29
Sis¨ alt¨ o Operaatiovahvistinpiirit Transistorit Suodattimet Verkkolaitteet S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op) Kertauskalvot Vesa Linja-aho 1. elokuuta 2007 Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Elektroniikan perusteet

Embed Size (px)

DESCRIPTION

TKK:n kurssin S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op) kertausluennon kalvot vuodelta 2007, jolloin toimin kurssin luennoitsijana.

Citation preview

Page 1: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

KertauskalvotVesa Linja-aho

1. elokuuta 2007

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 2: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

1 OperaatiovahvistinpiiritPeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

2 TransistoritBipolaaritransistoriKanavatransistorit

3 SuodattimetAlipaastosuodatinYlipaastosuodatinMitoitus ja taajuusmuunnoksetNain mitoitan suodattimen

4 Verkkolaitteet

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 3: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

PeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

Virtapiirien peruslait

Ydinasiat

Kirchhoffin virta- ja jannitelaki

Jannitteenjakosaanto

Ekstrat

Tikapuupiirin ratkaiseminen

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 4: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

PeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

Virtapiirien peruslait

Ydinasiat

Kirchhoffin virta- ja jannitelaki

Jannitteenjakosaanto

Ekstrat

Tikapuupiirin ratkaiseminen

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 5: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

PeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

Operaatiovahvistin

Uout = A(U+ − U−)

Kayttojannite asettaa rajoitukset

Negatiivinen takaisinkytkenta pakottaa U+ = U−

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 6: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

PeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

Negatiivisen takaisinkytkennan sovelluksia

Jannitteenseuraaja

Ei-invertoiva vahvistin

Invertoiva vahvistin

Invertoiva summain

Erovahvistin

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 7: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

PeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

Diodi ja zenerdiodi

Ominaiskayra on jyrkka eksponenttikayra

Kasinlaskennassa kaytetaan 0,7 voltin kynnysjannitetta

Virta kulkee vain, jos jannite paastosuuntaan

Zenerdiodi voi johtaa myos estosuuntaan

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 8: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

PeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

Diodipiirien laskutekniikkaa

Ensin selvitetaan, mi(t)ka diodeista johtaa

Sitten lasketaan tutuilla saannoilla

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 9: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

PeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

Diodi ja operaatiovahvistin

Diodeilla voidaan ”valita”, mika vastus tuleetakaisinkytkentasilmukkaan

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 10: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

PeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

Kondensaattori

i = C dudt

Jannite ei voi muuttua yhtakkia (vaatisi aarettoman tehon)

Muutosilmio: u(t) = k1 + k2e− t

RC

Kompleksilukulaskenta: Z = 1sC = 1

jωC

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 11: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

PeruslaitOperaatiovahvistinDiodiKondensaattoriPositiivinen takaisinkytkenta

Positiivinen takaisinkytkenta

Operaatiovahvistimen lahtojannite ajautuu aina toiseenaarilaitaan

Muutos tapahtuu, kun molemmissa tulonavoissa sama jannite

Ratkaisutekniikka:

Valitaan lahtoon joko maksimi- tai minimilahtojanniteLasketaan, mika jannite tulee ei-invertoivaan tuloonLasketaan, mika jannitteen Uin tulee olla, jotta invertoivassatulossa olisi sama jannitePiirretaan hystereesissilmukka ja paatellaan nuolien ja”hantien”suunta

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 12: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

BipolaaritransistoriKanavatransistorit

Bipolaaritransistori

Tyypit NPN ja PNP

Kannan ja emitterin valilla on diodiliitos (UBE ≈ 0,7 V)

Estotila, aktiivitila, saturaatiotila ja zenertila

Kalvoilla esitetyt jannitteet kertovat NPN-transistorintoiminnasta — PNP:lla virtojen ja jannitteiden suunnat ovatpainvastaiset

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 13: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

BipolaaritransistoriKanavatransistorit

Estotila

Jos kanta-emitteridiodi ei johda, niin transistorissa ei kuljevirtaa missaan

Piiri kayttaytyy kuten transistoria ei olisi koko piirissa

Jos ei ole varma, johtaako transistori, sen voi ”irrottaa”piiristaja tutkia, tuleeko kannan ja emitterin valille yli 0,7 voltinjannite

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 14: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

BipolaaritransistoriKanavatransistorit

Aktiivitila

UBE = 0,7 V ja IC = βIB

Laskujen lopuksi pitaa tarkistaa, etta onhan UCE ≥ 0,2 VFysikaalisten rajoitusten takia UCE ei voi laskea alle 0,2 voltin(arvio) eika menna missaan olosuhteissa negatiiviseksi(muuten tuottaisi tehoa tyhjasta).

