Osnovi elektronikeOsnovi elektronike Predispitne obaveze ...starisajt.elfak.ni.ac.rs/phptest/new/html/Studije/predavanja... · Elektronika nastala iz potrebe da senastala iz potrebe

Osnovi elektronikeProf dr Predrag Petković red profProf. dr Predrag Petković, red. prof.dr Srđan Đorđević, asistentM S Dejan Mirković saradnik u nastaviM.S. Dejan Mirković, saradnik u nastavi

11. oktobar 2011 1Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/

Osnovi elektronikeOsnovi elektronikeLiteratura:Основна литература: 1. В. Литовски, Основи електронике, Академска

2006 ISBN 86 7466 227 7мисао, 2006, ISBN: 86-7466-227-72. В. Павловић, et. al., Практикум лабораторијских

вежби из Основа електронике Електронскивежби из Основа електронике, Електронски факултет Ниш, 2011, у штампи

3. Презентација са предавањар ј рhttp://leda.elfak.ni.ac.rs/?page=education/elektronika/elektronika.htm

4 М Р ћ О Е4. М.Радмановић, Основи електронике, Електронски факултет, Ниш, у штампи, .


Osnovi elektronikeOsnovi elektronikeLiteratura:Додатна литература:1 T Schubert E Kim Active Non-Linear Electronics Wiley1. T.Schubert, E.Kim, Active Non Linear Electronics, Wiley,

New York, 1996.2. A. Sedra, K. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford

University Press, New York, Oxford 2004, ISBN 0-19-514252-7.


Osnovi elektronikeOsnovi elektronikePredispitne obaveze:Redovno pohađanje nastave (predavanja+vežbe) 5%Odbranjene laboratorijske vežbe 5%Odbranjene laboratorijske vežbe 5%Domaći 10%Kolokvijum I (30.11.2011.) 20%Kolokvijum II (18.01.2012.) 20%

Ispit:Ispit:Zadaci 20%Teorija 20%Teorija 20%

U januarskom roku Kolokvijumi se boduju sa po 40%


SadržajSadržaj

1 Uvod (Osnovi pojačavačke tehnike)1. Uvod (Osnovi pojačavačke tehnike)2. Operacioni pojačavači 3 Realni pojačavači3. Realni pojačavači 4. Pojačavači sa povratnom spregom5 Oscilatori5. Oscilatori 6. Pojačavači velikih signala 7 Usmerači i stabilizatori7. Usmerači i stabilizatori8. Šumovi


SadržajSadržaj 1. Uvod

a. Definicija pojačanja b. Osobine pojačavačap jc. Simbol pojačavačad. Klasifikacija pojačavača prema tipu signalaj p j p p ge. Modeli pojačavačaf. Frekvencijske karakteristikejg. Polarizacijah. Prenosna karakteristika


Pojačanje signala

Elektronikanastala iz potrebe da se obrađuju električni signalinastala iz potrebe da se obrađuju električni signali

Tipovi signala (fizički): svetlost, zvuk, pritisak, temperatura,..., , p , p ,

Zašto obraditi? id ti č ti titi b lj / d lj /bližvideti, čuti, osetiti – bolje/gore; dalje/bliže

Kako?Transformisati različite fizičke signale u one

kojima možemo da upravljamo – električne11. oktobar 2011 Uvod

http://leda.elfak.ni.ac.rs/7

kojima možemo da upravljamo – električne

Pojačanje signala

Konvertori u električne signale = transdjuseri (transducers)(transducers)Npr. zvuk => mikrofon

svetlo => CCD ćelije pritisak => piezo elementp p

Nećemo se baviti time - učićete u kursu o SENZORIMASENZORIMA

Za nas su oni IZVORI SIGNALA

11. oktobar 2011 Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/

8

Pojačanje signala

Svaki lanac za obradu signala počinje izvorom signalaSignal dolazi iz izvora – generatora koje tretiramo kaogenerator napona generator struje

