Download pdf - 0O1.Osnovi elektronike

Transcript
Page 1: 0O1.Osnovi elektronike

Osnovni elektronski elementi i sklopovi

Dioda - ispravljač

Inverzna polarizacija, dioda ne provodi

I

P N

Ako je V < Vpn, I=0

Ako je V > Vpn,

Vpn ~ 0.6 V, za diodu od Si

R

VVI pn−=I

Direktna polarizacija, dioda provodi

Page 2: 0O1.Osnovi elektronike

TRANZISTOR – aktivni režim rada

IC

IE

IB

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

+=

−1310log060.0 C

BE

CBE

IV

III

B - baza, E - emitor, C - kolektor

na 27°C

Tranzistor je aktivna elektronska komponenta koja omogućuje pojačanje električnih signala. Pojačanje ulaznog signala (struja) kroz bazu je na račun energije koju daje izvor koji napaja tranzistor.

Tranzistori se najčešće prave od silicijuma, i klasifikovani su u 3 kategorije:

1) bipolarni, 2) FET, i 3) MOS ili CMOS

B EC

E

I = β IB

Pojačavačka funkcija! => mala promena struje IB ima veliki uticaj na struje IC and IE

TRANZISTOR – rad u zasićenju

Ako je ulazni napon Vin

veći od granične vrednosti, tranzistor ulazi u zasićenje, a izlazni napon postaje Vout ≈ 0. Ako je napon nedovoljan za pobudu, napon Vout

postaje Vout = VCC.

Granična vrednost ulaznog napona je jednaka napone p-n spoja (≈0.6 V) Tranzistor ne provodi kad je ulazni napon manji od 0.Ova funkcija je osnova rada digitalnih uređaja.

Page 3: 0O1.Osnovi elektronike

Tranzistori

Silikonski bipolarni tranzistori (bipolarni pnp spoj) imaju veliko pojačanje, veliki propusni opseg, i koriste se kao analogni pojačavači.

FET (Field Effect Transistor) imaju veliku ulaznu impedansu (koriste se kao pojačavači)

MOS FET (Metal Oxide Field Effect Transistor) se najčešće koriste u digitalnim uređajima, posebno u računarima.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) tranzistori zahtevaju malu pobudu (snagu), i koriste se najviše kao digitalni i analogni prekidači.

IDEALNI / NEIDEALNI POJAČAVAČ

1000001100 Ω100 MΩ1 MHz106NE-IDEALNI

∞00∞∞∞IDEALNI

CMRR - FAKTOR POTISKIVANJA ZAJEDNIČKOG SIGNALA(odnos pojačanja diferenceijalnogsignala (DMG) i pojačanjazajedničkog signala (CMG)

ŠUM

(µV/HZ1/2 ili µA/HZ1/2)

IZLAZNA IMPEDANSA

ULAZNA IMPEDANSA

PROPUSNI OPSEG

POJAČANJE U OTVORENOJ SPREZI

)(0 −+−+ −=−= VVAAVAVVA

Page 4: 0O1.Osnovi elektronike

IDEALNI OPERACIONI POJAČAVAČ

Operacioni pojačavač je jednosmerni

diferencijalni pojačavač sa velikim

pojačanjem koji se može predstaviti kao

naponom kontrolisan strujni izvor. Na

izlazu pojačavača je napon vo koji je jednak

proizvodu razlike napona vd=v1-v2 i

pojačanja A. U analizi idealnog

operacionog pojačavača pojačanje i ulaznu

impedansu smatramo beskonačnim, tj.,

A = ∞ i Zul=Rd=∞.

Pojednostavljena analiza (for dummies) idealnog operacionog

pojačavača se može sprovesti koristeći 2 pravila (golden rules):

Pravilo 1: Ulazni krajevi su na istom naponu, tj. vd = 0

Pravilo 2: Ulazna struja u pojačavač je Iul = 0.