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 15: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

BipolaaritransistoriKanavatransistorit

Saturaatio

Joutuu saturaatioon, jos ”kantavirta on liian suuri”

Saturaatiossa UCE = 0,2 V ja IC < βIB

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 16: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

BipolaaritransistoriKanavatransistorit

Zenertila

Ei-toivottu tila, otettava huomioon suunnittelussa

Kanta-emitteridiodi menee zenerpurkaukseen noin 5Vestosuuntaisella jannitteella

Zenerpurkaus ei saa aikaiseksi kollektorivirtaa!

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 17: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

BipolaaritransistoriKanavatransistorit

Kanavatransistorit

Tyypit MOSFET ja JFET

Talla kurssilla kasitellaan N-kanava JFET ja N-kanavainenavaustyyppinen MOSFET

-

JFET

MOSFET

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 18: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

BipolaaritransistoriKanavatransistorit

JFET

Hilalla ei kulje virtaa

Hilan ja lahteen valisella jannitteella saadellaan nieluvirtaa

Jos UGS = 0V, niin ID = IDSS, missa IDSS onkomponenttikohtainen vakio

Jos UGS = UP, niin ID = 0. UP on komponenttikohtainenvakio, ja se on negatiivinen, esim. -3 volttia.

Naiden aaripaiden valilla ID = IDSS(1− UGSUP

)2 kunUDS ≥ UGS − UP

-

JFET

G

D

S

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 19: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

BipolaaritransistoriKanavatransistorit

MOSFET

Kuten JFET: ID = 0 ja UGS saatelee nieluvirtaa

Hilajannitteen oltava > UT, jotta virta kulkisi

ID = K (UGS − UT )2, kun UGS ≥ UT ja UDS ≥ UGS − UT

UT ja K ovat komponenttikohtaisia vakioita

Jos hilajannite hyvin suuri (luokkaa > 10 V), kanava aukeaataysin ja nayttaa pienelta resistanssilta RDSon

G

D

S

MOSFET

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 20: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

AlipaastosuodatinYlipaastosuodatinMitoitus ja taajuusmuunnoksetNain mitoitan suodattimen

1. asteen alipaastosuodatin

Yleinen muoto F (s) = 1s+1 , talloin ominaiskulmataajuus

ω0 = 1.

Sijoittamalla s → sω0

saadaan F (s) = 1s

ω0+1

Voidaan toteuttaa yksinkertaisella RC-piirilla,F (s) = Uout

Uin= 1

RCs+1

Vertaamalla siirtofunktiota ja yleista muotoa keskenaansaadaan ω0 = 1

RC

Ominaistaajuudella |F (s)| = 1√2

ja vaihekulma −45◦

RCUin

?

Uout

?

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 21: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

AlipaastosuodatinYlipaastosuodatinMitoitus ja taajuusmuunnoksetNain mitoitan suodattimen

2. asteen alipaastosuodatin

Yleinen muoto 1s2+2Ds+1

→ 1( s

ω0)2+2D s

ω0+1

Vaimennusvakio D maaraa vasteen muodon, ω0 paikan(kulma)taajuusakselilla

Voidaan toteuttaa esim. Sallen-Key -piirilla

Tarkeaa! Ominaiskulmataajuudella ei valttamatta|F (s)| = 1√

2

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 22: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

AlipaastosuodatinYlipaastosuodatinMitoitus ja taajuusmuunnoksetNain mitoitan suodattimen

1. asteen ylipaastosuodatin

Siirtofunktio ss+1 →

sω0

sω0

+1

Voidaan toteuttaa RC-piirilla

CRUin

?