Generator električnog signala može se predstaviti g g pekvivalentim naponskim (Tevenen) ili

strujnim (Norton) generatorom.j ( ) g

Realni generator = idealni + unutrašnja otpornost


9

Pojačanje signala

Koliki su napon i struja na izlazu generatora sa slikeako su krajevi otvoreni?

iio(t) iio(t)

vio(t) vio(t)

)()( tvtv sio =

0)(i

)()( tiRtv ssio ⋅=

0)(ti0)( =tiio 0)( =tiio


10

Pojačanje signala

Koliki su napon i struja na izlazu generatora sa slikeako su krajevi kratkospojeni?

iis(t) iis(t)vik(t) vik(t)

0)( =tvik

s tvi )()(

0)( =tvik

)()( titis

sik R

ti )()( = )()( titi sik =


11

Pojačanje signala

Zadatak: Kolika je unutrašnja otpornost generatora signala ukoliko je izmeren napon na otvorenim g j pkrajevima vio=10mV i struja kratkog spoja od ii =10μA?iis 10μA?

mVtvtv ios 10)()( Ωk1====A

mVtitv

titvR

ik

io

ik

ss μ10

10)()(

)()( Ωk1


12

Pojačanje signala

Kako izgleda proizvoljni električni signal?

Promenljiv i nepredvidljiv u vremenu


13

Pojačanje signalaTeško je obrađivati

ovakav signal u vremenskom domenu, još teže je projektovati kolo koje će to da radi.Može li drugačije? jg j

Kako?

Jean Baptiste Joseph Fourier(1768 –1830)

Pierre-Simon, marquis de Laplace(1749 –1827)

Prelaz iz vremenskog u frekvencijski domen:

Furijeova transformacija


14

j f j

Pojačanje signala

Metod: Furijeov red

Svaki periodičnivremenski promenljiv signal može se prikazatipkao zbir prostoperiodičnihprostoperiodičnih signala različitih amplituda iamplituda i frekvencija.


15

Pojačanje signala

Prostoperiodični signal:

Amplituda: Va = max. vrednostAmplituda: Va max. vrednost

Frekvencija: f=1/T (Hz)

Kružna frekvencija ω=2π f (rad/s)

Faza φ=0 (za slučaj sa slike)

)i ()i ()( VV φ

φ ( j )

Kako bi izgledao za φ=π/2?

T t d t t tk )sin()sin()( tVtVtv aaa ωφω =+=Trenutna vrednost; u trenutku t

Efektivna vrednost 2/aaeff VV =Srednja vrednost

aaeff

0V =A


16

Pojačanje signala

Periodični signal v(t):

Amplituda: V

Frekvencija: f =1/T (Hz)Frekvencija: fo 1/T (Hz)

Kružna frekvencija ωο=2π f (rad/s)

)i13i1( i4)( VFaza φ=0

...)5sin513sin

31(sin4)( +++= tttVtv ooo ωωω

π


17

Pojačanje signala(Sl ž ) P i dič i i l(Složeno) Periodični signal

...5sin413sin41sin4)( +++= tVtVtVtv ooo ωωωv(t)53

)( ooo πππ( )

Osnovna frekvencija

harmonici

Osnovna frekvencija

Frekvencijski spektar

harmonici

ppravougaonog periodičnogperiodičnog signala

“č k ”11. oktobar 2011 Uvod


“četvrtke”

Pojačanje signala

Aperiodični signal

v(t)

Frekvencijski spektar

KONTINUALAN


19

Pojačanje signala

Zadaci:

1. Odrediti frekvenciju i kružnu frekvenciju sinusnog i i 1 (f 1kH 2000 )signala periode 1ms.

2. Odrediti periode sinusnih signala frekvencija:

(f=1kHz, ω=2000π)

50Hz, 1MHz, 1GHz.3. UHF opseg počinje od 14. kanala i zauzima opseg

(0.02s, 1μs, 1ns)

frekvencija od 470 MHz do 806 MHz. Ukoliko je širina kanala 6MHz, izračunati koji je poslednji kanal u ovom opsegu. (69., 14.-69.)


