مدارهای الکترونیکی

1. Amirkabir University of TechnologyComputer Engineering & Information Technology Department مدارهای الکترونیکی دکتر سعید شیری & کتابMICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e Sedra/Smith

2. معرفی • کتاب درسی: فصل های 1- 6 از کتاب • MICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e Sedra/Smith • اسلاید ها ، کتاب و سایر موارد را میتوانید از سایت زیر دانلود کنید: • ceit.aut.ac.ir/~shiry/lecture/electronics • کتاب را از سایت دانشکده نیزمیتوانید دریافت کنید: • Common\shiry\electronics

3. ارزیابی درس • امتحان میان ترم اول 25 درصد • امتحان میان ترم دوم 25 درصد • امتحان پایان ترم 35 درصد • تمرین 15 درصد

4. مباحث درس • فصول زیر از کتاب مورد مطالعه قرار خواهند گرفت: • فصل اول: مقدمه ای بر الکترونیک • فصل دوم: تقویت کننده های عملیاتی OP-AMP • فصل سوم: دیودها DIODE • فصل چهارم: ترانزیستورهای اثر میدان MOSFET • فصل پنجم: ترانزیستورهای پیوند دوقطبی BJT

5. مقدمه • چرا یک دانشجوی کامپیوتر باید درس مدارهای الکترونیکی را بگذراند؟

6. مثال : گوشی موبایل • اجزای یک گوشی موبایل: • یک برد الکترونیکی شامل پردازنده، مدارات تقویت کننده، مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و برعکس، فرستنده و گیرنده • یک آنتن برای انتشار امواج در هوا • صفحه نمایش • صفحه کلید • میکروفن • بلندگو • باتری

7. پردازنده • پردازنده گوشی همه کارهای مربوط به تشخیص کلید های فشار داده شده، نمایش اطلاعات، اجرای فرامین، ارسال و دریافت سیگنال از مرکزو اجرای برنامه هائی نظیر ماشین حساب، دفترچه تلفن و غیره را انجام میدهد.

8. بلندگو و میکروفن • گوشی های موبایل دارای یک بلندگو ظریف و کارا هستند که بعضا صدا را با کیفیت موسیقی پخش میکنند. • همچنین دارای یک میکروفن کوچک هستند.

9. صفحه کلید و صفحه نمایش • صفه کلید و صفحه نمایش جزو ورودی ها و خروجی های اصلی گوشی ها هستند.

10. مبدل های دیجیتال به آنالوگ، و آنالوگ به دیجیتال • سیگنال خروجی میکروفن پس از تقویت به یک مبدل آنالوگ به دیجیتال اعمال میشود تا به اطلاعات دیجیتال تبدیل میشود تا از طریق پردازنده قابل پردازش باشد. • سیگنال دیجیتال که توسط پردازنده پردازش شده، از طریق یک مبدل دیجیتال به آنالوگ تبدیل شده و به اندازه ای تقویت میشودتا از طریق بلندگو قابل پخش باشد.

11. مثال: سوئیچ • یک سوئیچ الکتریکی وسیله ای است که میتواند مانع عبور جریان الکتریکی در یک مدار شود. • سوئیچ ها وسایل باینری هستند که یا بسته و یا باز هستند. • سوئیچ ها جزو اصلی مدارات دیجیتال هستند که برای ساختن گیت های منطقی و پیاده سازی توابع بولی بکار میروند.

12. مدار داخلی یک گیت • سوئیچ ها و گیت ها با استفاده از ترانزیستورها و سایر المانهای الکتریکی ساخته میشوند.

13. مباحث این فصل • مدارهای الکترونیکی و پردازش سیگنال • دسته بندی سیگنالهای الکترونیکی • قرارداد ها و علائم • مدار تقویت کننده • مدل مداری برای آمپلی فایر • پاسخ فرکانسی

14. سیگنالها و اطلاعات • اطلاعات موجود در اطراف ما مثل درجه حرارت، صدا، نور و غیره را میتوان از طریق مبدل ها به سیگناهای الکتریکی تبدیل نمود. این سیگنالها ممکن است از نوع جریان و یا ولتاژ باشند. • سیگنال الکتریکی دارای این خاصیت است که میتوان آنها را توسط مدارات الکترونیکی مورد پردازش قرار داد.

