źródła

Wzmacniacz operacyjny – idealny 1. Różnicowy

Uwy = - A*Uwe = - A(U

-we – U

+we)

Zał. Idealizujące układ: a) A -> nieskoocz. Dla dowolnych sygnałów (stąd nieograniczone pasmo częstotliwośdi) b) U

-we – U

+we -> 0 (aby sygnal UW, przy A-> nieskoocz. był skooczony).

c) I-we, I

+we ->0, co oznacza ze Rwe -> nieskoocz.

d) Rwy-> 0 , tzn Iwy – dowolne, zależy jedynie od obciążenia. 2. Nieróżnicowy (1 wejśdie uziemione)

8


Uwe-> 0, A-> nieskoocz. Iwe-> 0, Uwy =

- A * Uwe, I – dowolne

Pojęcie masy wirtualnej wzmacniacza – przykład realizacji układu wzmacniającego i całkującego.

Ku – wzmocnienie układu Ku – U2/U1 U1 – I1*R1 = 0 => U1=I1 * R1 U2 – I1 * R2 = 0 => U2 = I1* R2 Stąd Ku = U2/U1 = R2/R1

Szeregowe łączenie rezystorów: Rw = R1 + R2 + R3 + … Równoległe łączenie rezystorów: 1/Rw = 1/R1+ 1/R2 + 1/R3 + … Indukcyjnośd zastępcza – szeregowo: Lw= L1 + L2 + L3 + … Indukcyjnośd zastępcza – równolegle: 1/Lw= 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 + … Pojemnośd zastępcza – szeregowo: 1/Cw= 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + … Pojemnośd zastępcza – równolegle: Cw= C1 + C2 + C3 + …

9


Pierwsze litery oznaczeo dwójników:

Oznaczenie Element

C Kondensator

D Dioda

E ZNSN(źródło napięciowe sterowane napięciem)

F ZPSP (źródło prądowe sterowane prądem)

G ZPSN (źródło prądowe sterowane napięciem)

H ZNSP (źródło napięciowe sterowane prądem)

I Źródło prądowe

L Indukcyjnośd

R Rezystor

V Źródło napięciowe

10


2. Analiza stałoprądowa obwodu elektrycznego programem PSPICE (dyrektywa sterująca „.DC”), wyznaczanie punktu pracy

układu nieliniowego. Wykład 2 z 11.03 a reszta zostanie opracowana ale działanie programu nie. Zawarte w punkcie 1. 3. Analiza małosygnałowa, zmiennoprądowa obwodu elektrycznego programem (analiza .AC). Zasady analizy symbolicznej

obwodu przy wymuszeniu sinusoidalnym. 4. Zasady opisu obwodu elektrycznego równaniami różniczkowymi – analiza przejściowa w dziedzinie czasu – analiza .TRAN. Zawarte w punkcie 1.

Półprzewodnikowe elementy układów elektronicznych

5. Zasada działania tranzystora warstwowego i podstawowe parametry – współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie wspólnej bazy - WB (α0) i współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie wspólnego emitera – WE (β0). przewodzenia w półprzewodnikach typu n, typu p i złączu p-n spolaryzowanym napięciem zewnętrznym.

Półprzewodniki typu p i n, złącze p-n Półprzewodniki typu p i n otrzymuje sie odpowiednio domieszkując półprzewodniki samoistne. Przykładowo, jeżeli do czystego krzemu Si wprowadzimy domieszkę pierwiastka z grupy V (np. fosfor P lub antymon Sb) to otrzymamy materiał typu n, w którym ilośd elektronów jest wielokrotnie większa niż ilośd dziur. Domieszka pierwiastka z grupy III (np. bor B, glin Al ) daje półprzewodnik typu p, w którym nośnikami większościowymi są dziury a nośnikami mniejszościowymi są elektrony. Łącząc ze sobą półprzewodniki typu p i n dostajemy tzw. złącze p-n.

11


Różnica koncentracji dziur i elektronów wymusza częściowy przepływ dziur z obszaru p do obszaru n i odwrotnie - elektrony z obszaru n przepływają do obszaru p. Wskutek tego na granicy rozdziału obszaru powstaje napięcie elektryczne Ukt zwane napięciem kontaktowym. Proces ten trwa do momentu, gdy powstające napięcie Ukt zniweluje przepływ dziur i elektronów. Jednocześnie w warstwie granicznej dochodzi do wzmożonej rekombinacji par dziura – elektron. W rezultacie, w warstwie granicznej ilośd swobodnych nośników prądu elektrycznego radykalnie maleje. Stad warstwa graniczna złącza p - n nazywa sie inaczej warstwa zubożona lub warstwa zaporowa. Warstwa zubożona znacznie gorzej przewodzi prąd elektryczny niż obszary p i n. Grubośd warstwy zubożonej jest rzędu μm i silnie zależy od polaryzacji napięcia podawanego na złącze p - n. Jeżeli złącze p - n spolaryzujemy w kierunku przewodzenia, grubośd warstwy zubożonej maleje i złącze dobrze przewodzi prąd elektryczny. W tym przypadku udział w przewodzeniu prądu biorą nośniki większościowe, których koncentracja jest duża. Przy polaryzacji wstecznej warstwa zubożona rozszerza sie i złącze źle przewodzi prąd elektryczny. W tym przypadku prąd przenoszą nośniki mniejszościowe, których koncentracja jest znacznie mniejsza od koncentracji nośników większościowych. Tranzystor warstwowy głównie w technice krzemowej, przy tym generalnie rozróżnia sie dwa typy:

tranzystory warstwowe

tranzystory polowe. Tranzystory warstwowe inaczej nazywamy tranzystorami bipolarnymi, a tranzystory polowe tranzystorami unipolarnymi. Tranzystor warstwowy składa sie z trzech różnie domieszkowanych obszarów. Rozróżniamy dwa typy tranzystorów bipolarnych npn i pnp. Konstrukcja i zasada działania obu typów jest podobna. Przykładowo, w tranzystorze pnp dwa obszary p są przedzielone wąskim obszarem n. Ten środkowy obszar nazywa sie baza, a dwa pozostałe obszary odpowiednio emiterem i kolektorem, Obszar emitera domieszkuje sie najsilniej tak, aby ze wszystkich obszarów posiadał on największa koncentracje nośników. Obszary tranzystora tworzą dwa złącza p-n, którymi są złącze emiter-baza i złącze baza-kolektor. W normalnym reżimie pracy tranzystora złącze emiter-baza polaryzuje sie w kierunku przewodzenia a złącze baza-kolektor w kierunku zaporowym. Dla tranzystora pnp rysunek.

12


Ponieważ złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, to z emitera do bazy wpływa duża ilośd dziur. Dziury te są w bazie nośnikami mniejszościowymi i częściowo rekombinują z elektronami swobodnymi bazy. Aby zmniejszyd straty dziur, obszar bazy powinien byd jak najwęższy i byd słabiej domieszkowany niż obszar emitera. Przy zaporowej polaryzacji złącza baza-kolektor dziury wyemitowane przez emiter do bazy swobodnie przepływają do obszaru kolektora. Ie = IC + IB (1) gdzie: Ie , IC (lub IK ), IB - natężenie prądów emitera, kolektora i bazy odpowiednio. Wskutek częściowej rekombinacji dziur i elektronów w bazie, do bazy wpływają elektrony tworząc prąd bazy. Ponieważ obszar bazy jest słabiej domieszkowany niż obszar emitera, prąd bazy jest znacznie mniejszy niż prąd emitera. Stad prądy kolektora i emitera są prawie równe ie 1 ik. Prądy bazy i kolektora są w zwykłym zakresie pracy tranzystora wzajemnie proporcjonalne. Mała zmiana prądu bazy ib powoduje duża zmianę prądu kolektora ik. Iloraz:

𝐼𝐶𝐼𝐵

= 𝛽

nazywa sie współczynnikiem wzmocnienia prądowego tranzystora Jak widad natężenie prądu przepływającego pomiędzy emiterem i kolektorem silnie zależy od prądu bazy. Stad tranzystor warstwowy można traktowad jako opornik, którego wielkośd jest regulowana prądem bazy. Przy tym, gdy prąd bazy rośnie, opór tranzystora maleje, a napięcie na tranzystorze jest małe. Przy małym prądzie bazy opornośd tranzystora jest duża i napięcie na tranzystorze rośnie. Tranzystory pnp i npn oznaczamy symbolami:

Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. (Prąd emitera jest zawsze sumą prądu kolektora i prądu bazy). Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy, współczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem h21

E lub grecką literą β

Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia wymusza przepływ prądu przez to złącze – nośniki większościowe (elektrony w tranzystorach NPN lub dziury w tranzystorach PNP) przechodzą do obszaru bazy (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą bezpośrednio do kolektora – jest to możliwe dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy – znacznie mniejszej niż droga swobodnej dyfuzji nośników ładunku w tym obszarze (ok. 0,01-0,1 mm), co pozwala na łatwy przepływ nośników przechodzących przez jedno ze złącz do obszaru drugiego złącza – nośniki wstrzyknięte do bazy niejako 'siłą rozpędu' dochodzą do złącza kolektor baza. Ponieważ złącze to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym to nośniki mniejszościowe są 'wsysane' do kolektora.

http://pl.wikipedia.org/wiki/Pr%C4%85d

http://pl.wikipedia.org/wiki/Gr.

http://pl.wikipedia.org/wiki/Z%C5%82%C4%85cze_p-n

http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektron

http://pl.wikipedia.org/wiki/Dziura_elektronowa

http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektroda

http://pl.wikipedia.org/wiki/Dyfuzja

13


Prąd bazy składa się z dwóch głównych składników: prądu rekombinacji i prądu wstrzykiwania. Prąd rekombinacji to prąd powstały z rekombinowania wstrzykniętych do bazy nośników mniejszościowych z nośnikami większościowymi w bazie. Jest tym mniejszy im cieosza jest baza. Prąd wstrzykiwania jest to prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartośd zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera.

Podstawowe znaczenie dla działania tego urządzenia mają zjawiska zachodzące w cienkim obszarze, zwanym bazą, pomiędzy dwoma złączami półprzewodnikowymi.

Zasada obowiązuje tylko dla stanu aktywnego, w stanie nasycenia prąd kolektora jest mniejszy niż by wynikał z tego wzoru, bo układ do którego podłączony jest kolektor nie jest w stanie dostarczyd odpowiednio dużego prądu, a w stanie zatkania płyną tylko resztkowe prądy elektrod wynikające z niedoskonałości technologii

Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora.

Tranzystor posiada trzy koocówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane:

emiter (ozn. E),

baza (ozn. B),

kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejnośd warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym,

stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia,

stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo,

stan aktywny inwersyjny (krócej: inwersyjny): BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).

Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset).

Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych.

Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany, ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem prądowym

Rozróżniamy układy pracy tranzystora:

wspólny emiter (WE)

wspólna baza (WB)

wspólny kolektor (WK)

Parametr WK WE WB

Rezystancja wejściowa duża średnia mała

Wzmocnienie napięciowe równe jedności duże średnie

Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności

http://pl.wikipedia.org/wiki/Urz%C4%85dzenie

http://pl.wikipedia.org/wiki/Zjawisko

http://pl.wikipedia.org/wiki/Z%C5%82%C4%85cze_p%C3%B3%C5%82przewodnikowe

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wz%C3%B3r

http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektroda

http://pl.wikipedia.org/wiki/Tranzystor

http://pl.wikipedia.org/wiki/P%C3%B3%C5%82przewodnik

http://pl.wikipedia.org/wiki/Z%C5%82%C4%85cze_p-n

http://pl.wikipedia.org/wiki/Polaryzacja_z%C5%82%C4%85cza_p%C3%B3%C5%82przewodnikowego

http://pl.wikipedia.org/wiki/Pr%C4%85d

http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektron

http://pl.wikipedia.org/wiki/Dziura_elektronowa

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wzmacniacz

http://pl.wikipedia.org/wiki/Impuls

http://pl.wikipedia.org/wiki/Uk%C5%82ad_cyfrowy

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wsp%C3%B3lny_emiter

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wsp%C3%B3lna_baza

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wsp%C3%B3lny_kolektor

14


Opornośd wyjściowa mała duża duża

Wspólny emiter - jeden z trzech podstawowych układów wzmacniaczy na tranzystorach bipolarnych, Zasadniczą cechą tego

rodzaju wzmacniaczy jest to, że wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a emiter tranzystora,

natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy kolektora a emitera. Emiter jest więc "wspólny" dla sygnałów

wejściowego i wyjściowego - stąd nazwa układu.

Wspólna baza - jeden z trzech podstawowych układów wzmacniaczy na tranzystorach bipolarnych, Zasadniczą cechą tego

rodzaju wzmacniaczy jest to, że wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a emiter tranzystora,

natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy bazy i kolektora. Baza jest więc "wspólna" dla sygnałów


Wspólny kolektor - jeden z trzech podstawowych układów wzmacniaczy na tranzystorach bipolarnych, Zasadniczą cechą tego

rodzaju wzmacniaczy jest to, że wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a kolektor tranzystora,

natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy kolektora a emitera. Kolektor jest więc "wspólny" dla sygnałów


6. Charakterystyki tranzystora na przykładzie układu WE (wejściowa IB(UBE)½UCE=const , i IC(UCE)½IB=const - wyjściowa).

Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawiająca zależnośd prądu kolektora IC od napięcia kolektor-emiter UCE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter UBE i stałym prądzie bazy IB. Z charakterystyki tej można


http://pl.wikipedia.org/wiki/Tranzystor_bipolarny



http://pl.wikipedia.org/wiki/Tranzystor



15


stwierdzid iż powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia UCE, oraz że do wywołania dużej zmiany prądu kolektora DIC wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter DUBE

Charakterystyka przejściowa przedstawia prąd kolektora IC jako funkcję napięcia baza-emiter UBE, oraz IB =const. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy.

Charakterystyka wejściowa opisuje zależnośd prądu bazy IB od napięcia baza-emiter UBE, przy stałym napięciu kolektor-emiter UCE. Charakterystyka ta, podobnie jak i następna jest wykorzystywana rzadziej od dwóch wcześniejszych.

Charakterystyka zwrotna przedstawia zależnośd prądu kolektora od prądu kolektora IC od prądu bazy IB, przy UCE=const Widad na niej, że prąd kolektora jest w pewnym stopniu proporcjonalny do prądu bazy.

7. Parametry H tranzystora (na przykładzie układu WE), małosygnałowy model równoważny tranzystora na przykładzie układu WE wyznaczony z charakterystyk tranzystora.

Tranzystor pracujący w dowolnej konfiguracji można sobie wyobrazid jako czwórnik (rys 2.16) pobudzany ze źródła

sterującego o rezystancji wewnętrznej 𝑅𝑔 i obciążony rezystancją 𝑅𝑜 .

Przyjmując 𝐼1 i 𝑈2 jaki niezależne otrzymamy układ równao szczególnie dogodny do analizy układu zastępczego

tranzystora. Równania opisujące czwórnik mają postad:

𝑈1 = 𝑕11𝐼1 + 𝑕12𝑈2

𝐼2 = 𝑕21𝐼1 + 𝑕22𝑈2

Taki układ parametrów jest nazywany układem parametrów mieszanych lub typu h, ponieważ są one zdefiniowane w

stanie rozwarcia na wejściu i zwarcia na wyjściu.

Interpretacja parametru h wynika z równao:

𝑕11𝐸 = 𝑈1

𝐼1 𝑈2=0

impedancja wejściowa przy zwartym wyjściu, inaczej zwarciowa impedancja wyjściowa

𝑕12𝐸 = 𝑈1

𝑈2 𝐼1=0

współczynnik napięciowego sprzężenia zwrotnego przy otwartym wejściu, inaczej zwarciowy współczynnik

napięciowego sprzężenia zwrotnego

𝑕21𝐸 = 𝐼2

𝐼1 𝑈2=0

współczynnik wzmocnienia prądowego przy zwartym wyjściu, inaczej zwarciowy współczynnik wzmocnienia

prądowego

𝑕22𝐸 = 𝐼2

𝑈2 𝐼1=0

admitancja wyjściowa przy otwartym wejściu, inaczej rozwarciowa admitancja wyjściowa

16


Zaletą opisu czwórnika za pomocą parametrów h jest to, że wielkości te mogą byd dokładnie pomierzone w układach

elektronicznych oraz wyznaczone w punkcie pracy z charakterystyk statycznych (rys 2.18). Na podstawie rys 2.18b można

napisad 𝐼1 = 𝐼𝐵 , 𝑈1 = 𝑈𝐵𝐸 , 𝐼2 = 𝐼𝐶 , 𝑈2 = 𝑈𝐶𝐸 , tak więc otrzymujemy:

𝑕11𝐸 = ∆𝑈𝐵𝐸

∆𝐼𝐵 ∆𝑈𝐶𝐸 =0

=𝑈𝐵𝐸2 − 𝑈𝐵𝐸1

𝐼𝐵2 − 𝐼𝐵1

𝑕12𝐸 = ∆𝑈𝐵𝐸

∆𝑈𝐶𝐸

∆𝐼𝐵=0

=𝑈𝐵𝐸1 − 𝑈𝐵𝐸3

𝑈𝐶𝐸2 − 𝑈𝐶𝐸1

𝑕21𝐸 = ∆𝐼𝐶∆𝐼𝐵

∆𝑈𝐶𝐸 =0

= 𝐼𝐶2 − 𝑈𝐶1

𝐼𝐵2 − 𝐼𝐵1

𝑕22𝐸 = ∆𝐼𝐶∆𝑈𝐶𝐸

∆𝐼𝐵=0

=𝐼𝐶3 − 𝐼𝐶1

𝑈𝐶𝐸2 − 𝑈𝐶𝐸1

8. Przykładowe typy diod i ich zastosowanie: dioda warstwowa, Zenera, dioda elektroluminescencyjna, dioda pojemnościowa (warikap), fotodioda, dioda sterowana – tyrystor.

Dioda warstwowa Zastosowanie: ? Przyrząd złożony z dwóch kryształów mających własności złącza elektronowo-dziurowego nazywamy diodą półprzewodnikową

(krystaliczną).

Dioda półprzewodnikowa wykazuje własności jednokierunkowej przewodności prądu elektrycznego, czyli zachowuje się jak tzw.

opornik nieliniowy. Dzięki tym własnościom dioda nadaje się do prostowania prądu zmiennego (przemiennego).

Dwa zasadnicze stany pracy diody półprzewodnikowej:

dioda jest załączona do źródła prądu w następujący sposób: do półprzewodnika typu P dołączony jest biegun dodatni,

zaś do półprzewodnika typu N — ujemny biegun źródła prądu. W przedstawionym na rys. 2 układzie dioda znalazła się

17


pod napięciem przewodzenia (Up). Pod działaniem tego napięcia elektrony w półprzewodniku typu N podążają do

granicy złącza, a następnie przenikają w obszar półprzewodnika typu P, w którym w przeciwnym kierunku poruszają się

dziury. Dziury z kolei przenikają w obszar przewodnika typu N. W przewodach łączących diodę ze źródłem napięcia,

poruszają się tylko elektrony. Zjawisko to można wyjaśnid następująco:

elektrony podążają w kierunku od ujemnego bieguna źródła prądu do półprzewodnika typu N i kompensują

tam ubytek elektronów, które rekombinują z napływającymi tam dziurami. Na terenie półprzewodnika typu P

elektrony podążają w kierunku dodatniego bieguna źródła prądu, wskutek czego w i tym półprzewodniku

powstają wciąż nowe dziury. Opisany proces ma charakter ciągły, dzięki czemu w obwodzie przepływa prąd

zwany prądem przewodzenia (Ip).

Opór złącza P-N dla prądu przewodzenia jest zasadniczo bardzo mały (zależnie od typu diody), co oznacza, iż

prąd przewodzenia może płynąd przy stosunkowo niewielkim napięciu przyłożonym do półprzewodnika.

do diody półprzewodnikowej doprowadzono napięcie o przeciwnej biegunowości (rys. 3). W tej sytuacji elektrony w

półprzewodniku typu N poruszają się (chwilowo) w kierunku dodatniego bieguna źródła prądu oddalając się od granicy

złącza. W półprzewodniku typu P podobnie poruszają się dziury oddalając się od złącza, gdzie rekombinują z

elektronami przybywającymi od ujemnego bieguna źródła prądu.

Ruch elektronów i dziur w przeciwnych kierunkach trwa bardzo krótko, a prąd chwilowy przypomina ładowanie się

kondensatora.

Opór złącza P-N w tym stanie będzie bardzo duży. Często nawet używa się określenia, że na granicy dwóch półprzewodników

powstaje warstwa zaporowa. Jednak pomimo jej istnienia w każdym półprzewodniku dzięki zjawiskom cieplnym powstają

niezwiązane elektrony i dziury wywołując nieznaczny prąd wsteczny (Iwst), który jest wielokrotnie mniejszy od prądu

przewodzenia (Ip). Przy przekroczeniu pewnej granicy napięcia wstecznego następuje uszkodzenie warstwy zaporowej złącza, a

wówczas mówimy o przebiciu diody.

Diody warstwowe wytwarzane są głównie z krzemu. Prądy przewodzenia tych diod wynoszą nawet do kilku tysięcy amperów, a

napięcie wsteczne do kilku tysięcy woltów.

Symbol diody

18


z

Charakterystyka diody (ID – prąd przewodzenia; UAK – napięcie na diodzie, IFmax – maksymalny prąd przewodzenia; UR – napięcie

wsteczne; UF określa się przy prądzie przewodzenia IF=0,1·IFmax).

Dioda Zenera Zastosowanie: Podstawowym zastosowaniem diody Zenera jest źródło napięcia odniesienia, ponadto używana bywa do przesuwania poziomów napięd oraz jako element zabezpieczający i przeciwprzepięciowy Odmiana diody półprzewodnikowej, która w kierunku przewodzenia zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej może przewodzid prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Wykorzystuje do działania zjawisko Zenera. Występuje ono w silnie domieszkowanych złączach p-n spolaryzowanych zaporowo. Objawia się nagłym, gwałtownym wzrostem prądu (prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną charakterystyczną dla danego złącza wartośd zwaną napięciem Zenera. Zjawisko Zenera jest również nazywane przebiciem Zenera, lecz to "przebicie" nie powoduje uszkodzenia złącza.

Symbol diody Zenera

Charakterystyka statyczna I=f(U)

19


Diody Zenera produkowane są na napięcia 1 – 600V przy dopuszczalnej mocy złącza 250mW, 1W bez radiatora i 5W z radiatorem.