20

Pojačanje signala

Pojačanje signala – neophodno u svakom sistemu za obradu signalap gKarakteristike:Podjednako pojačati sve komponente signalaPodjednako pojačati sve komponente signala

vu(t)vi(t)

)()( tvAtv ⋅= )()( tvAtv ui

Pojačanje A = const.11. oktobar 2011 Uvod


j j

Pojačanje signala

)(tvAA i Pojačanje napona

)()(

tvAA

u

iv == Pojačanje napona

)(tiA i= Pojačanje str je)(tiA

us = Pojačanje struje

)(tPA i= Pojačanje snage)(tPA

up Pojačanje snage


22

Pojačanje signala

vJedinica mere pojačanja?

i P

u

i

vvA =

u

is i

iA =u

iP P

PA =u u u

V/V, A/A, W/W Iz praktičnih (i istorijskih) razloga koristi seIz praktičnih (i istorijskih) razloga koristi se logaritamska skala:

Al20dB

v

Aa

Aa

log20

log20

=

=

dss Aa log20

log10 PP Aa ⋅= dB11. oktobar 2011 Uvod


g PP dB

Pojačanje signala

Pažnja?Često se koristi dB da iskaže vrednost fizičkeČesto se koristi dB da iskaže vrednost fizičke veličine!Tada dB označava vrednost u odnosu na 1Tada dB označava vrednost u odnosu na 1, a dBm u odnosu na 10-3 (napona, struje ili snage).

dB V1

log20 ii

P

VV = dBm mV1

log20 ii

P

VV =

W1log10 i

iPP = dBw mW1

log10 ii

PP = dBm

Oznaka dBc iskazuje odnos prema veličini osnovnog signala (nosioca – carrier objašnjenje kasnije)


24

osnovnog signala (nosioca carrier, objašnjenje kasnije)

Pojačanje signalaKoliki se napon očekuje na izlazu pojačava pobuđenog naponom od 0.1mV ako se zna da mu je pojačanje:p j p j j

60 dB0 dB

(0.1V)

(0 1mV)0 dB-20 dB

(0.1mV)

(0.01mV)

Koliko je pojačanje u dB kod pojačavača kod koga je i l d 1 V i i l i dpri ulaznom naponu od 1mV izmeren izlazni napon od

1 V (60dB)

100 mV100 μV

(40dB)

(-20dB)


25

100 μV ( )

Pojačanje signala

Simbol pojačavača

ulaz izlaz ulaz izlazulaz izlaz

Uzemljenje, masa, referentni čvorLinearni pojačavač

vu(t)=Vusin(ωt) viz(t)=AVusin(ωt)


26

Pojačanje signala

Uloga pojačavača: Da pojača ulazni signal BEZ IZOBLIČENJA p j gKako može doći do izobličenja?1. Različito pojačanje malih i velikih ulaznih signala1. Različito pojačanje malih i velikih ulaznih signala2. Različito pojačanje na različitim frekvencijama

(spektralne komponente)(spektralne komponente) 3. Različito kašnjenje na različitim frekvencijama

( kt l k t )(spektralne komponente)