15. منبع سیگنال الکتریکی • سیگنالی را که توسط مبدل تولید میشود به یکی از دوحالت زیر میتوان نشان داد: Figure 1.1 Two alternative representations of a signal source: (a) the Thévenin form, and (b) the Norton form. • مدل نورتن وقتی استفاده میشود که مقاومت Rs منبع زیاد باشد، مدل تونن وقتی استفاده میشود که مقاومت Rs منبع کم باشد. • این دو مدل قابل تبدیل شدن به یکدیگر هستند.

16. تبدیل صوت به الکتریسیته توسط میکروفن • میکروفن خازنی • این نوع میکروفن در واقع از یک خازن تشکیل شده است که یک صفحه از خازن در اثر امواج صدا به حرکت در می آید و در نتیجه ظرفیت خازن تغییر میکند. در این نوع از میکروفن با استفاده از یک باتری ولتاژی در روی خازن برقرار میشود که در اثر تغییرات ظرفیت خازن مقدار ولتاژ دو سر آن نیز تغییر میکند. مقدار این تغییرات بسیار ناچیز است لذا با استفاده از یک تقویت کننده مقدار آن تقویت میشود تا سیگنال قابل استفاده ای بدست آید. • مدار معادل این منبع سیگنال یک مدار تونن خواهد بود.

17. تبدیل صوت به الکتریسیته توسط میکروفن • میکروفن دینامیکی • این میکروفن با استفاده از اثر الکترومغناطیسی کار میکند. دیافراگم این میکروفن به یک مغناطیس و یا سیم پیچ وصل است که در اثر تغییرات صدا جابجا شده و جریان بسیار ضعیفی را ایجاد میکند. این جریان با استفاده از یک تقویت کننده تقویت میشود تا قابل استفاده شود. • مدار معادل این منبع سیگنال یک مدار نورتن خواهد بود.

18. شکل موج سیگنال • مقدار یک سیگنال با زمان تغییر میکند. برای سیگنالهائی که توسط مبدل ها تولید میشوند، شکل سیگنال پیچیده بوده و قابل بیان با یک رابطه ریاضی ساده نمی باشد. • ولی این سیگنالها را میتوان توسط مولفه فرکانسی آنها بیان نمود. • اگر سیگنال بصورت پریودیک باشد با سری فوریه و اگر غیر پریودیک باشد با تبدیل فوریه نشان داده میشود. Figure 1.2 An arbitrary voltage signal vs(t).

19. سری فوریه • یک سیگنال متناوب را میتوان با استفاده از تبدیل فوریه نشان داد. • مولفه های سینوسی این سیگنال را میتوان بصورت یک طیف فرکانسی نشان داد. Figure 1.4 A symmetrical square-wave signal of amplitude V. فرکانس اصلی = W0 Figure 1.5 The frequency spectrum (also known as the line spectrum) of the periodic square wave of Fig. 1.4.

20. تبدیل فوریه • یک سیگنال غیر متناوب را میتوان از طریق تبدیل فوریه به یک طیف پیوسته از فرکانسهای سینوسی تبدیل نمود. • در عمل اگر چه این سیگنال دارای همه فرکانسها میباشد، دامنه آن در محدوده خاصی بیشتر خواهد بود. Figure 1.6 The frequency spectrum of an arbitrary waveform such as that in Fig. 1.2.

21. موج سینوسی • بعلت اینکه در سری فوریه و تبدیل فوریه یک سیگنال دلخواه بصورت مجموعه ای از سیگنالهای سینوسی نشان داده میشود، این سیگنال اهمیت زیادی در مدارات الکترونیکی دارد. یک سیگنال سینوسی با مقدار حداکثردامنه آن V(t) مقدار فرکانس آن w =f=1/T و مقدار فاز آن q مشخص میشود. Figure 1.3 Sine-wave voltage signal of amplitude Va and frequency f = 1/T Hz. The angular frequency v = 2pf rad/s.

22. مثال: سیگنال صوتی • یک میکروفن مبدلی است که سیگنال صوتی را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند. • این سیگنال غیر متناوب است از اینرو تبدیل فوریه آن دارای همه نوع فرکانسی خواهد بود. اما گوش انسان فقط میتواند سیگنالهای بین 20-20000 هرتز را تشخیص دهد.