𝐼𝑅𝑚𝑎𝑥 =𝑃

𝑈𝑍

; 𝐼𝑅𝑚𝑖𝑛 = 0,1𝐼𝑅𝑚𝑎𝑥

Dla prądów < IRmin spadek napięcia na diodzie silnie zależy od prądu diody. Dioda elektroluminescencyjna Zastosowanie:

IR – emitujące promieniowanie podczerwone – wykorzystywane w łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania

HBLED, High Brightness LED – diody o wysokiej jasności świecenia; za takie uważa się, których jasnośd przekracza 0.2 cd; znajdują one zastosowanie w miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł światła – w sygnalizacji ulicznej, w oświetleniu pojazdów, w latarkach

RGB LED – dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski), a co za tym idzie, przez możliwośd ich mieszania, praktycznie dowolnej barwy

RGBA LED – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze bursztynowym (ang. Amber) powiększającą osiągalną przestrzeo barw

warm white LED – LED generująca światło bardzo zbliżone do światła żarówki (temperatura barwy 3500 K, odpowiednio dobrana jaskrawośd)

Diody elektroluminescencyjne zwane są także diodami świecącymi LED (z ang. Light Emiting Diode), emitują promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym. Promieniowanie jest wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów. Jest to dioda świecąca pod wpływem energii elektrycznej doprowadzonej z zewnątrz. Intensywnośd świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależnośd ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Istnieją diody elektroluminescencyjne próżniowe, gazowane i półprzewodnikowe. Często stosowane są półprzewodnikowe, gdyż pracują przy niewielkich napięciach (ok. 2 V) z niewielkimi prądami (kilku do kilkunastu mA), co ułatwia ich współpracę w układach tranzystorowych.

Symbol diody LED

Charakterystyka diody LED

Dioda pojemnościowa (warikap) Zastosowanie: Warikapy (od variable capacitance, zmienna pojemnośd), o pojemności rzędu 10-500 pF, używane głównie w układach automatycznego strojenia jako elementy obwodów rezonansowych. Półprzewodnikowa dioda o regulowanej pojemności elektrycznej. W diodach tych wykorzystuje się zjawisko zmiany pojemności złącz P-N pod wpływem polaryzacji w kierunku wstecznym. Ten mechanizm występuje w każdej diodzie półprzewodnikowej spolaryzowanej zaporowo, ale dioda pojemnościowa jest specjalnie przystosowana do tego zadania. Diody pojemnościowe zastępują kondensatory obrotowe w obwodach strojeniowych. Mogą byd również stosowane w powielaczach częstotliwości, w przełącznikach systemów wąskopasmowych oraz we wzmacniaczach parametrycznych. Maksymalne napięcie polaryzacji warikapów nie przekracza 60 – 80 V.

20


Symbol warikapu

Charakterystyka warikapu Fotodioda Zastosowanie:

przy braku polaryzacji - bateria słoneczna

przy polaryzacji zaporowej - nieliniowy rezystor, w którym opór zależy od strumienia światła. W obu przypadkach można wykorzystad fotodiodę jako detektor. Fotodioda, rodzaj diody półprzewodnikowej, spolaryzowanej zaporowo, przez którą w warunkach braku oświetlenia płynie bardzo mały prąd (tzw. prąd ciemny wywołany cieplnym ruchem nośników prądu) wzrastający pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (z zakresu optycznego). Przy oświetleniu fotodiody wytwarzają się nośniki prądu (pary: elektron - dziura), w wyniku czego pojawia się prąd, proporcjonalny do strumienia światła. Charakterystyka widmowa fotodiody zależy od rodzaju wykorzystanego materiału półprzewodnikowego.

Dioda sterowana – tyrystor.

Tyrystorami są nazywane specjalne diody krzemowe mające elektrodę zapłonową zwaną bramką. Elementy te nie przewodzą prądu elektrycznego pomimo polaryzacji w kierunku przewodzenia dopóty, dopóki do bramki nie dopłynie impuls prądu załączającego. Zniknięcie prądu bramki nie przerywa prądu płynącego przez tyrystor. Zaletami tyrystorów są: małe rozmiary i ciężar, duża wytrzymałośd mechaniczna, możliwośd natychmiastowej pracy w temperaturach -65 do +125*C, mały spadek napięcia na elemencie przewodzącym rzędu 0,6-1,6V oraz brak żarzenia. Tyrystory są produkowane na prądy od części do setek amperów i więcej oraz na napięcia zwrotne od setek woltów do kilku kilowoltów Zastosowanie: Tyrystory znalazły zastosowania w wielu dziedzinach. Jako sterowniki prądu stałego są stosowane w stabilizatorach napięcia stałego i w automatyce silników prądu stałego. Jako sterowniki prądu przemiennego – w automatyce silników indukcyjnych i w technice oświetleniowej. Jako łączniki i przerywacze prądu stałego i przemiennego – w automatyce napędu elektrycznego, układach stabilizacji napięcia i w technice zabezpieczeo. Jako przemienniki częstotliwości – w automatyce silników indukcyjnych, technice ultradźwięków, w urządzeniach zapłonowych silników spalinowych, gdzie ma duże znaczenie szybkośd narastania prądu w cewce zapłonowej, a więc płynącego przez tyrystor - od tego zależy wysokośd indukowanego przez nią napięcia. Są stosowane w energetycznych układach przekształtnikowych najwyższych napięd i mocy, przykładem jest stacja przekształtnikowa w Ustce zasilająca stałoprądowy kabel podmorski łączący polski system energetyczny ze szwedzkim na napięcie znamionowe 400 kV. Były

21


stosowane w stopniach mocy układów odchylenia poziomego strumienia elektronowego w kineskopach telewizorów np. pierwszy kolorowy Neptun 501A, skąd zostały jednak szybko i całkowicie wyparte przez tranzystory impulsowe z powodu niekorzystnych właściwości układów tyrystorowych.

Na rysunku 2.24 przedstawiono schematycznie warstwy półprzewodnika w tyrystorze. Przypuśdmy, ze początkowo oba wyłączniki K1 i K2 (rys.2.24a) są otwarte, a następnie zamykamy włącznik K1m dołączając w ten sposób do zacisków A, K tyrystora napięcia polaryzujące go w kierunku przewodzenia. Tyrystor jednak nie przewodzi prądu (wyłącznik K2 pozostaje otwarty), wewnątrz półprzewodnika występuje bowiem warstwa zaporowa 2, którą symbolicznie zaznaczono gruba linią. Tyrystor zacznie przewodzid wtedy, gdy zmniejszy się rezystancja warstwy zaporowej 2. Można to osiągnąd przesuwając do warstwy 2 nośniki prądu. Do tego celu służy pomocnicza elektroda B (bramka). Po zamknięciu wyłącznika K2 (rys. 2.24b) złącze p-n między bramką i katodą diody przewodzi prąd 𝐼𝐺 powstający w wyniku rekombinacji dziur i elektronów.

W warstwie katodowej koncentracja elektronów jest duża. Warstwa sterująca jest cienka i ma sporą ilośd domieszek.

Tyrystor jako prostownik przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Aby można było wyzyskad jego właściwości w

obwodach prądu przemiennego trzeba stosowad dwa tyrystory włączone w odwrotnych kierunkach, co jest niedogodna. Stosując tyrystor symetryczny – triak omijamy ten problem.

22


Triak ma dwie anody, a struktura wewnętrzna zapewnia połączenie p-n-p-n dla Ubu kierunków. Charakterystyka

tyrystora symetrycznego jest podwojoną charakterystyką tyrystora zwykłego. Kolejnym udoskonaleniem są tzw. tyrystory dwubramkowe. Ten tyrystor ma dwie bramki, jedna służy do włączania

przepływu prądu, a druga do wyłączania tego przepływu.

9. Tranzystor unipolarny z izolowaną bramką - MOS, zasada działania, charakterystyki przejściowe i wyjściowe.

Tranzystory polowe w skrócie FET (Field Effect Transistor), są również nazywane unipolarnymi. Działanie tych tranzystorów polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośników, czyli albo elektronów albo dziur. Sterowanie transportem tych nośników, odbywającym się w części tranzystora zwanej kanałem, odbywa się za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką. Bramka jest odizolowana od kanału, a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego, znajdującymi się na obu koocach kanału (zwanych źródłem oraz drenem) występuje bardzo duża impedancją. Podstawowe charakterystyki Przejściowa - zależnośd prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źródło (UGS) przy stałym napięciu dren-źródło (UDS). Charakterystyka ta dla różnych typów tranzystorów przedstawiona została poniżej.

Charakterystyka Wyjściowa - zależnośd prądu drenu (ID) od napięcia dren-źródło (UDS), przy stałym napięciu bramka-źródło (UGS). Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielid na dwie części: obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy). Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią, której kształt przypomina parabolę.

23


W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor półprzewodnikowy. Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo. W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartośd prądu drenu, natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące. Zasada działania tranzystora MOSFET Poniżej przedstawiono zasadę działania tranzystora MOSFET z kanałem indukowanym typu n i podłożem typu p.

Na powyższym rysunku przedstawiona jest sytuacja, w której polaryzacja drenu i bramki jest zerowa czyli UDS=0 i UGS=0. W takiej sytuacji brak jest połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i źródłem czyli brak jest kanału. Jeżeli zaczniemy polaryzowad bramkę coraz większym napięciem UGS>0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia, zwanej napięciem progowym UT, zaistnieje sytuacja przedstawiona na poniższym rysunku.

Dodatni ładunek bramki spowodował powstanie pod jej powierzchnią warstwy inwersyjnej złożonej z elektronów swobodnych o dużej koncentracji oraz głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. Powstaje w ten sposób w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źródłem. Przewodnośd tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, czyli od napięcia UGS. Wielkośd prądu płynącego powstałym kanałem zależy niemalże liniowo od napięcia UDS. Zależnośd ta nie jest jednak do kooca liniowa, ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki, na skutek czego im bliżej drenu, tym różnica potencjałów pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał płytszy.

Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartośd zwana napięciem odcięcia UGSoff, lub wartośd napięcia UDS zrówna się z poziomem napięcia UGS (UDS=UGS), powstały kanał całkowicie zniknie.

Można zatem powiedzied iż dla małych wartości napięcia dren-źródło omawiany tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor, którego rezystancję można regulowad za pomocą napięcia bramka-źródło.

24


Praca tranzystorów bipolarnych w podstawowych konfiguracjach (elementarne małosygnałowe stopnie wzmacniające tranzystorów bipolarnych)

10. Schemat zastępczy i podstawowe własności pracy tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego emitera (WE).

Wspólny emiter W układzie o wspólnym emiterze – oznaczanym WE lub OE sygnał jest doprowadzony między emiter i bazę, a obciążenie jest włączone między kolektor i emiter. Emiter stanowi elektrodę wspólną dla źródła sygnału i obciążenia.

Rysunek przedstawia układ połączeo tranzystora bipolarnego w układzie o wspólnym emiterze OE

Tranzystor pracujący w układzie OE charakteryzuje się:

dużym wzmocnieniem prądowym ( ),

dużym wzmocnieniem napięciowym,

dużym wzmocnieniem mocy. Napięcie wyjściowe w układzie OE jest odwrócone w fazie o 180° w stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset W a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt kW.

11. Schemat zastępczy i podstawowe własności pracy tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego kolektora (WC) – wtórnik emiterowy, układ Darligtona (super alfa).

Potencjał emitera tranzystora nadąża za potencjałem bazy stąd nazwa układu – wtórnik emiterowy.

Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się: - dużą rezystancją wejściową – co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości - wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym) - dużym wzmocnieniem prądowym (𝛽 + 1 = 𝐼𝐸/𝐼𝐵).