d lj11. oktobar 2011 Uvod


dalje dalje2

Pojačanje signala

1. Različito pojačanje malih i velikih ulaznih signala0.15 Ulazni signal

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1Ulazni signal

)2sin(05.0)sin(1.0 ttvu ωω ⋅+⋅=

0 25

0 100 200 300 400 500 600 700

izlaz

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

V10za ≤=i vvv

0 1 2 3 4 5 6 7-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

V1.0 za 4

V1.0 za

>⋅=

≤=

uui

uui

vvv

vvv


28

Pojačanje signala

2. Različito pojačanje na različitim frekvencijama0.15 Ulazni signal

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1Ulazni signal

)2sin(05.0)sin(1.0)( tttvu ωωω ⋅+⋅=

0 100 200 300 400 500 600 700

0.2

Izlazni signal0

0.05

0.1

0.15

t)(22t)(1t)( ωωω + vvv0 1 2 3 4 5 6 7

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

( ) ( ) t)(2sin05.0 2 t)(sin1.0 1t)( t)(2 2 t)( 1t)(

ωωωωωω

⋅⋅+⋅⋅=⋅+⋅=

i

uuiv

vvv


29

Pojačanje signala

3. Različito kašnjenje na različitim frekvencijama0.15 Ulazni signal

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1Ulazni signal

)2sin(05.0)sin(1.0 ttvu ωω ⋅+⋅=

0 100 200 300 400 500 600 700

Izlazni signal0.2

0.3

( )( )/4)t(2sin05.0t)(sin1.02

/4)t(2 t)( 2πωω

πωω+⋅+⋅⋅=

++⋅=

i

uuiv

vvv-0.1

0

0.1

( ) /4)t(2sin05.0t)(sin1.0 2 πωω ++iv

-0.3

-0.2

0.1

0 1 2 3 4 5 6 7-0.4


30

Pojačanje signala

Uloga pojačavača: Da pojača ulazni signal bez izobličenja Pojačavač - zahtevi: ja) Linearnost – ne sme se uneti nova komponenta

signala niti uništiti već postojeća.signala, niti uništiti već postojeća.b) Sve spektralne komponente signala podjednako

pojačati spektarpojačati spektarc) Zadržati isti odnos faza svim spektralnim

k tkomponentama O svemu ovome biće više reči kasnije tokom kursa. Za početak podrazumevamo da idealizovani pojačavač

ispunjava sve navedene zahteve.d lj


31

dalje dalje2

Pojačanje signala

Modeli pojačavača:Tokom kursa razmatraćemo pojačavače p j

različite složenosti (jednostepeni, višestepeni),sa različitim komponentama (BJT, MOSFET)sa različitim komponentama (BJT, MOSFET)u različitim režimima rada (mali signali, veliki signali)

Pre toga razmatramoPre toga razmatramoGENERALIZOVANI model na FUNKCIONALNOM nivou

(ni o ponašanja bihe ioralni šta rade a ne kako i(nivo_ponašanja = bihevioralni - šta rade, a ne kako i na osnovu čega obavljaju funkciju).

N f k i l i kl ifik j ih i i lNa funkcionalnom nivou klasifikujemo ih prema tipu signala


32

Pojačanje signalaKlasifikacija pojačavača prema tipu signala

Naponski: Vu Vip u i

IdealniIu IiRi R ∞=u[ / ]iVAVu Vi

Ru 0Ri == u ; [V/V]

uViA

>∞< konačon 0 konačona iu RRIu IiRi

Realni

== ;[V/V]o

iu

iVAA

Vu ViRu

Ri

∞→=

RpnneopterećejekadaSamo0i

; [V/V] I

ouV

AA


33

∞→Rpnneoptereće je kada Samo


Strujni: Iu Iij u i

IdealniIu Ii

0RIVu ViRiRu

∞==

=i

u

R0R

; [A/A] uIiIAs

∞<> konačon konačona 0 iu RRRealni

uIu Ii

== ; [A/A] sos

iu

iIAA

Vu ViRiRu

0RnneopterećejekadaSamo0i

==

;[ ] V

sosuI


34

0.Rnneoptereće je kada Samo p =


Transkonduktansni: Vu Ii (napon u struju)u i ( p j )Idealni

Iu Ii

∞=uRiIVu ViRiRu

∞=∞

=i

uRR

[A/V] uViI

Gm

∞<∞< konačon konačon iu RRRealni

Iu Ii

== ; [A/V] 0mm

iu

iIGGVu Vi

0RnneopterećejekadaSamo0i

==

;[ ]

0V

mmuV


35

0.Rnneoptereće je kada Samo p =


Transrezistansni: Iu Vi (struja u napon)u i ( j p )Idealni

0=uRiVIu Ii

R

Ri

00

[V/A] =

=i

uRR

uIiV

RmVu ViRu

>> konačon 0 konačon 0 iu RRRealni

Iu IiR

== ; [A/V] 0mm

iu

iIRRu Vi

Ri

RnneopterećejekadaSamo0i

∞→=

;[ ]

0I

mmuV


36

.Rnneoptereće je kada Samo p ∞→

Pojačanje signalaSvi prikazani modeli su unilateralni: prenose signal samo u jednom pravcu - sa ulaza prema izlazu.