23. دسته بندی سیگنالها • سیگنال پیوسته (Analog) سیگنالی است که میتواند دارای هر مقداری باشد. این سیگنال مشابه سیگنالی است که توسط منبع تولید میشود. اگر درزمانهای مشخصی مثل t0,t1,t2 مقدار یک سیگنال آنالوگ را اندازه گیری کنیم یعنی از آن نمونه برداری نمائیم، و مقدار نمونه ها را کوانتیزه کنیم یعنی مقادیر آن را با تعداد محدودی رقم نشان دهیم، میتوانیم سیگنال آنالوگ را با تعدادی عدد نشان دهیم که به آن سیگنال دیجیتال میگویند. Figure 1.7 Sampling the continuous-time analog signal in (a) results in the discrete-time signal in (b).

24. تبدیل سیگنال Figure 1.9 Block-diagram representation of the analog-to-digital converter (ADC).

25. تقویت سیگنال • معمولا سیگنالهائی که توسط مبدلها تولید میشوند بسیار ضعیف هستند. • مثلا خروجی یک میکروفن ممکن است در حد mv و یا سیگنالی که از آنتن رادیو دریافت میشود در حد mV باشد. • از اینرو در مواقع زیادی سیگنالها باید توسط مداری به اندازه کافی تقویت شوند تا قابل استفاده شوند. • چنین مداری یک تقویت کننده نامیده میشود: Amplifier قطعات داخلی یک تقویت کننده

26. تقویت کننده • تقویت کننده ایده آل: • مداری است که سیگنال ورودی را بدون هیچ اعوجاجی تقویت میکند. • شکل موج سیگنال خروجی با سیگنال ورودی یکسان است با این تفاوت که در یک ضریب ضرب میشود. • یک تقویت کننده ایده آل را معمولا خطی در نظر میگیریم: مقدار تقویت سیگنال ورودی سیگنال خروجی

27. علامت مداری تقویت کننده • تقویت کننده یک مدار دو پورتی است که در حالت کلی مثل شکل a نشان داده میشود. • در موارد زیادی ورودی و خروجی هر دو به یک نقطه مشترک که زمین مدار نامیده میشود وصل میشوند تا امکان مقایسه آندو وجود داشته باشد ( شکل b ). Figure 1.10 (a) Circuit symbol for amplifier. (b) An amplifier with a common terminal (ground) between the input and output ports.

28. بهره ولتاژ (Voltage Gain) • یک تقویت کننده ایده آل بازای سیگنال ورودی vI(t) سیگنال vo(t) را در مقاومت بار RL تولید میکند. نسبت ایندو ولتاژ بهره ولتاژ نامیده میشود. Figure 1.11 (a) A voltage amplifier fed with a signal vI(t) and connected to a load resistance RL. (b) Transfer characteristic of a linear voltage amplifier with voltage gain Av.

29. بهره توان (Power Gain) • یک تفاوت تقویت کننده با وسیله ای مثل یک ترانسفورمر در این است که در حالی که هر دو قادر به افزایش ولتاژ در خروجی هستند، تقویت کننده میتواند توان را نیز در خروجی افزایش دهد در حالیکه توان خروجی ترانسفورمر کمتر و یا برابر با توان ورودی آن است. • بدیهی است که تقویت کننده میتواند جریان را نیز تقویت نماید:

30. نمایش بهره • بهره یک مقدار بدون دیمانسیون است. بدلایل عمدتا تاریخی برای نمایش بهره آنرا بصورت زیر نمایش میدهند:

31. منبع تغذیه تقویت کننده • دیدیم که تقویت کننده میتواند توان بیشتری از توان سیگنال ورودی را به خروجی تحویل دهد. این توان در عمل از طریق منابع تغذیه ای که توان لازم را تامین میکنند فراهم میشود. نحوه اتصال تقویت کننده به منابع تغذیه Figure 1.12 An amplifier that requires two dc supplies (shown as batteries) for operation.

32. منبع تغذیه تقویت کننده • توانی که توسط منابع تغذیه تامین میشود برابر است با: • قسمتی از این توان به بار تحویل داده میشود و بقیه در مدارهای داخلی تقویت کننده مصرف میشود. • بازدهی یک تقویت کننده بر اساس نسبت توان ورودی به توان تحویلی به بار اندازه گیری میشود. چون مقدار توان سیگنال ورودی نسبت به توان منبع تغذیه خیلی کمتراست میتوان از آن صرف نظر کرد.