Uout

?

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 23: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

AlipaastosuodatinYlipaastosuodatinMitoitus ja taajuusmuunnoksetNain mitoitan suodattimen

2. asteen ylipaastosuodatin

Yleinen muoto s2

s2+2Ds+1→

( sω0

)2

( sω0

)2+2D sω0

+1

Voidaan toteuttaa esim. Sallen-Key -piirilla

Tarkeaa! Ominaiskulmataajuudella ei valttamatta|F (s)| = 1√

2

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 24: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

AlipaastosuodatinYlipaastosuodatinMitoitus ja taajuusmuunnoksetNain mitoitan suodattimen

Mitoitus ja taajuusmuunnokset

Haluttu piste ominaiskayralla voidaan siirtaa muuallesijoittamalla s → s fvanha

fuusi

Esimerkiksi jos siirtofunktion puolen tehon piste sijaitseepaikassa ω = 42 ja se halutaan taajuudelle f = 500Hz,sijoitetaan siirtofunktioon jokaisen s:n paikalle s 42

2π·500

Osoittajan kertominen vakiokertoimella ei vaikutaamplitudivasteen muotoon eika vaiheeseen.

Mitoittamisen lahtokohtana on nimittajapolynomi, jokakatsotaan taulukkokirjasta. Esim:

ButterworthBesselLegendre. . .

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 25: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

AlipaastosuodatinYlipaastosuodatinMitoitus ja taajuusmuunnoksetNain mitoitan suodattimen

Nain mitoitan suodattimen

Esimerkki: Suunnittele toisen asteenButterworth-alipaastosuodatin, jonka puolen tehon piste ontaajuudella 500 Hz. Toisen asteen Butterworth-polynomi on(s2 +

√2s + 1).

Ratkaisun kulku:

1 Selvitetaan, milla taajuudella sijaitsee puolen tehon pistealkuperaisella siirtofunktiolla

2 Siirretaan piste taajuudelle 500 Hz

3 Ratkaistaan D ja ω0

4 (Rakennetaan piiri)

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 26: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

AlipaastosuodatinYlipaastosuodatinMitoitus ja taajuusmuunnoksetNain mitoitan suodattimen

Selvitetaan puolen tehon piste ja siirretaan se

Tasajannitteella (ω = 0) vahvistus on 1, joten puolen tehonkulmataajuus on ∣∣∣∣∣ 1

s2 +√

2s + 1

∣∣∣∣∣ =1√2, s = jω1/2

Josta ratkeaa ω1/2 = 1. Tama piste saadaan siirrettya taajuudelle500 Hz tekemalla sijoitus

s → s1

2π · 500

Jolloin siirtofunktioksi saadaan

1

( s2π·500)2 +

√2 s

2π·500 + 1

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 27: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

AlipaastosuodatinYlipaastosuodatinMitoitus ja taajuusmuunnoksetNain mitoitan suodattimen

Ratkaistaan ω0 ja D

Vertaamalla saatua siirtofunktiota yleiseen muotoon

1

( s2π·500)2 +

√2 s

2π·500 + 1=

1

( sω0

)2 + 2D sω0

+ 1

nahdaan etta ω0 = 2π · 500 ≈ 3140 ja D = 1√2.

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 28: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

Verkkolaitteet

Verkkolaite muuttaa verkkojannitteen elektroniikkalaitteellesopivaksi pieneksi (tasa)jannitteeksi

Joko hakkuri- tai lineaarinen verkkolaite

Lineaarinen verkkolaite koostuu seuraavista osista

SulakeMuuntajaTasasuuntaajaSuodatuskondensaattoriRegulaattori

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

Page 29: Elektroniikan perusteet

SisaltoOperaatiovahvistinpiirit

TransistoritSuodattimet

Verkkolaitteet

Kondensaattorin mitoittaminen

Mita suurempi kondensaattori, sita pienempi hurinajannite

C = I∆t∆U

∆t = φ360◦

1fverkko

φ = 90◦ + arcsinUmin+Udiodi(t)

Umax+Udiodi(t)

Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)