Svi navedeni modeli mogu ravnopravno da se koriste za modelovanje realnog pojačavača!modelovanje realnog pojačavača!

Primer:

Na izlazu neopterećenog realnog “strujnog” pojačavača postoji naponpostoji napon

iRRVAiRIAV

u

ussussi ⋅⋅=⋅⋅=

⎤⎡ ⋅= RGA

ssi

o RiR

AVVA ⋅==

Odavde sledi da je njegovo naponsko ⎥

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

= RRA

iRGA

moo

mso


37

uu RVnaponsko pojačanje:

⎥⎦⎢⎣ iR

Pojačanje signalaNajčešće ćemo u okviru ovog kursa govoriti o

Pojačavačima napona: iVA =Pojačavačima napona: u

o VA =

Iu IiR

IdealniVu Vi

Ru

Ri

Iu Ii

R

Ri

R l iVu ViRu Realni


38

ŠPojačanje signala

Široku primenu imaju i transkonduktansni pojačavači

(OTA Operational Transconductance Amplifier):(OTA Operational Transconductance Amplifier):

im V

IG =Iu IiuV

IdealniVu ViRiRu

R l i

Iu Ii

RealniVu ViRiRu


39

Pojačanje signalaIdealni naponski pojačavač opterećen i pobuđen iz realnog izvora

uvAv oiz ⋅=vR

Ri

RR A vizvs Rpvu Ru=∞Rs Aovu

svvu =iviv

oAuvizv

svizv

==Ukupno pojačanje

NE ZAVISI OD Rs I Rp


40

Pojačanje signalaRealni naponski pojačavač opterećen i pobuđen iz realnog izvora

R

iRpRpR

uvAv oiz +⋅⋅=

vR

Ri

RR A ipvizvs Rpvu RuRs Aovu

pRizv

RR

uRsvvu +

⋅=

iRpRpA

uvizA o +

⋅=≡

sRuRs +

pRuR

Aizvo ⋅⋅=

Uk j č j iRpRsRuRsv o ++Ukupno pojačanje

ZAVISI OD R I R11. oktobar 2011 Uvod


ZAVISI OD Rs I Rp

Pojačanje signala

Zadatak: Transdjuser koji daje na izlazu napon efektivne vrednosti od 1V i ima izlaznu otpornost od 1MΩ trebavrednosti od 1V i ima izlaznu otpornost od 1MΩ treba priključiti na potrošač od 10Ω. Izračunati napon i snagu

š č i j č j i i žna potrošaču kao i pojačanje napona i snage izraženo u dB kada se priključi:

a) direktnob) preko baferskog pojačavača koji imab) preko baferskog pojačavača koji ima

Ao=1, Ru=1MΩ i Riz=10Ω

a) 10μV, 10-11W,


42b) 0,25V, 6,25mW, (-12dB, 44dB) dalje

Pojačanje signala

Zadatak: Izmereno je da napon na izlazu pojačavača opadne za 20% kada mu se priključi potrošač od 1k.opadne za 20% kada mu se priključi potrošač od 1k. Kolika je izlazna otpornost pojačavača?

Za domaći(250Ω)


43

Pojačanje signala

Zadatak: Pojačavač sa pojačanjem Ao=40dB, Ru=10k, Ri =1k, pobuđuje potrošač od R =1k.Riz 1k, pobuđuje potrošač od Rp 1k.Izračunati ukupno naponsko pojačanje i pojačanje snage iiskazano u dB.

