ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 10. Další analogové IO

1. ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY10. Další analogové IO Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2. Další analogové IOPřehled Nejrozšířenější analogové integrované obvody • Stabilizátory napětí (proudu) • Transimpedanční a transkonduktanční zesilovače • Komparátory • Multivibrátory, oscilátory • Převodníky A/D a D/A • Výkonové zesilovače (zvuk, video) • Vf zesilovače, multiplexery, přepínače, zeslabovače • Modulátory, demodulátory, fázové závěsy • Aplikačně orientované obvody: GSM, TV, …

3. Principielní blokové schéma +UCC OZ +UC0 Obvody proudové ochrany Zdrojreferenčního napětí Regulační člen 0 V Další analogové IOStabilizátory napětí Jsou většinou součástí elektronických napájecích zdrojů. Jejich úkolem je udržovat konstantní napětí ve zvoleném místě nehledě na vliv zátěže, teploty a času. Zátěž RL

4. Zapojení I +UCC I0 UZ U I IL I UB RL U UB0 Zdroje referenčního napětí Požadavky: Dlouhodobě stálé napětí, nezávislé na napájecím napětí, teplotě a zátěži. ZDROJE SE ZENEROVOU DIODOU VA charakteristiky Stabilizace Vůči napájení: Vůči zátěži: Nevýhody: UB0 i jeho teplotní závislost závisejí na struktuře ZD (tj. na technologii diody a její geometrii)  velký výrobní rozptyl parametrů Důsledky: V IO se využívá jen u méně náročných aplikacích

5. +UCC I UZ IL UD RL Zdroje referenčního napětí ZDROJE S PŘECHODEM PN VA charakteristika přechodu PN Zapojení Stabilizace Výhody: UD i jeho teplotní závislost nezávisejí na struktuře diody (tj. na technologii diody a její geometrii), lze využít i přechody BE tranzistorů Nevýhody: Nižší stabilizační efekt na napájecí napětí, vyšší vnitřní odpor, větší teplotní závislost UD Důsledek: Vzhledem k menšímu výrobnímu rozptylu se po kompenzaci hojně používají pro náročné aplikace

6. UCC R1 R2 U2 IL I1 I2 U1 R6 T2 T1 UBE1 U6 RL UBE2 R3 U3 R5 U5 R4 U4 Stabilizovaný zdroj využívající přechody BE tranzistorů NPN Nutno zajistitkompenzaci teplotní závislosti, potlačit vliv změny napájecího napětí a maximálně snížit vliv zátěže RL • Příklad řešení • Stabilizovaná napětí: U5 a U6 • Dělič zpětné vazby: R6, R5 • Zpětná vazba udržuje U1 = U2  I1R1 = I2R2 • Předpokládá se: • Shodnost T1 a T2 • Dodržení vzájemnného poměru odporů R1, R2, R3, R4

7. Stabilizovaný zdroj využívající přechody BE tranzistorů NPN 1. Kompenzace teplotní závislostinapětí U5 Zjednodušené zapojení Aby U5 nezáviselo na teplotě, musí platit: UCC2 UCC R1 R2 U2 • Záporná zpětná vazba z děliče • R6/R5na báze tranzistorů T1 a T2 • U2 – U1  0  R1I1  R2I2 • 2. UBE2> UBE1 I2> I1 • UBE1 = UT.ln(I1/Is); • UBE2 = UT.ln(I2/IS) • UBE2 = UBE1 + U3  U3 = UT.ln(I2/I1) = • = UT.ln(R1/R2) I1 I2 U1 R6 T2 T1 UBE1 U6 UBE2 R3 U3 R5 U5 R4 U4

8. UCC R1 R2 U2 I1 I2 U1 R6 T2 T1 UBE1 U6 UBE2 R3 U3 R5 U5 R4 U4 Stabilizovaný zdroj využívající přechody BE tranzistorů NPN Aby U5 nezáviselo na teplotě, musí platit: Poměr odporů R1/R2 = n musí splňovat podmínku: (1+n).ln(n) =23.R3/R4 Potom: U5 = 1,205 V –stálé napětí (tzv. Band-Gap zdroj) A dále: U6 = U5.(R6+R5)/R5