33. مثال • تقویت کننده ای را در نظر بگیرید که به یک منبع تغذیه -+ 10V متصل است. یک منبع سیگنال ولتاژ سینوسی با دامنه 1V را گرفته و در خروجی سیگنالی با دامنه 9V در بار 1کیلو اهم ایجاد میکند. تقویت کننده جریان 9.5mA از هر یک از دو منبع ولتاژ میکشد. مقدار پیک جریان ورودی تقویت کننده 0.1mA است. • مقدار بهره ولتاژ، بهره جریان، بهره ولتاژ، توانی که از منبع dc کشیده میشود، توان تلف شده در تقویت کننده و بازده آنرا محاسبه کنید.

34. پاسخ

35. اشباع یک تقویت کننده • با افزایش مقدار سیگنال ورودی، مقدار آن در بهره تقویت کننده ضرب شده و به سبب آن مقدار ولتاژ خروجی نیز افزایش می یابد. اما خروجی تا آنجا میتواند افزایش یابد که از مقدار ولتاژ منبع تغذیه ( البته مقداری کمتر) بیشتر نشود. با رسیدن خروجی به یک حد مشخص دیگر مقدار آن افزایش نیافته و باعث اشباع شدن تقویت کننده میشود. • این پدیده باعث اعوجاج در سیگنال خروجی خواهد شد. برای پرهیز از اشباع باید ورودی از محدوده زیر خارج نشود: Figure 1.13 An amplifier transfer characteristic that is linear except for output saturation.

36. مشخصه تبدیل تقویت کننده • با رسم مقدار خروجی تقویت کننده بر حسب مقدار سیگنال ورودی آن به یک منحنی با نام مشخصه تبدیل میرسیم. • برای یک تقویت کننده ایده آل این منحنی یک خط است که از مبدا میگذرد. شیب این منحنی برابر با بهره تقویت کننده خواهد بود.

37. مشخصه تبدیل تقویت کننده واقعی • در عمل بدلایل مشکلاتی که در ساخت یک تقویت کننده وجود دارد منحنی مشخصه آن برای همه مقادیر ورودی بصورت خطی عمل نخواهد کرد. مقدار انحراف از رابطه خطی به کیفیت طراحی و ساخت تقویت کننده بستگی دارد و ممکن است فقط در قسمت کوچکی خطی عمل کند. Figure 1.14 (a) An amplifier transfer characteristic that shows considerable nonlinearity. (b) To obtain linear operation the amplifier is biased as shown, and the signal amplitude is kept small. Observe that this amplifier is operated from a single power supply, VDD.

38. بایاس کردن ورودی • یک راه ساده برای استفاده از تقویت کننده در ناحیه خطی آن بایاس کردن تقویت کننده است. • دراین روش مدار بنحوی بایاس میشود که در نقطه ای نزدیک وسط مشخصه انتقال عمل نماید. • برای اینکار یک ولتاژ DC با مقدار Vi بنحوی اعمال میشود که نقطه کار تقویت کننده (Q) متناظر با خروجی Vo در وسط مشخصه انتقال قرار میگیرد. • سیگنال vi(t)که باید تقویت شود با سیگنال DC ترکیب میشود (superimpose)تا سیگنال لحظه ای vI(t) = Vi + vi(t) به تقویت کننده اعمال شود.

39. سیگنال کوچک • اگرسیگنال متغیر vi(t)باندازه کافی کوچک نگاه داشته شود میتوان مطمئن شد که تقویت کننده در ناحیه خطی خود کار خواهد کرد. • در اینصورت خروجی برابر خواهد بود با • و مقدار سیگنال متغیر برابر خواهد شد با • که مقدار بهره از شیب قسمت خطی مشخصه انتقال بدست می آید: • اگر ورودی افزایش یابد ممکن است تا ناحیه کار تقویت کننده از ناحیه خطی آن خارج شده و سیگنال ورودی دچار اعوجاج شود.

40. مثال • یک تقویت کننده ترانزیستوری دارای مشخصه انتقال زیر است: • این معادله برای حالتی صادق است که: • حدود و مقادیر ورودی متناظر با آن را پیدا کنید. • برای داشتن مقدار بایاس dc در ورودی چقدر باید باشد. مقدار بهره در این نقطه چقدر است؟

41. پاسخ • مقدار برابر با 0.3خواهد بود. • با قرار دادن مقدار در معادله مشخصه مقدار ورودی برابر با خواهد شد. • مقدار وقتی است که باشد. در نتیجه Figure 1.15 A sketch of the transfer characteristic of the amplifier of Example 1.2. Note that this amplifier is inverting (i.e., with a gain that is negative).