25


- W zakresie małych częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym układ nie odwraca fazy sygnału wejściowego. Układ Darligtona (super alfa) – budowa i zastosowanie. Układ ten pracuje w konfiguracji WC. Tranzystor T1 pracuje w zakresie małych prądów . Powoduje to pracę tranzystora T1 w zakresie nieliniowym, z czego mogą wynikad zniekształcenia nieliniowe i mała wartośd wzmocnienia prądowego tego tranzystora. Układ ten charakteryzuje się dużą rezystancją wejściową oraz bardzo dużym wzmocnieniem. Dzięki takiemu połączeniu uzyskujemy wypadkowy współczynnik wzmocnienia równy iloczynowi współczynników użytych tranzystorów. Stosuje się go wszędzie tam, gdzie jest korzystne zastosowanie wzmacniacza o dużej oporności wejściowej, np.: do zwiększania impedancji stopnia wejściowego wzmacniaczy operacyjnych. Inna definicja: Układ Darlingtona to połączenie dwóch tranzystorów. Emiter tranzystora pierwszego został połączony z bazą tranzystora drugiego. Uzyskano element, który zachowuje się jak zwykły tranzystor, ale ma bardzo duże wzmocnienie prądowe. Układ ten zachowuje się jak zwykły tranzystor, różnicą jest większe napięcie UBE wymagane do jego otwarcia (dwukrotnie większe niż w zwykłym tranzystorze). Układ Darlingtona ma bardzo duże wzmocnienie prądowe: β = β1 * β2. Już przy wzmocnieniu każdego z tranzystorów równym 50, wypadkowe wzmocnienie prądowe wyniesie 2500! A przy β 1= β 2=200 wzmocnienie wynosi 40 tysięcy! Rewelacja! :) A więc układ Darlington charakteryzuje się dużą rezystancją wejściową oraz bardzo dużym wzmocnieniem, dzięki czemu jest często stosowany we wzmacniaczach mocy, we wzmacniaczach różnicowych oraz układach separujących, wtórnikach emiterowych.

𝑟𝑤𝑒 = (𝛽 + 1)2𝑅𝐸 ; 𝑟𝑤𝑦 =𝑅𝑔

(𝛽 + 1)2

Wzmacniacze – podstawowe rodzaje – dobór parametrów pracy

12. Podstawowe rodzaje wzmacniaczy - praca w klasie A, AB, B i C. Wzmacniacz jest układem, w którym kosztem niewielkiej energii elektrycznej można w sposób ciągły sterowad wielokrotnie większą energią dostarczaną z głównego źródła zasilania układu do obciążenia, czyli wzmacniad sterujący sygnał elektryczny. Układ taki musi więc zawierad czynny element sterowany (trioda, tranzystor bipolarny lub unipolarny), sterujący przepływem energii ze źródła zasilania do obciążenia, obwód wejściowy (wejście), do którego jest doprowadzana energia sterująca ze źródła wzmacnianego sygnału, oraz obwód wyjściowy (wyjście), do którego dołącza się odbiornik wzmacnianego sygnału (obciążenia).

26


Klasa A Jest to podstawowa klasa pracy tranzystora (lampy) gdzie wykorzystywany jest jego liniowy odcinek charakterystyki wzmocnienia - podczas pracy wzmacniacza przez element wzmacniający zawsze płynie prąd. Nie następuje jego wyłączenie. Wszystkie wzmacniacze pracujące w konfiguracji "single ended" pracują w klasie A. W układach tych nie występują zniekształcenia skrośne ale słyną z nieparzystych harmonicznych ocieplających dźwięk. Wzmacniacze klasy A posiadają niską sprawnośd energetyczną (około 25%)ze względu na duże straty mocy, które są zamieniane w ciepło. Klasa B Określana jako klasa pracy tranzystorów (lamp) w konfiguracji przeciwsobnej (push pull). W układzie tym polaryzowany jest zawsze tylko jeden element wzmacniający i tylko przez jeden płynie prąd do obciążenia. Obciążenie jest sterowane z dwóch kluczy osobno dla dodatniej i ujemnej połówki sygnału. Wzmacniacz w takiej konfiguracji posiada największą sprawnośd energetyczną (teoretycznie 78%)ze wzmacniaczy analogowych. Klasa AB Jest to pośredni układ pracy tranzystorów w układzie przeciwsobnym, gdzie do pewnego prądu wyjściowego polaryzowane są obie połówki w kluczach wyjściowych. Dopiero po przekroczeniu pewnego prądu wyjściowego, gdy na rezystorach emiterowych powstanie spadek napięcia odejmującego się od napięcia polaryzacji i jeden z kluczy zostanie odcięty, wzmacniacz przechodzi w klasę B. Generalnie to bez sygnału i przy małym wysterowaniu wzmacniacz taki pracuje w klasie A by przy dużym wysterowaniu przejśd w klasę B. Zaletą takiego rozwiązania jest brak zniekształceo skrośnych przy małych sygnałach, a przy dużym wysterowaniu wzmacniacza zniekształcenia te są maskowane przez sygnał. Wzmacniacze te mają trochę mniejszą sprawnośd od wzmacniacza w klasie B. Klasa C Tranzystor lub lampa pracują w nieliniowym odcinku swojej charakterystyki, nie posiadając stałej polaryzacji i sterowne są wyłącznie sygnałem wejściowym. Główne zastosowanie to stopnie mocy w.cz. w nadajnikach radiowych. W akustyce ta klasa pracy nie jest stosowana. Inna wersja: Wzmacniacz elektryczny (wzmacniacz) to układ elektroniczny, którego zadaniem jest wytworzenie na wyjściu sygnału o wartości większej, proporcjonalnej do sygnału wejściowego. Dzieje się to kosztem energii pobieranej z zewnętrznego źródła zasilania. Wzmacniacze są budowane przy użyciu elementów aktywnych (niegdyś lamp elektronowych, obecnie tranzystorów). Klasa A Sprawnośd 10-25% Grzeje się. Czysty, niezniekształcony dźwięk. Marzenie audiofila. Klasa B Sprawnośd 78% Nie grzeje się – w spoczynku nie przewodzi prądu. Zniekształcenia skrośne. Stosowane w sprzęcie estradowym – gdzie liczy się moc i sprawnośd a nie wysoka jakośd odtwarzania. Klasa C Wzmacniacze takie dają dużą moc, lecz o bardzo dużych zniekształceniach. Małe sygnały nie są wzmacniane. Wykorzystuje się je w układach generacyjnych, alarmowych, itp.

27


Klasa AB Większośd współczesnych wzmacniaczy pracuje w klasie mieszanej - AB. Tranzystory (lampy) są spolaryzowane tak, aby w stanie spoczynku przepływał przez nie niewielki prąd. Przy słabych sygnałach wzmacniacz pracuje w klasie A, a przy większych - w klasie B. Wzmacniacze klasy AB łączą zalety klas A i B: mają nieduże zniekształcenia i stosunkowo dużą sprawnośd, rzędu 50 - 70%. W zależności od wartości prądu spoczynkowego mówimy o płytszej lub głębszej klasie AB. Czym większy prąd spoczynkowy, tym mniejsza sprawnośd, ale i mniejsze zniekształcenia.

13. Typy wzmacniaczy prądu stałego – specyfika pracy tych układów, ogólny opis wzmacniacza operacyjnego idealnego – co to jest masa wirtualna?

Wzmacniacze prądu stałego są układami dolnoprzepustowymi, które służą do wzmacniania sygnałów w określonym paśmie częstotliwości w tym również sygnałów wielozmiennych i stałych. Wzmacniacz prądu stałego powinien wzmacniad tylko sygnał użyteczny zaś tłumid sygnały szkodliwe. Bardzo ważne jest więc zapewnienie stałości warunków pracy i zmniejszenie do minimum sygnałów szkodliwych. Wzmacniacz różnicowy: Jest to wzmacniacz z dwoma wejściami, w którym napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do różnicy napięd wejściowych. Podstawową cechą wzmacniacza różnicowego jest zdolnośd wzmacniania różnicy wartości sygnałów podawanych na jego wejścia (czyli tzw. sygnałów różnicowych), tłumienia natomiast ich wspólnej części (czyli tzw. sygnałów wspólnych). We wzmacniaczu tym istnieje zatem możliwośd wzmacniania małych sygnałów różnicowych na tle bardzo dużych sygnałów wspólnych. Układ wzmacniacza jest zbudowany z dwóch tranzystorów połączonych ze sobą emiterami (wzmacniacz prądu stałego ze sprzężeniem emiterowym) ze stabilizacją prądu emiterów tranzystorów T1 i T2 za pomocą wspólnego rezystora RE. Bazy tranzystorów stanowią dwa wejścia wzmacniacza, a ich kolektory – wyjścia. Układ może byd sterowany niesymetrycznie,

28


tzn. sygnał z jednego źródła jest podawany względem masy na jedno z wejśd, podczas gdy drugie wejście ma ustalony potencjał (np. potencjał masy układu) lub symetrycznie, gdy sygnał użyteczny jest podawany między oba wejścia. Jeżeli sygnał wyjściowy jest pobierany tylko z kolektora tranzystora T1 (węzeł A) lub z tranzystora T2 (węzeł B) względem masy układu, to wzmacniacz ma wyjście niesymetryczne. Jeżeli natomiast sygnałem wyjściowym jest różnica napięd między węzłami A i B, to wzmacniacz ma wyjście symetryczne.

U1 ↑, IB1 ↑, IC1 = βo IB1 ; IC1 + IC2 = ISS

U2 ↑, IB2 ↑ => IC2 = βo IB2

Uwy + Uwy 1 − Uwy 2 = 0 => Uwy = Uwy 2 − Uwy 1

Tranzystory muszą mied takie same parametry Napięcie niezrównoważenia wynika z polaryzacji tranzystorów – to ono powoduje napięcie wzmacniające. U1, U2 powoduje zamianę napięcia baza – emiter prąd po stronie wtórnej >> po stronie pierwotnej I1 i I2 będą sobie przeciwdziaład (jeżeli I1 rośnie 10 razy to I2 maleje 10 razy) - wzmacniacz tego rodzaj jest rzadko stosowany w układach dyskretnych (trudno dobrad takie same tranzystory) dlatego jest delegowany do układów scalonych Aby uzyskad duże RWE wzmacniacza stosuje się tranzystory polowe – uzyskuje się RW rzędu kilkudziesięciu MΩ. Wzmacniacz operacyjny. Wzmacniacz operacyjny to wielostopniowy, wzmacniacz różnicowy prądu stałego, charakteryzujący się bardzo dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym rzędu stu kilkudziesięciu decybeli i przeznaczony zwykle do pracy z zewnętrznym obwodem sprzężenia zwrotnego, który decyduje o głównych właściwościach całego układu. Jest to wielostopniowy, wzmacniacz różnicowy prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu napięciowym rzędy stu kilkudziesięciu decybeli. Jest przeznaczony zwykle do pracy z zewnętrznym obwodem sprzężenia zwrotnego, który decyduje o głównych właściwościach całego układu. Wzmacniacz operacyjny ma dwa wejścia umożliwiające symetryczne (różnicowe) podawanie sygnału wejściowego i niesymetryczne wyjście. Wejście, względem którego sygnał wyjściowy jest przesunięty w fazie o 180°, jest nazywany odwracającym i oznaczane znakiem „-”. Drugie wejście, dla którego sygnał wyjściowy ma fazę zgodną z sygnałem wejściowym, jest nazywane nieodwracającym i oznaczane przez „+”. Sygnał doprowadzony między wejścia wzmacniacza jest nazywany sygnałem różnicowym. Napięcie wyjściowe jest wprost proporcjonalne do amplitudy tego sygnału.