9. UCC IL R1 R2 U2 I1 I2 U1 R6 T2 T1 UBE1 U6 UBE2 R3 U3 R5 U5 R4 U4 Stabilizovaný zdroj využívající přechody BE tranzistorů NPN Potlačení vlivu napájecího napětí Zpětná vazba napájející větve s I1 a I2 U6/UCC  1/CMR ~ 10-5 Potlačení vlivu zátěže Výstupní odpor OZ: rOZ ( 50 ): U6 = A(U2-U1) – ILrOZ Výstupní odpor celého zdroje: ri = U6/IL = rOZ.(1+R6/R5)/A ~ 0,2 

10. Regulační člen Příklad řešení napěťového zdroje s regulačním členem T3 • I1, ZD1 ….. zdroj referenčního napětí • T1, T2 , I2, R1… diferenciální zesilovač • C1 …. kmitočtová korekce • R3, R2 …. dělič napětí ve zpětné vazbě • T3 …regulační člen • RL …. zátěž I1 I2 UL UCC C1 RL T2 T1 R3 ZD1 R1 R2 UB

11. R4 T3 R5 R6 I1 I2 UL T4 C1 RL T2 T1 R3 ZD1 R1 R2 UB Regulační člen a nadproudová ochrana Příklad řešení napěťového zdroje s regulačním členem a proudovou ochranou • R4 … detekce proudu zátěží • T4 … při vzrůstu proudu zátěží nad 0,6/R4 uzavírá T3 • ZD2, R5 , R6 … zabraňují úplnému uzavření T3 ZD2 UCC

12. Stabilizátor U1 Napájení RL Zátěž U2 C1 C2 Stabilizátory napětíZapojení IO při stabilizaci napětí • U2 je stabilizované napětí • Kondenzátory C1 a C2 zabraňují rozkmitání stabilizační smyčky a jejich velikost bývá doporučena výrobcem IO

13. +UCC +UCC IL R1 RL UL UREF UREF UL IL R1 -UCC -UCC Stabilizátory prouduZátěž není uzemněná RL Proudový zdroj v neinvertujícím zapojení Proudový zdroj v invertujícím zapojení Stabilizovaný proud IL = UREF/R1

14. +UCC R2 R2 IL R1 R2 UREF RL UL R2 -UCC Stabilizátory prouduZátěž je uzemněná Nutno využít záporné i kladné zpětné vazby Stabilizovaný proud IL = UREF(R1 + R2)/(R1.R2)

15. Situace Iout RZ Uout RL ~ Uin UZ gm[S]je tzv. přenosová vodivost – transkonduktance zesilovače Transkonduktanční zesilovače Zesilovače s vysokým vstupním odporem (napěťový vstup) a s vysokým výstupním odporem (proudový výstup) • Rin >> RZ Iin  0; Uin UZ(vstupní veličinou je napětí zdroje) • Rout >> RL Iout  gmUin (výstupní proud je funkcí vstupního napětí a nezávisí na zátěži)

16. UCC D1 D2 I2 I1 T4 T3 U1 I4 Iout T1 T2 Uin I5 I3 U2 UL RL T5 IZ D3 Transkonduktanční zesilovačePříklad provedení Obecně platí: I1 = I3 = I5; I2 = I4 Iout = I4 – I5 = I2 – I1 I1 + I2 = IZ Uin = U1-U2 = UT.ln(I1/I2)  I1 = I2.exp(Uin/UT) Pro malé odchylky (nízké Uin) lze vztahy linearizovat: i1 =uin. IZ/(2UT) + i2 neboli: i1 =uin. IZ/(4UT) iout = 2i1 = uin. IZ/(2UT) Přenosová vodivost gm = IZ/(2UT)

17. Transkonduktanční zesilovačePoužití, parametry • Aplikace • Buzení laserů, LED diod • Buzení sériových linek • Buzení nízkoimpedančních vedení (koaxiálů) Typické parametry gm 10 – 100 mA/V CMR > 100 dB SR 50 V/s fT 1 MHz – 100 MHz