42. پاسخ • برای داشتن این مقدار را در معادله مشخصه قرار میدهیم: • برای بدست آوردن بهره در این نقطه • از مشتق گیری استفاده میکنیم: • که مقدار بهره برابربا خواهد بود. Figure 1.15 A sketch of the transfer characteristic of the amplifier of Example 1.2. Note that this amplifier is inverting (i.e., with a gain that is negative).

43. علائم قراردادی • در این کتاب از علائم قراردادی زیر برای نشان دادن سیگنالهای مختلف استفاده میشود: مقادیر ac سیگنال دامنه سیگنال متناوب مقدارکلی یک سیگنال لحظه ای یک سیگنال dc Figure 1.16 Symbol convention employed throughout the book. VDD: مقدار ولتاژ منبع تغذیه IDD: جریانی که از منبع تغذیه کشیده میشود

44. مدل تقویت کننده • یک تقویت کننده میتواند از یک تا ده ها ترانزیستور داشته باشد. با این وجود انواع مختلف تقویت کننده را میتوان با مدل های ساده ای نشان داد بدون اینکه لازم باشد ازپیچیدگیهای داخلی تقویت کننده اطلاع داشته باشیم. • چهار نوع مدل مختلف برای تقویت کننده را بررسی خواهیم کرد: • تقویت کننده ولتاژ • تقویت کننده جریان • تقویت کننده TransConductance • تقویت کننده TransResistance

45. تقویت کننده ولتاژ voltage-controlled voltage source • یک تقویت کننده ولتاژ را میتوان با مدار شکل روبرو مدل نمود. این مدل از اجزای زیر تشکیل میشود: • ورودی تقویت کننده با یک مقاومت مدل میشود که نشان میدهد که تقویت کننده از منبع سیگنال، جریان خواهد کشید. • یک منبع ولتاژ که مقدار آن به نسبت بهره Avo از روی مقدار ولتاژ ورودی تعیین میشود • یک مقاومت خروجی Ro که باعث میشود هنگام تغذیه بار خروجی تقویت کننده تغییر کند. Figure 1.17 (a) Circuit model for the voltage amplifier.

46. تقویت کننده درمدار • شکل زیر تقویت کننده ای را درحالیکه به منبع سیگنال و مقاومت بار وصل شده است نشان میدهد. • صفر نبودن مقاومت خروجی تقویت کننده باعث میشود تا فقط قسمتی از سیگنال تقویت شده به مقاومت بار برسد: در نتیجه مقدار واقعی بهره ولتاژ برابر خواهد بود با Figure 1.17 (b) The voltage amplifier with input signal source and load.

47. وابستگی بهره تقویت کننده به مقدار بار • در حالتیکه باری به تقویت کننده وصل نباشد مقدار بهره آن برابر با Avo خواهد بود که اصطلاحا بهره مدار باز نامیده میشود. Open Circuit Voltage Gain = • برای از دست ندادن بهره ولتاژ میبایست مقدار Ro نسبت به مقاومت بار RL خیلی کم باشد. در کاربردهائی که مقدار RL متغیر باشد Ro را از کمترین مقدار RL کوچکتر انتخاب میکنند. • برای یک تقویت کننده ایده آل مقدار Ro =0 در نظر گرفته میشود.

48. مقدار مقاومت ورودی یک تقویت کننده • برای یک تقویت کننده ایده آل مقدار مقاومت ورودی بی نهایت در نظر گرفته میشود. ولی درعمل مقداری برای آن خواهیم داشت. در نتیجه تمامی سیگنال منبع به ورودی تقویت کننده نخواهد رسید. • بنابراین تقویت کننده باید طوری طراحی شود که

49. بهره ولتاژ برای تقویت کننده غیر ایده آل • نسبت ولتاژی که به بار میرسد به ولتاژ منبع سیگنال در حالتیکه مقاومت ورودی تقویت کننده بی نهایت نبوده و مقدار مقاومت خروجی آن نیز غیر صفر باشد برابر است با

50. تقویت کننده با بهره واحد • Buffer Amplifier تقویت کننده ای است که بهره نزدیک به یک دارد اما مقاومت ورودی آن بسیار زیاد و مقاومت خروجی آن نیز بسیار کم است. • از این مدار بعنوان بافر استفاده میشود و کاربرد اصلی آن در جائی است که بخواهیم یک منبع سیگنال قوی ولی با مقاومت خروجی بالا را به یک بار کوچک وصل کنیم.