Za domaćiZa domaći(50 V/V; 44dB)


44

Pojačanje signala

Zadatak: Izračunati ukupno naponsko i pojačanje snage trostepenog pojačavača sa slike pobuđenog izvorom čijatrostepenog pojačavača sa slike pobuđenog izvorom čija je izlazna otpornost 100k i opterećenog potrošačem od 100Ω100Ω.

vu1 vu2vu3

10v 100v 1v

(Za domaći

10vu1 100vu2 1vu3


45

(743,6 V/V; 57,4 dB; 66,9 108 W/W; 98,3dB)

Pojačanje signala

Prenosna karakteristika linearnog pojačavača napona

izlazG fičk i ij izlazviz

Grafička interpretacija zavisnosti izlazne veličine

d lod ulazne

vvizvu Rp vu

dalje


46

Pojačanje signala

Prenosna karakteristika linearnog pojačavača naponaviZ š j ž ? vizZašto je ovo važno?

Δ

Δvi3

vΔ

Δvi1

Δvi2 uvizv

AΔ

Δ=

vuΔvu

i1

Nagib Pojačanje

3 2 1321

uviv

Auviv

Auviv

AΔ

Δ=<

Δ

Δ=<

Δ

Δ=

dalje

uuu


47

Pojačanje signalaš žPrenosna karakteristika Zašto je ovo važno?

Talasni oblik napona vi : (ne)obrće fazu

Δvuviz viz

Δvi1

vu vu

dalje


48

Pojačanje signalaš žPrenosna karakteristika Zašto je ovo važno?

Talasni oblik napona vi : izobličenje signala

0 2

0.3

0.4

0.5

vu

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

izlaz V10za ≤vvv

7

0 1 2 3 4 5 6 7-0.5

-0.4

-0.3

V1.0 za 4

V1.0 za

>⋅=

≤=

uui

uui

vvv

vvv

56

Ulazni signal

)sin(2.0 tvu ω⋅=23

4


49

)s (.0 tvu ω

01

-0.2

-0.1

5

-0.1

-0.0

50

0.050.1

0.150.2

Šta smo naučili?

• Koja je uloga pojačavača?• Koja je uloga pojačavača?

• Definicija pojačanja napona, struje i snage, jedinice

• Razlika između idealnih i realnih pojačavača – sa stanovišta ulazne i izlazne impedanse

• Prenosna karakteristika pojačavača

Na web adresi http://leda.elfak .ni.ac.yuNa web adresi http://leda.elfak .ni.ac.yu

> EDUCATION > ELEKTRONIKA


50slajdovi u pdf formatu

Ispitna pitanja1 Karakteristike prostoperiodičnog i složenoperiodičnog1. Karakteristike prostoperiodičnog i složenoperiodičnog

signala?2. Tipovi i uzroci izobličenja signala na izlazu pojačavača.2. Tipovi i uzroci izobličenja signala na izlazu pojačavača.3. Klasifikacija pojačavača prema tipu signala koji pojačavaju.4. Ukupno pojačanje napona idealnog, opterećenog pojačavača4. Ukupno pojačanje napona idealnog, opterećenog pojačavača

napona pobuđenog iz realnog izvora5. Ukupno pojačanje napona realnog, opterećenog pojačavača U p p j j p g, p g p j

napona pobuđenog iz realnog izvora6. Ukupno pojačanje idealnog, opterećenog p p j j g p g

transkonduktansnog pojačavača pobuđenog iz realnog izvora7. Ukupno pojačanje realnog, opterećenog transkonduktansnog

pojačavača pobuđenog iz realnog izvora8. Prenosna karakteristika pojačavača napona A=-10.


51

Sledeće nedelje:

Osnovi pojačavačke tehnike (nastavak)

• Frekvencijske karakteristike pojačavača

• Jednosmerno napajanje i prenosna karakteristikaJednosmerno napajanje i prenosna karakteristika pojačavača

Operacioni pojačavačiOperacioni pojačavači

Na web adresi http://leda.elfak .ni.ac.yu

> EDUCATION > ELEKTRONIKA

slajdovi u pdf formatu11. oktobar 2011 Uvod


slajdovi u pdf formatu

Documents

Osnovi elektronikeOsnovi elektronike Predispitne obaveze ...starisajt.elfak.ni.ac.rs/phptest/new/html/Studije/predavanja... · Elektronika nastala iz potrebe da senastala iz potrebe