18. Situace Iin Iout RZ Uout RL ~ Uin UZ zm[]je tzv. přenosová impedance – transimpedance zesilovače Transimpedanční zesilovače Zesilovače s nízkým vstupním odporem (proudový vstup) a s nízkým výstupním odporem (napěťový výstup) • Rin << RZ Iin  UZ/RZ …. (vstupní veličinou je proud zdroje) • Rout << RL Uout  zmIIn (výstupní napětí je funkcí vstupního proudu a nezávisí na zátěži)

19. Transimpedanční zesilovačePříklad provedení +UCC D1 IZ T3 T1 I3 I1 D3 I5 +1 I2 Iin Cp D4 I4 Uout Rp T2 IZ T4 D2 -UCC Up Širokopásmové zesilovače pro zesilování zdrojů proudu (náboje) 1. Kirchhoffův zákon: Iin + I1 = I2; I3 = I4 + I5; Tranz. T3 a T4: I3 = I1; I4 = I2 1. Rovnovážný stav: Iin = 0  I1=I2; I3 = I4  I5 = 0 2. Odchylky od rovnovážného stavu: I1 = - i2; i4 = - i5i5 = iIN uout = up = iin//(1+jCpRp)

20. 1 + 3 U1 2 - U2 = UT U U1 UT U2 +Umax t -Umax KomparátoryZákladní funkce a použití Obvody sloužící pro porovnávání (komparování) dvou napětí: obvykle napětí zpracovávaného signálu s nějakým referenčním napětím U2 = +Umax, pro U1> UT U2 = -Umax, pro U1 UT UT je nastavené referenční prahové (rozhodovací)napětí Umožňuje rozhodnout o nespojité změně výstupních parametrů (zapnutí, vypnutí, přepnutí,..) na základě toho, že měřená veličina překročí mezní podmínku

21. U3 1 + 3 U1 +Umax 2 - U2 Pásmo neurčitosti = UT U1-U2 -Umax KomparátoryZpůsoby řešení Nejjednodušším komparátorem je operační zesilovač bez zpětné vazby (s plným ziskem) Hlavní nevýhoda tohoto řešení – OZ je při velkém vstupním napětí v saturaci  pomalý průběh přechodu mezi krajními stavy Řešení: antisaturační úpravy, aby OZ pracoval pouze v lineární oblasti

22. +UCC SD1 T1 Schottkyho dioda P+ N+ N+ E C B SiO2 N SiO2 Utopená vrstva N++ P KomparátoryAntisaturační úprava Hlavní příčinou saturace tranzistorů je, že jejich báze dostane vyšší potenciál, než kolektor. Tomu zabrání zapojení Schottkyho diody SD1 mezi bázi a kolektor každého tranzistoru, která v tomto případě převezme proud B-K. Schottkyho dioda pracuje pouze s majoritními nosiči  její zotavení je velmi rychlé. Technologické řešení v izoplanární struktuře:

23. UinH UinL Celková hystereze Uout +UoutH Uin -UoutL Samovolné přechody komparátoru s hysterezí Přechod komparátoru bez hystereze KomparátoryKomparátor s hysterezí Hystereze komparátoru: Přechod komparátoru z dolní úrovně na horní a naopak probíhá při různých vstupních napětích. Použití: Ochrana proti zbytečnému opakovanému překlápění tam a zpět v důsledku fluktuací měřené veličiny, rušení a podobně.

24. Komparátor s hysterezí Komparátor bez hystereze Uout Uout +UoutH UH Uin UH Uin -UoutL Vstupní signál KomparátoryKopmparátor s hysterezí - použití Použití: Ochrana proti zbytečnému opakovanému překlápění tam a zpět v důsledku fluktuací měřené veličiny, rušení a podobně.

25. R1 R1 R2 R2 1 1 Uout Uin + Uout + 3 3 - - 2 2 Uin R2 R2 Komparátor s hysterezí - provedení Nutno zavést kladnou zpětnou vazbu Neinvertující komparátor s hysterezí Invertující komparátor s hysterezí • UintL = UoutL.R2/(R1+R2) • UintH = UoutH.R2/(R1+R2) • Výhody invertujícího komparátoru: • Zdroj signálu není zatěžován komparátorem • Napětí překlopení nejsou ovlivněna vnitřním odporem zdroje signálu Ze stavu UoutL (na výstupu je minimální napětí –Umax = Uout L) se do opačného stavu UoutH = +Umax při napětí: UinL = -UoutL.R2/R1 . Podobně pro opačný směr překlápění platí: UinH = -UoutH.R2/R1 .