Kada operacioni pojačavač radi u linearnom režimu (sa povratnom spregom)

Page 5: 0O1.Osnovi elektronike

ULAZNA IMPEDANSA

ULAZNA IMPEDANSAIMPEDANSA TREBA DA BUDE ŠTO VEVEĆĆAADA BI STRUJA BILA ŠTO MANJA (ne remeti mernu veličinu)

Ulazna Ulazna impedansaimpedansaje impedansa merena između ulaznih terminala

ULAZ KOLO IZLAZ

IZLAZNA IMPEDANSA

Ulaz Kolo Izlaz

Izlazna impedansa je impedansa merena između izlaznih terminala.

Izlazna Izlazna impedansaimpedansa treba da bude malamala.

Ovo je od interesa da bi se energija napajanja pojačavača koristila za kola koja su povezana na izlazne terminale, a minimalno na rad samog uređaja

Page 6: 0O1.Osnovi elektronike

POJAČAVAČKO KOLO ZA INVERTOVANJE

I1=I2=(Vin-V-)/R1= -(Vout-V-)R2

V- = V+ = 0

VVoutout = (= (--RR22/R/R11)V)Vinin

Naponska prenosna kakteristika invertora ima nagib određen odnosom otpornika u povratnoj sprezi i otpornika povezanog između ulaznog napona i invertovanog ulaza u pojačavač.

Van aktivnog režima idealni operacioni pojačavač radi kao prekidač, sa dva moguća izlazna naponska nivoa približno jednaka naponima ± VCC.

KOLO ZA INVERTOVANJE

Page 7: 0O1.Osnovi elektronike

POJAČAVAČ koji sabira

VOUT = -Rf (V1/R1 + V2/R2 + … + Vn/Rn)Ako je R1=R2=…=Rf, tada je Vout = V1 + V2 +…+Vn

If

Kolo za praćenje obezbeđuje da izlazni napon prati promene ulaznog napona u određenom opsegu. Osnovna primena kola za odvajanje pojačavačkog stepena od prethodnih elemenata ("buffer").

“VOLTAGE FOLLOWER”

V+ = Vin

V- = V+

Vout = V- = V+ = Vin !!!!

Page 8: 0O1.Osnovi elektronike

“VOLTAGE FOLLOWER”

I1 = V-/R1 , I1 = I2 = (Vout – V-)/R2 , Vin=V-

Vout = (1 + R2/R1)Vin

KOMPARATOR

Vout=A(Vin – Vref)

Ako je Vin>Vref, teorijski bi izlazni napon trebalo da bude Vout = +∞, ali s obzirom da pojačavač ne može na svom izlazu da ima veći napon od napona napajanja dobijamo da je izlazni napon blizak naponu napajanja Vout = Vcc

Ako je Vin<Vref, Vout = -Vcc

Vcc

-VccVIN

VREF

A (pojačanje je veliko)

Page 9: 0O1.Osnovi elektronike

DIFERENCIJALNI POJAČAVAČ

Diferencijalni pojačavačtreba da pojača razliku između dva signala, a da ne pojača tzv. zajednički signal koji postoji na diferencijalnim ulazima.

Diferencijalni pojačavač sa jednim operacionim pojačavačem.

Otpornici R3 i R4 moraju da budu “upareni” i treba da budu temperaturski stabilni. Uobičajeno se koriste metal film otpornici sa tačnošću 0.5% ili 1%. Uparenost se odnosi na odnos R3/R4

koji su povezani za neinvertovani tj. invertovani ulaz pojačavača.

)v - v(R

R = v 343

4o

R

v - v = R

v - v =i ,R + R

R v = v4

o5

3

53

43

445

Page 10: 0O1.Osnovi elektronike

Ako ulazne tačke kratko spojimo (v3=v4 ), tada taj napon nazivamo zajednički napon vs u odnosu na referentnu tačku, i označavamo sa CMV (common mode voltage).

Ako su ulazni naponi međusobno različiti, v3≠v4, tada je pojačanje razlike tih napona određeno odnosom otpora R4/R3.

Odnos R4/R3 je diferencijalno pojačanje (oznaka DG - differentialgain).

Diferencijalni pojačavači pojačavaju i zajednički napon, a pojačanje zajedničkog napona CMV označavamo sa CMG (common mode gain).

