Upload
vesa-linja-aho
View
4.812
Download
10
Embed Size (px)
DESCRIPTION
TKK:n kurssin S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op) kertausluennon kalvot vuodelta 2007, jolloin toimin kurssin luennoitsijana.
Citation preview
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)