29


Wzmacniacz operacyjny idealny:

Iwe− = Iwe

+ = 0 - przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego nieskooczenie wielkie wzmocnienie k. - niezależnośd parametrów od temperatury - nieskooczenie szerokie pasmo częstotliwościowe - nieskooczenie duża impedancja wejściowa (miedzy wejściami i wejściami i masą) - impedancja wyjściowa równa zeru - napięcie wyjściowe równe zeru przy sterowaniu sygnałem nieróżnicowym (wspólnym) - wzmocnienie idealne różnicowe a więc nieskooczenie duże tłumienie sygnału nieróżnicowego. - niezależnośd parametrów od temperatury Masa wirtualna W układzie odwracającym przy założeniu bardzo dużej wartości wzmocnienia A0→∞, każdej skooczonej wartości napięcia wyjściowego U0 odpowiada bliska zeru wartośd wejściowego napięcia różnicowego UR. Stąd, ponieważ wejście nieodwracające jest na potencjale masy, węzeł dołączenia sprzężenia zwrotnego w układzie odwracającym jest nazwany masą pozorną (wirtualną) układu. Inna definicja: Jest to taki punkt w obwodzie wzmacniacza operacyjnego pracującego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, którego potencjał jest równy (przyjęty za zerowy) i utrzymywany jest poprzez owe sprzężenie zwrotne, potencjałowi odniesienia (masy), czyli punktowi środkowemu symetrycznego zasilacza tego wzmacniacza operacyjnego, mimo, iż nie istnieje połączenie galwaniczne (omowe) z owym punktem.

14. Parametry określające jakośd wzmacniacza operacyjnego, wybrane przykłady spośród licznych zastosowao wzmacniaczy operacyjnych, np: integrator, wtórnik napięciowy.

Wykład 13 Kontynuując poprzednie zagadnienia dot. wzmacniacza operacyjnego. Parametry jakościowe OA (w nawiasie podane wymagane cechy):

współczynnik wzmocnienia napięciowego (możliwie duża)

impedancja wejściowa (bardzo duża)

impedancja wyjściowa (możliwie mała)

30


pasmo przenoszonych częstotliwości – BW lub GW – zakres częstotliwości od 0 do fb, gdzie fb to częstotliwośd, dla której wzmocnienie maleje o 3 dB w stosunku do wartości wzmocnienia dla prądu stałego czyli f = 0Hz (im większe tym lepiej)

zakres dynamiczny sygnału

zależnośd parametrów od temperatury (możliwie mała)

wejściowe napięcie niezrównoważenia – napięcie różnicowe jakie trzeba podad na wejściu by na wyjściu napięcie wynosiło 0, związane jest z asymetrią wejścia wzmacniacza (możliwie małe)

szybkośd narastania napięcia wyjściowego*

prąd wejściowy* Wybrane zastosowania wzmacniaczy operacyjnych:

komparator – układ kombinacyjny służący do porównywania dwóch liczb dwójkowych albo dwóch napięciowego 𝑈𝑤𝑦 = 𝐾𝑢 𝑈𝑤𝑒2 − 𝑈𝑤𝑒1

wzmacniacz odwracający (fazę) –

wzmocnienie wynosi−𝑅2

𝑅1 przy zamkniętej pętli, przy założeniu, że wielkośd ta jest mała w stosunku do wzmocnienia

wzmacniacza z otwartą pętlą. Impedancja wejściowa jest równa R1; szerokośd pasma z zamkniętą pętlą jest równa częstotliwości

dla wzmocnienia jednostkowego dzielonej przez 1 plus wzmocnienie z zamkniętą pętlą

U wy=− R1

R2

U we

- wzmacniacz nieodwracający (fazy)

Układ nieodwracający fazy o dużej impedancji wejściowej. Układ z zamkniętą pętlą daje wzmocnienie równe R1 R2

R1.

U wy=R1 R2

R1

U we

wzmacniacz całkujący

31


Układ wykonuje matematyczną operację całkowania. Jest to w zasadzie filtr dolnoprzepustowy o charakterystyce

częstotliwościowej opadającej 6 dB/oktawę.

U wy=− 1RC ∫ 0

tU wedt

filtr dolnoprzepustowy

Na

wykresie widad różnicę pomiędzy filtrem a układem całkującym

f e=π

2R1C1 ; f 0=

π

2R0 C1 ;k 0=

R0

R1

wtórnik napięciowy U wy= U we

32


wzmacniacz różnicowy (odejmujący) 𝑈𝑤𝑦 =

𝑅1

𝑅2 𝑈𝑒𝑤2 − 𝑈𝑤𝑒1

𝑅2

𝑅1

=𝑅1

𝑅3

wzmacniacz logarytmujący U wy=− Aln U we

33


wzmacniacz alogarytmujący U wy=− A

ln U we

generator Millera podstawy czasu (napięcia trójkątowego)

separator o wzmocnieniu jednostkowym U wy= U we

34


wzmacniacz sumujący (sumator) 𝑈𝑤𝑦 = −𝑅 𝑈1

𝑅1+

𝑈2

𝑅2+

𝑈3

𝑅3+ ⋯ - podana postad dotyczy ogólnego sumatora,

kolejne (3, 4, ...) sygnały napięciowe są dodawane analogicznie do pierwszego i drugiego.

przetwornik prąd-napięcie

U wy= Iwe R1

Układ użyteczny przy pomiarze prądu

oraz wielu innych zastosowaniach – na przykład jako wzmacniacz dla fotoelementów.

wzmacniacz dla fotoelementów

35


Prąd płynący przez fotorezystor jest proporcjonalny (lecz nie ściśle) do padającego przezeo światła

36


układ różniczkujący

Podstawy techniki SC

15. Technika SC w konstrukcji układów scalonych przykład realizacji rezystora oraz integratora w technice SC.

16. Analiza podanego przykładowego układu SC.

W podanym przykładzie rezystor R1 jest symulowany za pomocą równoległej struktury SC. W układzie tym w chwili t=(n-1)T’ kondensator C1 jest dołączony do napięcia ui, zatem zgromadzony na nim ładunek wynosi C1ui[(n-1)T’+. W drugiej połowie półokresu (n-1)T’ następuje przełączanie kondensatora C1 do wejścia wzmacniacza i przelanie z niego części ładunku do kondensatora C2.

W chwili t=nT’ spełnione jest równanie ładunkowe

37


Po dokonaniu transformacji Z otrzymujemy

Transmitancja ma zatem postad

Omówiony integrator posiada wadę, jaką jest wrażliwośd na pojemności pasożytnicze, występujące między różnymi węzłami układu, a masą. W celu wyeliminowania tej wady stosuje się bardziej rozbudowane, z większą ilością kluczy, układy symulujące rezystancję integratora. Generalną zasadą, jaką należy się kierowad przy projektowaniu układów SC jest przełączanie obydwu okładek kondensatorów między punktami o małej rezystancji (np. źródłem napięciowym, masą i masą pozorną), przy czym ta sama okładka nie może byd przełączana między źródłem napięciowym a masą pozorną.

Układy impulsowe regeneracyjne – przerzutniki

17. Ogólne warunki generacji drgao w układzie ze sprzężeniem zwrotnym wykorzystane do zmiany stanu przerzutnika, klasyfikacja przerzutników. Przerzutnik Schmitta .

Osobny pdf. 18. Przerzutniki cyfrowe, praca przerzutników w trybie synchronicznym i asynchronicznym na przykładzie przerzutnika Master-

Slave.

19. Przerzutnik typu R-S (S-R) oraz J-K, przerzutnik typu D i typu T; zastosowanie przerzutników.

Przerzutnik RS(SR)

Asynchroniczny(brak zegara, przerzut sygnału w zależności o stanów wejśd) przerzutnik bistabilny(dwa stany równowagi trwałej)

S- Set

R-Reset

Q i Q – wyjścia, które mają zawsze przeciwne stany

Stan gdy oba wyjścia mają tą samą wartośd logiczną jest stanem nieustalonym (zabronionym)

NOR NAND

𝑄𝑛+1 = 𝑆𝑛 + 𝑅𝑛

𝑄𝑛 (𝑔𝑑𝑧𝑖𝑒 𝑆𝑛𝑅𝑛 = 0)

synchroniczny:

(zmiana stanów po doprowadzeniu impulsu taktującego)

S R Q Q

0 0 𝑄𝑛−1 𝑄𝑛−1

0 1 0 1

1 0 1 0

1 1 nieustalone

𝑆 𝑅 Q Q

0 0 nieustalone

0 1 1 0

1 0 0 1

1 1 𝑄𝑛−1 𝑄𝑛−1

NAND

(uwaga! zanegowane wejścia)

38


R=S=1 – stan zabroniony

Dla C=0 wyjścia 𝐵3 i 𝐵4 mamy 𝑅 = 𝑆 = 1, a przerzutnik pamięta stan poprzedni.

Dla C=1, jak normalny przerzutnik. R’=R oraz S’=S

Przerzutnik JK

𝑄𝑛+1 = 𝐽𝑛𝑄𝑛 + 𝐾𝑛

𝑄𝑛

Brak stanów niedozwolonych. Wyzwolenie zegarem. Często stosuje je się w układzie master/slave. Czasami posiada również

złącza S(Set) i R(Reset).

Przerzutnik D (zatrzask)

na podstawie przerzutnika JK:

1 1 0

1 0 1

0 1 1

0 0 1

J K Q+(𝑄𝑛+1?)

0 0 Q-stan wyj. nie zmienia się

0 1 0

1 0 1

1 1 𝑄 – przełączenie na przeciwny

(toggle)

D C Q

J Q

C

K 𝑄

D

Cl

39


𝑄𝑛+1 = 𝐷𝑛

Gdy stan C=0 to następuje zapamiętanie.

Gdy stan C=1 to na wyjście jest przepisane wejście.

Następuje zatrzaśnięcie informacji na 1 takt. Czasami posiadają też złącza S i R.

Starsze rozwiązania opierają się na 2 przerzutnikach D połączonych kaskadowo. Pierwszy (master) zatrzaskuje sygnał (gdy C=1),

drugi (slave) przepisuje wyjścia mastera na wyjście (gdy C=0)

Przerzutnik T

x 0 𝑄𝑛−1

0 1 0

1 1 1

𝑇𝑛 𝑇𝑛+1

0 𝑄𝑛

40


za pomocą przerzutnika JK:

𝑄𝑛+1 = 𝑇𝑛 ⊕ 𝑄𝑛 (różnica symetryczna)

Dla T=0, mimo taktowania nie następują zmiany – stan zablokowania

Dla T=1, przy kolejnych taktach wyjścia Q i 𝑄 zamieniają się. Wyjście Q zmienia się na przeciwne.

Czasami posiadają też złącza S i R.

Zastosowania:

RS i JK – do budowy bardziej skomplikowanych układów, przerzutników D i T

D – stosowany w systemach cyfrowych pamiętających stany logiczne (rejestry, pamięci). Można z niego zrobid dwójkę

liczącą oraz inne układy sekwencyjne

T – układ dzielenia częstotliwości przez 2, liczniki (da się zbudowad prościej niż z D), zliczanie impulsów

Więcej info:

http://edu.i-lo.tarnow.pl/inf/alg/002_struct/0032.php

http://stud.wsi.edu.pl/~sikrolb/artykuly-przerzutniki.html

Elementy elektroniczne jako składniki bramek cyfrowych – układów logicznych

20. Praca tranzystora NMOS z obciążeniem aktywnym (drugim tranzystorem NMOS) – inwerter NMOS, budowa układów logicznych opartych na inwerterach NMOS – przyczyny ograniczonego zastosowania takiego rozwiązania.

Zagadnienie jeszcze do dopracowania – oczekiwanie na odpowiedź prof. Rybarczyka

Tranzystor NMOS jako obciążeniem aktywnym

Stosuje się tranzystory nMOS jako obciążenia aktywne zamiast rezystora, ponieważ są one mniejsze oraz będą nagrzewad się w

takim samym stopniu jak inne tranzystory w układzie scalonym.