CMRR 20=CMRR[dB] ,CMG

DG = CMRR log

Definišemo faktor potiskivanja zajedničkog napona (CMRR -common mode rejection ratio) kao odnos pojačanja DG i CMG:

I1

Dva operaciona pojačavača koja su povezana tako da svaki prati promene ulaznog napona (voltage follower)

I1 = (V1 – V2)/R1

I2 = I3 = I1

Vout = (R1 + 2R2)(V1 – V2)/R1

= (V1 – V2)(1+2R2/R1)

I2

I3

INSTRUMENTACIONI POJAČAVAČ

Page 11: 0O1.Osnovi elektronike

I1

Diferencijalni pojačavač

V- = V+ = V2R4/(R3 + R4)

(V1 – V-)/R3 = (V- – Vout)/R4

Dobijamo da je

Vout = – (V1 – V2)R4/R3

I2I3

INSTRUMENTACIONI POJAČAVAČ

VOUT = – (V1 – V2)(1 + 2R2/R1)(R4/R3)

INSTRUMENTACIONI POJAČAVAČ

Ukupno pojačanje je proizvod pojačanja prvog i drugog stepena

Page 12: 0O1.Osnovi elektronike

U cilju povećanja ulazne impedanse koriste se diferencijalni pojačavači sa 3 operaciona pojačavača. Na svaki ulaz diferencijalnog pojačavača vezujemo voltage follower. U kolu prikazanom na slici ne postoji veza kola za praćenje sa nultim potencijalom, već su dva kola za praćenje povezana otpornikom R1.

R

R R

R + R2 =A 3

4

1

12

INSTRUMENTACIONI POJAČAVAČ

Ukupno pojačanje je

Instrumentacioni pojačavač

Faktor potiskivanja instrumentacionog pojačavača je jednak faktoru potiskivanja samo drugog stepena, a ulazna impedansa je velika zahvaljujući primeni kola za praćenje.

R

R R

R + R2 = A

3

4

1

12

Page 13: 0O1.Osnovi elektronike

KOMPARATOR

Vout=A(Vin – Vref)

Ako je Vin>Vref, teorijski bi izlazni napon trebalo da bude Vout = +∞, ali s obzirom da pojačavač ne može na svom izlazu da ima veći napon od napona napajanja dobijamo da je izlazni napon blizak naponu napajanja Vout = Vcc

Ako je Vin<Vref, Vout = -Vcc

Vcc

-VccVIN

VREF

A (pojačanje je veliko)

KOMPARATOR

Rad komparatora se može poboljšati dodavanjem dva

otpornika R1 koji omogućuju da podesimo ulaznu impedansu, i

sprečimo operacioni pojačavač da radi u nedozvoljenom

(opterećenom) režimu.

Referentni napon mora da bude manji od napona napajanja

operacionog pojačavača, pa se referentni napon uobičajeno

dobija primenom razdelnika napona, i na taj način izbegava

uvođenje posebnog izvora napajanja za referetni signal.

Ukoliko se primeni operacioni pojačavač sa jednostrukim

napajanjem, izlazni napon će imati vrednosti +VCC i 0.

Page 14: 0O1.Osnovi elektronike

Razdelnik napona

I

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=∴

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

21

212

22

21

1

RR

RVV

IRV

RR

VI

V2 je deo napona V1 koji je određen odnosom otpornika R1 i R2

U primeni kola male promene ulaznog napona u okolini referentnog napona će dovesti

do promene izlaznog napona od -VCC na VCC, ili obrnuto. Da bismo obezbedili da

komparator ne menja izlazni napon pri malim fluktuacijama napona, primenjujemo tzv.

komparator sa histerezisom. U ovom kolu otpornik R3 obezbeđuje da izlazni napon

postane +VCC kada ulazni napon ima vrednost vref+∆v, gde ∆v zavisi od odnosa R2 i R3,

a da napon postaje -Vdd kada ulazni napon opadne na vrednost vref-∆v. Ako se umesto

otpornika R3 postavi potenciometar dobijamo komparator sa promenljivim histerezisom.