Tranzystor może zachowywad się jako rezystor sterowany napięciem:

1 𝑄𝑛 J Q

C

K 𝑄

T

Cl

http://edu.i-lo.tarnow.pl/inf/alg/002_struct/0032.php

http://stud.wsi.edu.pl/~sikrolb/artykuly-przerzutniki.html

41


𝑇2 ma zawsze punkt w zakresie nasycenia

Inwerter NMOS

a) 𝑇2 wzbogacony b) 𝑇2 zubożany

a) 𝑅𝑜𝑏𝑐 =1

𝑔𝑚 2

; 𝑇2 pracuje w zakresie aktywnym; 𝑅𝑜𝑏𝑐 niezbyt duże;

Gdy na wejściu mamy stan wysoki, czyli tranzystor przewodzi to wyjście jest połączone z masą (złącze S jest podłączone do masy). Gdy na wejściu mamy stan niski to 𝑇1 nie przewodzi i na wyjściu mamy 𝐸𝑑 − 𝐼𝑅𝑜𝑏𝑐 co jest stanem wysokim). b) 𝑅𝑜𝑏𝑐 ≈ 𝑟𝑑 ;dziesiątki 𝑘Ω; WADA: dwa różne strukturalnie tranzystory na jednym układzie powodują klopoty techonologiczne w produkcji.

Przy 𝑉𝑤𝑒 < 𝑉𝑇𝑛 (𝑛𝑎𝑝𝑖ę𝑐𝑖𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑔𝑜𝑤𝑒) oba tranzystory są odcięte (𝑉𝐺𝑆1 < 𝑉𝑇𝑛 oraz 𝑉𝐺𝑆2 < 𝑉𝑇𝑛 ).

42


Z napięciowego prawa kirchoffa mamy:

𝑉𝐷𝑆2= 𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝐷𝑆1

oraz

𝐼𝐷1= 𝐼𝐷2

= 𝐼 (tranzystory połączone szeregowo)

𝑅𝑜𝑏𝑐 =Δ𝑉𝐷𝑆2

Δ𝐼𝐷=

1

𝑔𝑚2

𝑔𝑚2=

𝜕𝐼𝐷

𝜕𝑉𝐷𝑆𝑎𝑡2

= 2𝐾𝑚2(𝑉𝐷𝑆𝑎 𝑡2

− 𝑉𝑇𝑛) - transkonduktancja tranzystora

Układy logiczne z inwerterem

NOT NAND NOR

Tranzystory łączymy szeregowo aby otrzymad połączenie NAND lub równolegle dla NOR.

𝑓 = 𝑥 + 𝑦(𝑧 + 𝑢 + 𝑣 )

Układ mostkowy

x y f

0 0 1

43


nMOS działa szybciej niż pMOS, z uwagi na większą ruchliwośd elektronów niż dziur.

Przyczyny ograniczonego zastosowania inwerterów nMOS

Inwertery nMOS oparte o jeden tranzystro i opornik (zamiast obciążenia aktywnego) mają wadę. W stanie włączenia przez

nieobciążony układ przepływa prąd, a w stanie wyłączenia impedancja wyjściowa jest dośc duża. Zmniejszenie impedancji

wyjściowej przez zmniejszenie oporu powoduje zwiększenie poboru mocy w stanie włączenia.

Dlatego stosuje się obciążenia aktywne lub technike CMOS.

21. Inwerter dynamiczny NMOS (sterowany zegarem), budowa podstawowych bramek dynamicznych NMOS.

Proces odwracania sygnału zachodzi w dwóch fazach: – faza ładowania – kiedy zegar ma 0 – ładowany jest kondensator Cout do napięcia VDD – bo pMOS przewodzi gdy ma zero na bramce (na bazie jest VDD -bo jest standardowo podłączona do źródła) – faza ewaluacji – kiedy zegar ma 1 –czyli przewodzi tranzystor dolny, badany jest sygnał na wejściu jeśli jest on 1 to przewodzi tranzystor M1 więc następuje rozładowanie kondensatora wyjściowego – jeśli jest tam 0(Vin) to napięciem wyjścia jest napięcie zgromadzone na kondensatorze Cout

0 1 1

1 0 1

1 1 0

𝑀𝑝 - pMOS

𝑀1 , 𝑀𝑛 - nMOS

44


22. Zasada działania inwertera CMOS. Zalety i wady techniki układów komplementarnych CMOS, konstrukcja bramek logicznych

w technice CMOS.

23. Bramka transmisyjna (TG) w technice CMOS – budowa, działanie i zastosowania. Bramki transmisyjne są odpowiednikami sterowanego wyłącznika. W zależności od stanu logicznego sygnału sterującego bramka transmisyjna przepuszcza sygnał z wejścia na wyjście lub nie. Bramka transmisyjna składa się z dwóch komplementarnych tranzystorów PMOS i NMOS z oddzielnymi doprowadzeniami sygnałów bramek i połączonymi ze sobą źródłami i drenami. Jeżeli sygnał C jest w stanie wysokim to bramka daje na wyjściu sygnał który jest na wejściu (nieznacznie się różniący). Natomiast jeżeli C jest w stanie niskim to wyjście bramki jest w stanie wysokiej impedancji.

Bramka transmisyjna

Schematyczne oznaczenie bramki transmisyjnej

45


Zastosowanie - ? 24. Przykład prostego multipleksera, demultipleksera, kodery i dekodery (wykorzystanie w realizacji pamięci).

25. Podstawowe rodzaje rejestrów i liczników – budowa i działanie. Rejestr cyfrowy: Jest najprostszym sekwencyjnym blokiem funkcjonującym wykorzystującym kilka elementarnych przerzutników połączonych ze sobą. W rejestrach mogą byd zastosowane przerzutniki typu D, mające jedno wejście wyzwalające. W praktyce są używane najczęściej przerzutniki master-slave typu RS, w których zmiana stanu wynikająca z napięd doprowadzających na wejścia pojawia się podczas tylnego zbocza impulsu zegarowego. Najprostszy jest rejestr równoległy, którego czterobitową realizację przedstawia rysunek 15.18. Cztery przerzutniki RS mają niezależnie połączone wejścia; wspólne jest tylko wejście Cl i wejście zerujące C. Wejścia RS są połączone poprzez bramki AND, umożliwiające przez doprowadzenie stanu zera logicznego do wejścia L (ang. load) zablokowanie przerzutników i pozostawienie ich w stanie pamiętającym. Gdy L=1, cztery przerzutniki działają jako przerzutniki typu D i w czasie tylnego zbocza zegara ustawiają się w stanach odpowiadających stanom na wejściach I1…I4. Stan ten może byd odczytany na wyjściach A1…A4 aż do następnego impulsu zegarowego przy L=1 i zmienionych stanach wejściowych. Jednoczesne zapisywanie i odczytywanie informacji na wszystkich przerzutnikach jest nazywane równoległym, rejestr raki oznaczany jest często symbolem PIPO (parallel input parallel output).

Rejestr równoległy może byd zastosowany do łatwej realizacji złożonego układu sekwencyjnego bezpośrednio na podstawie tablicy stanów. Wykorzystuje się tu właściwośd rejestru polegającą na uzyskaniu stanów A1…A4 z opóźnieniem w stosunku do stanów I1…I4 o jeden cykl zegarowy. Można więc wartości A1…A4 uważad za „stan poprzedni” w tablicy, wartości zaś I1…I4 za stan następny. Łącząc wyjścia A z wejściami I poprzez układ kombinacyjny realizujący tablicę stanów, otrzymuje się żądany układ sekwencyjny. Schemat blokowy na rys 15.19

46


Inną wersją jest rejestr przesuwający (ang Shift register), w którym wyjścia kolejnych przerzutników RS master slave są połączone wejściami następnych przerzutników jak pokazano na rysunku 15.20. Na tylnym zboczu kolejnego impulsu zegarowego, na wyjściach Q każdego z przerzutników pojawia się stan będący na jego wejściu podczas dodatniego zbocza Cl, a więc z opóźnieniem. W ten sposób stany przerzutników przesuwają się w prawo za każdym taktem zegara. Chcąc wpisad 4 bity informacji do rejestru z rys 15.20, na wejściu I poszczególne bity tej informacji powinny pojawiad się szeregowo podczas kolejnych 4 taktów zegara. Podczas następnych 4 taktów informacja t pojawia się również szeregowo na wyjściu A. Dlatego rejestr taki nazywamy SISO (serial input serial output).

Rejestr przesuwający może mied wyjścia równoległe z poszczególnych przerzutników. Wykorzystując te wyjścia uzyskuje się rejestr SIPO (serial input paralel output). Można też wprowadzid informację równolegle, odebrad zaś szeregowo. Otrzymuje się rejestr PISO. Jeśli kolejnośd połączenia wyjśd i wejśd przerzutników odwróci się, przyjmując sekwencję 4-3-2-1, uzyska się rejestr przesuwający od prawej strony do lewej. Liczniki cyfrowe

47


Liczniki cyfrowe są układami sekwencyjnymi służącymi do zliczania dochodzących do nich impulsów. Jest oczywiste, że licznik, aby zachowad informację o liczbie impulsów, musi składad się z przerzutników dwustabilnych, których liczba zależy od tego, ile impulsów ma byd zliczanych.

Najprostsze liczniki mogą byd utworzone z rejestrów przesuwających przez odpowiednie połączenia wyjścia z wejściem. N rysunku 15.25a przedstawiono licznik pierścieniowy (ring counter), otrzymany przez zwarcie wyjścia rejestru z jego wejściem. Jeżeli początkowy stan liczniki, np. czterobitowego jest 1000, to po każdym impulsie zegarowym stan jedynki logicznej przesuwa się o jedną pozycję w prawo, stan wyjścia zaś przenosi się na wejście. Po czterech impulsach powraca stan pierwotny. Licznik może więc przyjąd cztery różne stany: 1000, 0100, 0010 oraz 0001, odpowiadające liczbom 8, 4, 2 i 1. Na wyjściu każdego z przerzutników rejestru pojawiają się impulsy o częstotliwości czterokrotnie mniejszej niż częstotliwośd zegara. Możliwe są dwa inne stany początkowe licznika pierścieniowego dające cztery różne kolejne stany po każdym impulsie zegarowym: 1100, 0110, 0011, 1001 oraz 1110, 0111, 1011, 1101 odpowiadające liczbom 12,6,3,9 oraz 14,7,11,13. Stan początkowy prowadzi do sekwencji dwóch stanów: 0101, 1010, odpowiadającym liczbom 5 i 10. Wreszcie stany 0000 i 1111, odpowiadające liczbom 0 i 15 nie ulegają zmianom. Zupełnie inne właściwości otrzumuje się przez połączenie wyjścia i wejścia rejestru poprzez inwerter. Układ taki nazywa się licznikiem Johansona (rys. 15.25b). Jeżeli rejestr jest początkowo wyzerowany, kolejne impulsy zegarowe spowodują następującą sekwencję stanów jego przerzutnika (dla przykładu rejestru czterobitowego): 0000 0 1000 8 1100 12 1110 14 1111 15 0111 7 0011 3 0001 1 Licznik Johansona przechodzi więc przez osiem równych kolejnych stanów i na wyjściu każdego przerzutnika pojawiają się impulsy o częstotliwości 8-krotnie mniejszej od częstotliwości zegara. Jeśli stanem początkowym jest jeden ze sttanów nie zawarty w powyższej sekwencji cykl obejmuje osiem pozostąłych stanów. Różne inne sekwencje stanów można otrzymad w rejestrze, łącząc wyjścia z kilku przerzutników z wejściem poprzez układ kombinacyjny. W/w liczniki cyfrowe nie wykorzystują w jednym cykl wszystkich stanów n-bitowego rejestru, których jest 2^n, Ich możliwości zliczania są więc ograniczone. W praktyce stosuje się inne rozwiązania, w których układ ma tylko jeden wykres stanów obejmujący wszystkie 2^n możliwości. Może on wówczas zliczyd 2^n-1 impulsów i przez 2^n podzielid częstotliwośd zegara. Na rysunku 15.27 przedstawiono najprostszy układ licznika tego typy, nazywany licznikiem asynchroniczym. Składa się on co prawda z synchronicznych przerzutników typu T, nie są one jednak wyzwalane synchronicznie przez impulsy zegara, lecz kolejno z wyjścia każdego poprzedniego przerzutnika.

48


Lepsze właściwości, uzyskane kosztem zastosowania bardziej złożonej sieci kombinacyjnej, mają liczniki synchroniczne. Każdy przerzutnik ma w nich wejście Cl, do których są doprowadzone impulsy zegarowe, odpowiednią zaś sekwencję stanów uzyskuje się przez dołączenie wejśd J oraz K poprzez logiczne układy kombinacyjne. W ten sposób można zreazlizowad dowolną kolejnośd przerzutników. 26. Podstawy projektowania bramek logicznych z uwzględnieniem opóźnienia.

Generatory

27. Warunki generacji drgao – rodzaje generatorów LC, generator kwarcowy. Generator – układ wytwarzający przebiegi elektryczne niegasnące (na ogół okresowe – sinusoidalne lub niesinusoidalne, np. prostokątne, trójkątne, impulsowe itp.). Generatory są układami samowzbudzanymi (przetwarzają energię pobieraną z zasilacza w energię drgao, nie wymagają zewnętrznego źródła zasilającego). Parametry wytwarzanych drgao zależą wyłącznie od struktury i parametrów układowych generatora. Rodzaje generatorów w zależności od: a) przyczyny wywołującej drgania: z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, z rezystancją ujemną, ze sprężeniem elektronowym b) rodzaju obwodu decydującego o częstotliwości drgao: LC (rezonansowy obwód LC), RC (filtr RC), elektro-mechaniczny (układ mechaniczny – np. oscylator kwarcowy).

wyfwewe UUU ' (znak ‘–‘: sprężenie ujemne, ‘+’: dodatnie) Wzmocnienie całego układu '/' wewyu UUK (wzmacniacz

wewyu UUK / ) dla sprężenia zwrotnego:

a) ujemnego )1/(' fuuu KKK

b) dodatniego )1/(' fuuu KKK

Warunki generacji drgao Barkhausena: amplitudy ( 1 uK ), fazy ( n2 ).

Transkonduktancja tranzystora BECm UIg /

Warunek fazy spełniony gdy 0 CBBECE XXX , co oznacza rezonans w układzie reaktancji. Warunek amplitudy

spełniony gdy 1CE

BE

L

m

X

X

G

g, skąd wynika że reaktancje XBE i XCE muszą byd tego samego typu a XCB przeciwnego typu (aby

możliwe było spełnienie warunku fazy).

49


W układach generatorów sinusoidalnych LC w pętli sprzężenia zwrotnego jest włączony obwód rezonansowy, najczęściej równoległy. Wyróżnia się trzy podstawowe konfiguracje tego obwodu:

układ ze sprzężeniem pojemnościowym – generator Colpittsa (XCB o charakterze indukcyjnym), 21

21

CLC

CC

układ z dzieloną indukcyjnością – generator Hartleya (XCB o charakterze pojemnościowym), CLL )(

1

21

układ ze sprzężeniem magnetycznym przez transformator – generator Meissnera (XCB i XBE o charakterze przeciwnym, tzn. uzyskany przy pomocy przeciwnego nawinięcia uzwojeo sprężonych w układzie transformatorowym), warunek fazy:

LC

1 , amplitudy: nGg Lm /

Regulację częstotliwości generatora uzyskuje się poprzez dobór wartości elementów obwodu rezonansowego. W generatorze Messnera przez zmianę pojemności ponieważ zmiana indukcyjności nie jest możliwa. Podobnie jak w generatorze Hartleya. Dodatkowym utrudnieniem jest koniecznośd izolowania masy obu elektrod kondensatora C. W generatorze Copittsa stronienie odbywa się najczęściej podwójnym kondensatorem strojeniowym, którego jedna sekcja stanowi kondensator C1, a druga C2. Ułatwieniem konstrukcyjnym jest uziemienie połączeo tych kondensatorów. Powinny byd one tak zaprojektowane, aby w całym zakresie przestrajania zachowad stałą wartośd stosunku C2/C1. Niestabilnośd częstotliwości drgao tych generatorów jest spowodowana zmianami temperatury, napięd zasilających, parametrów elementów aktywnych (tranzystorów) i pasywnych (elementów LC).

Generator Clappa – o powiększonej stabilności częstotliwości. Z warunku amplitudy 12 /CC , współczynnik sprzężenia

12 /CCf . Ma on lepszą stabilnośd częstotliwości ale okupione jest to zawężonym zakresem przestrajania wynoszącym

50


25,1/ minmax ff

Zalety generatorów LC: małe zniekształcenia przebiegu wyjściowego, dużą stałośd częstotliwości, wysoką sprawnośd energetyczną, możliwośd łatwego wprowadzenia modulacji przebiegu wyjściowego, stałośd częstotliwości i nie zrywanie drgao w dośd szerokim zakresie zmian napięcia zasilającego. Generatory LC nie nadają się do generacji przebiegów o małych częstotliwościach. Generatory kwarcowe Rezonator kwarcowy jest płytką wycinaną z monokryształu kwarcu, na jej obu stronach są napylone kontakty elektryczne. Na rysunku obok naszkicowany jest przebieg składowej urojonej X impedancji rezonatora kwarcowego w funkcji częstotliwości.

Częstotliwośd rezonansu szeregowego ( )2/(1 LCf S odpowiada częstotliwości rezonansu mechanicznego płytki.

Rezonans równoległy (0

02/(1CC

CCLfR

) występuje przy nieco większej częstotliwości i zależy od wartości pojemności

C0. Rozróżnia się 2 rodzaje realizacji układowej generatorów kwarcowych: a) z rezonatorem pracującym jako indukcyjnośd przy częstotliwościach nieco większych od fS b) z rezonatorem pracującym w rezonansie szeregowym na częstotliwości fR. Przykładem pierwszego rodzaju jest generator Pierce’a, który można rozpatrywad jako generator Colpttsa z rezonatorem kwarcowym zamiast indukcyjności. Dla częstotliwości fS<f<fR oscylator kwarcowy zachowuje się jak cewka o b. dużej dobroci -> 10

3-10

8. Wada gen. kwarcowych –

wąskie pasmo przestrajania (przez dołączenie do oscylatora elem. L i C) – około 0,2%.

28. Zasada budowy generatorów RC – zalety i wady. Zasada działania generatora RC polega na zastosowaniu w pętli sprzężenia zwrotnego układu elementów rezystancyjnych i pojemnościowych (RC) zapewniających spełnienie warunku generacji. Jest to równoważne ze zrealizowaniem filtru aktywnego o

dobroci Q , osiągniętym przez uzyskanie dla pewnej wybranej częstotliwości odpowiednio silnego dodatniego sprężenia

zwrotnego. Teoretycznie w generatorach RC można stosowad układy analogiczne dla filtrów aktywnych. Ze względu jednak na inne kryteria jakości odpowiednio dla wzmacniaczy i generatorów, praktycznie rozwiązania różnią się schematowi.

51


Najbardziej oczywiste rozwiązania generatora RC polega na takim zrealizowaniu czwórnika sprężenia zwrotnego ,

obejmującego tranzystor w konfiguracji WE, aby dla pewnej wybranej częstotliwości przesuwał on fazę sygnału o 180°. Jednocześnie tłumienie czwórnika dla tej częstotliwości powinno byd skooczone.

Pulsacja drgao: RC6

10

W celu spełnienia warunku amplitudy wzmocnienie tranzystora powinno byd równe ku=-29. Stosowane są również inne odmiany czwórnika drabinkowego, np. czterosegmentowe lub o niejednakowych wartościach elementów RC. Układy generatorów RC tego typu są obecnie coraz rzadziej używane, ich znaczenie ogranicza się do najprostszych generatorów częstotliwości akustycznych niewysokiej jakości. Wynika to z nieefektywnej dyskryminacji innych

częstotliwości niż 0 . Na przykład dla drugiej harmonicznej funkcja przenoszenia ma fazę -140°, tj. przesunięta tylko o 40°

względem fazy dla 0 i tłumienie wartości 8,5. Oznacza to istnienie silnego sprzężenia zwrotnego o charakterze dodatnim, a

więc wzmocnienie zamiast tłumienia zniekształceo nieliniowych. Wady: mała stałośd częstotliwości, duże zniekształcenia nieliniowe, trudności strojenia. Generatory te są tanie ale marnej jakości.

Przetworniki a/c i c/a

29. Podstawowe parametry i typowe błędy wprowadzane przez przetworniki c/a. Najprostsze realizacje przetworników c/a – z przełączaniem prądowym i napięciowym. Zalety przetwornika c/a z drabinką rezystorową.

Przetwornik cyfrowo-analogowy, przetwornik C/A lub DAC (z ang. Digital to Analog Converter,DAC) przyrząd elektroniczny przetwarzający sygnał cyfrowy (zazwyczaj liczbę binarną w postaci danych cyfrowych) na sygnał analogowy w postaci prądu elektrycznego lub napięcia o wartości proporcjonalnej do tej liczby.

52


Najważniejsze parametry przetwornika C/A Parametry można podzielid ze względu na właściwości statyczne, częstotliwościowe oraz czasowe. Najważniejsze to te określające dokładnośd oraz szybkośd przetwarzania sygnału przez przetwornik C/A. Zaliczamy do nich m.in:

Nieliniowośd całkowa (z ang. integral nonlinearity (INL))

Nieliniowośd różniczkowa (z ang. differential nonlinearity (DNL))

Szybkośd przetwarzania

Błąd skalowania

Błąd przesunięcia zera (błąd niezrównoważenia)

Współczynnik zmian cieplnych napięcia przesunięcia zera

Wejściowe sygnały cyfrowe

Wyjściowe sygnał analogowy

Czas ustalania

Szybkośd zmian napięcia wyjściowego

Zakłócenia przy przełączaniu

rozdzielczośd - najmniejsza zmiana sygnału wyjścia Określa maksymalną liczbę możliwych dyskretnych wartości jakie może on wytworzyd. Zwykle rozdzielczośd określona jest jako liczba bitów, która jest podstawą z 2 logarytmów z wartości liczbowej. Przykładowo 1bit'owy przetwornik C/A jest zaprojektowany do reprodukcji 2ch (2

1) wartości, z kolei 8bit'owy już 256 (2

8). Rozdzielczośd jest powiązana z

Efektywną Liczbą Bitów (ENOB - z ang. Effective Number of Bits) która jest pomiarem aktualnej rozdzielczości przetwornika. Rozdzielczośd może byd również wyrażona w woltach.

błąd bezwzględny - największa różnica między zmierzonym napięciem wyjściowym a obliczonym ze wzoru ΔU = Uodn / 2

n

błąd względny - jest to inaczej stosunek błędu bezwzględnego (patrz wyżej) do wartości napięcia odniesienia przetwornika