KOMPARATOR SA HISTEREZISOM

Page 15: 0O1.Osnovi elektronike

ISPRAVLJAČ

Originalni signal

Jednostrano ispravljeni signal

Dvostrano ispravljeni signal

Ispravljač

Ako je VIN>0 dioda ne provodi i imamo

VOUT = VIN(3R/(2R+R+3R)) = VIN/2

Ako je VIN<0, diode provodi pa imamo

VOUT = -VIN(R/2R) = -VIN/2

Page 16: 0O1.Osnovi elektronike

Logaritamski pojačavač koristi

tranzistor u povratnoj grani na

operacionom pojačavaču.

Izlazni napon je "logaritamski"

povezan sa ulaznim naponom vi u

opsegu kolektorskih struja

100 pA < IC < 10 mA,

i pripada opsegu od približno -0.36

do -0.66 V.

LOGARITAMSKI POJAČAVAČ

Filtri

• Nisko propusni filtar

• Visoko propusni filtar

• Filtar propusnik opsega• npr. EKG: 0.05-100 Hz

• Filtar nepropusnik opsega (npr. 50 Hz)

Učestanost

Amplituda

Učestanost

Amplituda

Page 17: 0O1.Osnovi elektronike

Odnos VOUT/VIN u kolu nazivamo prenosna funkcija H(f). Prenosna funkcija zavisi od učestanosti signala koji je na ulazu kola.

Nisko propusni (LP) filtar

Visoko propusni (HP) filtar

FILTRI: PRENOSNA KARAKTERISTIKA

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=fRCj

fHπ21

1)(

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=fRCj

fRCjfH

ππ21

2)(

Učestanost

Amplituda

Učestanost

Amplituda

Učestanostodsecanja

FILTRI: FREKVENCIJSKI ODGOVOR

Funkcija prenosa je u kompleksnom domenu. Geometrijski prikaz funkcije prenosa je pogodan oblik za jednostavnu analizu karakteristika kola. Geometrijske prikaze amplitudske i fazne karakteristike zovemo Bode-ovi dijagrami.

Na slici je prikazana nisko propusni (LP) filtar.

Horizontalna osa: učestanost

Vertikalna osa: |H(f)| - absolutnavrednost amplitudske prenosne karakteristike

fC je učestanost odsecanja.

fC

~70.7%

Blokirano

Page 18: 0O1.Osnovi elektronike

Nisko propusni filtar

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ω+

=

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

ω+

ω=RCj

V

CjR

CjVV ININOUT 1

11

1

Visoko propusni (HP) filtar

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ω+

ω=

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

ω+

=RCj

RCjV

CjR

RVV ININOUT 11

Page 19: 0O1.Osnovi elektronike

Vremenski i frekvencijski domen (Laplace-va transformacija)

i i

U vremenskom domenu imamo diferencijalnu jednačinu koja povezuje izlazni i ulazni napon

(VIN – VOUT)/R = i = C dVout/dt

VOUT + RCdVOUT/dt=VIN

U frekvencijskom domenu imamo algebarsku jednačinukoja povezuje Laplace-vu transformaciju izlaznog i ulaznog napona.

VOUT(s) + sRCVOUT(s) = VIN(s), s = j ω

H(s) = VOUT(s)/VIN(s) = 1/(1 + sRC)

VOUT/VIN = Z2/Z1 = R/(1+jωRC)R = 1/(1+jωRC)

|H(f)|= 1 za f = 0 i |H(f)|= 0 as f →∞

Učestanost odsecanja ω = 1/RC (|H(f)|=0.707)

f

|H(f)|

AKTIVNI FILTRI

Page 20: 0O1.Osnovi elektronike

AKTIVNI FILTRI

Filtar propusnik niskih učestanosti (Low-pass filter) . Nisko propusni filtar prvog reda se može realizovati primenom jednog operacionog pojačavača, otpornika na invertovanomulazu pojačavača, i para kondenzator-otpornik u povratnoj grani između izlaza i invertovanog ulaza u pojačavač. Prenosna funkcija je:

CR= ,)j+(1R

R-=

Z

Z-=

)(jV

)(jVff

i

f

i

f

i

o τωτω

ω

KOLO ZA DIFERENCIRANJE

dtdvRC- = v

io

Page 21: 0O1.Osnovi elektronike

VOUT/VIN = Z2/Z1 = jωRC/(1+jωRC)

|H(f)|= 0 za f = 0, i |H(f)|= 1 kada f →∞ funkcija HP

Učestanost odsecanja

ω = 1/ RC (ovde je granica |H(f)|=0.707)

f

|H(f)|

AKTIVNI FILTRI

AKTIVNI FILTRI

Filtar propusnik visokih učestanosti (High-passfilter). Filtar prvog reda propusnik visokih učestanostise najjednostavnije realizuje primenom jednog operacionog pojačavača, kod koga je redno na ulaz vezan kondenzator, a u povratnoj grani sa izlaza na invertovani ulaz se nalazi otpornik. Prenosna funkcija u ovom kolu je:

CR= ,)j+(1R

Rj-=

Z

Z-=

)(jV

)(jVii

i

f

i

f

i

o τωτ

ωτωω

Page 22: 0O1.Osnovi elektronike

INTEGRATOR

v + dtvRC

1 - = v Coi

t

0

o

1

Pražnjenje integratora se obavlja otvaranjem prekidača S1 i

zatvaranjem prekidača S2.

AKTIVNI FILTRI

Filtar propusnik opsega (Bandpass filter). Filtar propusnik opsega se može realizovati kao kaskodna veza dva filtra, od kojih je prvi filtar propusnik niskih učestanosti, dok je drugi propusnik visokih učestanosti, a može da se realizuje i koristeći jedan operacioni pojačavač na čiji su invertovani ulaz redno povezani otpornik i kondenzator, a u povratnoj grani su paralelno vezani otpornik i kondenzator. Kod ovog filtra postoje dve granične učestanosti u kojima se menja nagib asimptotske amplitudske karakteristike određene jednačinom:

)CRj+)(1CRj+(1

RCj-=

Z

Z-=

)(jV

)(jV

iiff

fi

i

f

i

o

ωωω

ωω

Page 23: 0O1.Osnovi elektronike

Asimptotska amplitudska karakteristika prenosa za različite filtre. Oznake su I - integrator, D - kolo za diferenciranje, LP - filtar propusnik niskih učestanosti, HP - filtar propusnik visokih učestanosti, i BP - filtar propusnik opsega

Filtri višeg reda

Često se koristi Butheworth-ov filtar sa izrazito ravnomkarakteristikom u propusnom opsegu. Ova konfiguracija je poznata kao VCVS (voltage-controlled voltage-source) filtar. Ovaj filtar ima tri puta strmiju karakteristiku od filtra prvog reda.

Page 24: 0O1.Osnovi elektronike

Radi jednostavnosti proračuna može se koristiti tabela koja

omogućava računanje vrednosti komponenti u odnosu na željenu

graničnu učestanost. Za R = 1 Ω, C u Faradima, i fC=1/2π u

Hercima.

R) f(2 / C = C Ctablicastvarno π

Kad se izabere R stvarno, dobija se:

Prenosna amplitudska karakteristika realnog pojačavača nalikuje nisko propusnom filtru zbog toga što postoje kapacitivne pojave. Asimptotskaamplitudska karakteristika će imati nagib -1, a fazna karakteristika će biti pomerena za π/2 u negativnom smeru. Ako se posmatra višestepeno pojačanje, onda svaki stepen unosi ovakvu promenu (npr. 3 kaskodnopovezana pojačavaća imaju nagib -3, a faza je pomerena za -3π/2. Ovo je zadovoljavajući fazni pomak (za pomak -π postoje uslovi za oscilacije!).

Operacioni pojačavači se skoro uvek koriste sa negativnom povratnom reakcijom. Negativna reakcija proširuje frekvencijski opseg, a smanjuje pojačanje u odnosu na pojačanje u otvorenoj sprezi.

Page 25: 0O1.Osnovi elektronike

(motor, zvučnik, i slično)

Mala izlazna struja je dovoljna da uključi tranzistor koji može ako je pravilno odabran da dậstruju koja je za nekoliko redova veličine veća od izlazne struje operacionog pojačavača

Primer primene OPAMP za upravljanje uređajem kod kojeg je potrebna veća snaga za pogon


Recommended