Błędy Charakterystyka przejściowa rzeczywistego przetwornika C/A wykazuje wiele odstępstw od charakterystyki idealnej. Spośród najczęściej występujących należy wymienid: błąd przesunięcia zera (offset), błąd wzmocnienia i błąd nieliniowości (całkowitej i różnicowej). Na ogół wszystkie te odstępstwa występują równocześnie w każdym przetworniku, co gorsze ich wartośd ulega zmianie w czasie w wyniku zmian np. temperatury oraz starzenia. Praktycznie we wszystkich przetwornikach istnieje możliwośd zewnętrznej regulacji błędów przesunięcia zera i błędów wzmocnienia. Nie istnieje natomiast możliwośd regulacji błędów liniowości, w tym przypadku poprawę można uzyskad jedynie poprzez zastosowanie przetwornika wysokiej jakości lub użycie przetwornika o większej rozdzielczości niż niezbędne minimum. - Błąd przesunięcia zera:

Błąd przesunięcia zera jest to róznica miedzy napięciem wyjściowym dla minimalnej wartości słowa kodowego (np. w BCD: 0000…0) i napięciem o zerowej wartości. Definiuje się również jako % zakresu przetwornika - Błąd wzmocnienia(skalowania)

53


- Błąd nieliniowości różnicowej

Wymagane jest, aby maksymalna wartośd błędu nieliniowości różniczkowej nie przekraczała 1/2 LSB:

gdzie: - i - wartośd w systemie dziesiętnym słowa kodowego, i = 0,1,2….n - Δi+1,i – różnica napięcia wyjściowego odpowiadająca dwóm sąsiednim słowom kodowym

54


- LSB – rozdzielczośd idealnego przetwornika C/A

- Błąd nieliniowości całkowej

Definicja: największe odchylenie rzeczywistej charakterystyki od linii prostej. Przed operacja wyznaczenia błędu nieliniowości całkowej należy wyeliminowad błąd wzmocnienia i błąd przesunięcia zera. Najprostsze realizacje przetworników c/a – z przełączaniem prądowym i napięciowym.

Najprostsze przetworniki C/A z rys 16.2 mają istotną wadę: wymagają zastosowania rezystorów o bardzo różniących się wartościach, dla 8-bitowego przetwornika stosunek największej do najmniejszej rezystancji wynosi 128 i szybko zwiększa się ze wzrostem wartości n. Praktyczniejszym rozwiązaniem jest więc przetwornik z drabinką rezystorową. **więcej na ten temat nie znalazłam+ Przetwornik z drabinką rezystorową: Stosunek największej do najmniejszej rezystancji wynosi w tym przypadku 2, a więc znacznie łatwiej jest wykonad taki przetwornik w postaci scalonej i uzyskuje się lepsze tolerancje względne i jednakowe zależności temperaturowe. Zasada działania układu z drabinką rezystorową polega na wykorzystaniu właściwości drabinki rezystancyjnej jako dzielnika napięcia. W każdym kolejnym węźle między rezystorami wartości R napięcie jest dwa razy mniejsze, wobec tego prądy płynące przez kolejne rezystory w kierunku kluczy a są również dwa razy mniejsze. Rezystorowa sied drabinkowa R-2R - jest wygodniejsza w stosowaniu od sieci rezystorów wagowych, gdy mamy do czynienia z przetwornikami o większej ilości bitów np. 12. Trzeba wtedy użyd w przypadku sieci rezystorów wagowych rezystorów będących w stosunku 1:2000 (najmniejszy do największego). Zwiększało by to margines błędu przetwarzania i nie dawało właściwych rezultatów na wyjściu. Dlatego stosuje się przetwornik z drabinką rezystorową R-2R, przedstawione na rysunku poniżej. Wytwarza ona prądy będące kolejnymi potęgami liczby 2. Stosunki rezystancji muszą byd utrzymane w dużej dokładności, zaś

55


wartośd bazowa rezystancji nie jest, aż tak istotna. Drabinka rezystorowa w nieco zmodyfikowanej formie może byd zastosowana dla kodu BCD.

30. Podstawowe parametry przetworników a/c. Przykład całkującego przetwornika a/c.

http://yahoo89.bbs.pl/PE/Zagadnienia/Przetworniki%20AC/AC%20integrator%20vs.%20WC%20kaczka.ppt

Parametry przetworników A/C Dla uściślenia: przetwornik A/C (analogowo-cyfrowy) to urządzenie które ma (najczęściej) dwa wejścia i n wyjśd (przetwornik n-bitowy). Urządzenie to ma za zadanie przetworzyd wartośd sygnału (tj. napięcia) podanego na wejście na odpowiadający jej kod binarny. Ostatecznie wynik to ułamek napięcia referencyjnego (zwanego także napięciem odniesienia) podanego na drugie wejście, czyli:

UMIERZONE=UREF*((słowo kodowe)10 / 2

n)

gdzie słowo kodowe to liczba reprezentowana przez n bitów na wyjściach przetwornika zazwyczaj słowo kodowe to po prostu liczba zapisana binarnie (fachowo: naturalnym kodem binarnym). Podstawowe parametry przetworników A/C A) szybkośd działania:

a)czas przetwarzania - czas niezbędny do wygenerowania jednego, kompletnego słowa kodowego b)częstotliwośd przetwarzania - maksymalna częstotliwośd z jaką mogą następowad kolejne przetworzenia przy

zachowaniu określonej dokładności i rozdzielczości w całym zakresie przetwarzania

UREF

UMIERZONE

n bitów

http://yahoo89.bbs.pl/PE/Zagadnienia/Przetworniki%20AC/AC%20integrator%20vs.%20WC%20kaczka.ppt

56


c)szybkośd próbkowania - liczba próbek (napięcia wejściowego) które mogą byd przetworzone w jednostce czasu. B) rozdzielczośd - czyli dokładnośd przetwarzania.

Jest to stosunek maksymalnego możliwego napięcia wejściowego do liczby przedziałów jaką jest w stanie odwzorowad słowo kodowe (fachowo: przedziałów kwantowania). Zatem rozdzielczośd definiuje zmianę napięcia UMIERZONE przy której następuje zmiana najmniej znaczącego bitu słowa kodowego (LSB - ang. last/less significant byte).

C)dokładnośd przetwarzania - określana przez jego błędy:

a)błąd kwantowania - nieunikniony. Dla napięcia z przedziału U do U+LSB mamy tylko jedno słowo kodowe. Błąd kwantowania to maksymalna różnica pomiędzy rzeczywistym napięciem podanym na wejście a wartością napięcia reprezentowaną przez uzyskany kod. Wartośd błędu można jedynie stosując przetworniki o wyższej rozdzielczości

b)nieliniowośd całkowa (INL) - maksymalne odchylenie charakterystyki idealnego przetwornika A/C od charakterystyki

przetwornika rzeczywistego

57


c) nieliniowośd różnicowa (DNL) - największa różnica pomiędzy szerokością przedziału napięd któremu przetwornik

przypisuje jedno słowo kodowe a szerokością „kroku kwantowania” (czyli tego samego przedziału napięd, tyle że dla...) przetwornika idealnego.

58


d)błąd wzmocnienia - nachylenie charakterystyki pod złym kątem. W efekcie największe słowo kodowe będzie reprezentowało UMIERZONE >> UREF lub UMIERZONE << UREF

59


e)błąd przesunięcia zera (błąd offsetu - chyba) - charakterystyka nie przecina osi wykresu w punkcie (0,0). Wartośd błędu to przesunięcie (wzdłuż osi napięd) charakterystyki przetwornika rzeczywistego w stosunku do charakterystyki idealnego

60


Jednokrotnie całkujący przetwornik A/C

Co to jest? Jeden z wielu przetworników A/C

Wady: średnia dokładnośd, która zależy od parametrów użytych komponentów

Zalety: podobno może zapewnid dużą rozdzielczośd Jak wygląda?

61


(lepszej jakości rysunek - w prezentacji) B - bramka logiczna AND T - klucz (najprawdopodobniej zwykły tranzystor NPN) Kontroler - bliżej nieokreślony układ logiczny realizujący określone funkcje (patrz: zasada działania) CL - zegar o odpowiednio dobranej częstotliwości (tzw. częstotliwości wzorcowej) Integrator - układ całkujący - układ wzmacniacza operacyjnego z pojemnością w gałęzi sprzężenia zwrotnego (patrz: zastosowania wzmacniaczy operacyjnych)

Jak to działa? Chodzi o to by mając jakieś liniowo rosnące napięcie (niezależne od mierzonego) - niepięcie w punkcie W (wyjściu integratora) zmierzyd w ilu taktach zegara napięcie to zwiększy się od 0 do UA - wartości napięcia mierzonego. Jeżeli tak dobierzemy R i C oraz częstotliwośd wzorcową CL, żeby wzrostowi napięcia od 0 do UREF odpowiadało 2

n taktów zegara (gdzie n-liczba wyjśd

przetwornika) to spełniony będzie warunek

UMIERZONE=UREF*((słowo kodowe)10 / 2n)

Gdy klucz T jest otwarty (tj. nie przyłożono do niego napięcia ze strony kontrolera) to kondensator C jest zwarty z masą i „wszystko co wychodzi ze wzmacniacza” - też. Na wejściu „- ” komparatora mamy napięcie 0V. Ponieważ komparator wystawia logiczną „jedynkę” na wyjściu gdy V+ > V- a UA > 0 to bramka B jest odblokowana. Licznik liczy (i od czasu do czasu się przekręca) a na wyjściu całego ustawiona jest zawartośd rejestru. Gdy kontroler otrzyma sygnał „start”, najpierw przepisuje zawartośd licznika do rejestru, zeruje licznik i zamyka klucz T. Wtedy to integrator zaczyna działad jak integrator i napięcie w punkcie W wzrasta liniowo (od wartości 0) zgodnie ze wzorem:

UW= dtRC

U REF1

(a ponieważ UREF jest stałe, to:)

UW= tRC

U REF

Licznik zlicza cykle zegara do momentu, gdy UW>UA. Wtedy komparator przestaje wystawiad „1”, bramka B zostaje zablokowana (tj. dolne wejście ma zawsze wartośd „0”) i licznik przestaje zliczad takty zegara. Gdy kontroler widzi „0” z komparatora, otwiera

62


klucz T oraz przepisuje zawartośd licznika do rejestru i zeruje licznik. Tym sposobem kondensator C jest znowu zwarty z masą dzięki czemu ma możliwośd się rozładowad. Gdy to nastąpi, napięcie UW spadnie do tak niskiej wartości, że komparator zacznie znowu wystawiad „1”. A wtedy kontroler zamknie klucz T i cały proces się powtórzy. Dla wyjaśnienia dodam, że dopiero po dwóch cyklach pomiarowych wynik pomiaru jest prawidłowy.

Uwagi do prezentacji: 1. nie mam pojęcia czy to dokładnie tak działa 2. na każdym slajdzie przed UREF powinno byd „-” 3. jak przewód został oznaczony grubą czerwoną kreską to (wbrew pozorom) nie oznacza, że płynie tamtędy duży prąd, tylko że napięcie pomiędzy jego koocami jest duże

Bibliografia: W. Hill - Sztuka Elektroniki Skrypt do laboratoriów z dydaktyka.cce.put.poznan.pl http://stud.wsi.edu.pl/~sikrolb/artykuly-przetwornikiAC.html Wykłady PP Rybarczyka (dokładnie: 14b) Drogi czytelniku, jeśli przeczytałeś całośd opracowania to gratuluje Ci wytrwałości :P

Documents

Podstawy Elektroniki Opracowanie Zagadnieo – Spis treścisirius.cs.put.poznan.pl/~inf89784/zagadnienia.pdf · 2. Analiza stałoprądowa obwodu elektrycznego programem PSPIE (dyrektywa