26. Komparátor 1 Komparátor 3 UREF1 R2 1 R1 3 R2 + 2 Uout + R2 - Uin - R2 4 R2 + UREF2 6 - 5 U R2 UH3 Uout Komparátor 2 3 UREF2 UREF1 Uin 6 Komparátor s hysterezís definovanými napětími přechodu Nevýhody uvedených komparátorů s hysterezí: hystereze závisí na napětí Umax , na napájecím napětí, na poměru odporů R1/R2. Komparátor 1: invertující bez hystereze, překlápí při UREF1 Komparátor 2: neinvertující, bez hystereze, překlápí při UREF2 Komparátor 3: neinvertující s hysterezí, hystereze UH3 velmi malá (eliminuje pouze rozdíly v úrovních Komp.1 a Komp. 2)

27. Multivibrátory Skupina obvodů s rychlým překlápěním mezi dvěma krajními stavy Základní rozdělení: • Bistabilní multivibrátory – klopné obvody (flip-flop): • Obvody se dvěmi stabilními stavy. Mezi těmito stavy se obvod překlopí v důsledku působení vnějšího signálu • Monostabilní multivibrátory: • Obvody s jedním stabilním stavem. Je-li tento obvod překlopen působením vnějšího napětí, vrací se samovolně, po uplynutí charakteristické doby do stabilního stavu. • Astabilní multivibrátory: • Obvody, které nemají stabilní stav, ale které se samovolně a periodicky překlápějí mezi dvěma krajními stavy.

28. Uout +UoutH +Umax Uin -Umax -UoutL Multivibrátor Široká hysterezní smyčka UHK -UK +UK Komparátor Úzká hysterezní smyčka Bistabilní multivibrátory Nejjednodušším bistabilním multivibrátorem je komparátor s hysterezí • Rozdíly: • Na vstup komparátoru je signál připojen stále a komparátor reaguje na jeho změny. Hystereze komparátoru předchází opakovanému spínání spotřebičů a eliminuje vliv rušení. Rozsah hystereze UHKje zpravidla pouze 0,1 až 0,3 V. Hysterezní smyčka je úzká • Signál se na vstup multivibrátoru přivádí jen pro účely překlopení do druhého stavu. Kvůli spolehlivé funkci je klopné napětí UK~ 1 V až 5 V.

29. UCC RC RC C1 UC2 UC1 C2 R1 I2 I1 R1 T2 T1 B1 UB2 B2 UB1 IE R2 RE R2 Bistabilní multivibrátoryPříkladzapojení, funkce • Dva stabilní stavy: • T1 nevede, T2 vede  • I2 = 0; I1 = IE; UC2  UCC; UC1 = UCC – IERC; UB1 = UCCR2/(R1+R2) ~ Ucc/2; UBE1  0,6 V; UB2 = (UCC- IERC)R2/(R1+R2); UBE2~ - 2 V; • 2. T2 nevede, T1 vede (opačný stav) Symetrický obvod • Přechod ze stavu 1 do stavu 2: • Kladným impulzem do báze T2 (B2) • Záporným impulzem do kolektoru T2 (C2) • Přechod ze stavu 2 do stavu 1: • Kladným impulzem do báze T1 (B1) • Záporným impulzem do kolektoru T1 (C1)

30. UCC RC RC C1 C2 R1 R1 T2 T1 B1 B2 R2 RE R2 Bistabilní multivibrátoryPřeklopení, aplikace • Parametry překlápěcího impulzu: • Amplituda: do báze ~ UCC/4; • do kolektoru ~ UCC/2 • 2. Délka: Tp~ UCC/(2.SR) • Aplikace: • Přepínač s pamětí • Základní buňky pamětí (jednobitová buňka)

31. UCC RC RC C2 C1 CV I1 I2 R1 T1 T2 B1 B2 IE R2 RE R2 Monostabilní multivibrátoryPříklad zapojení, funkce • Způsob provedení: • Náhrada jednoho zpětnovazebního odporu R1 kondenzátorem CV • Jeden stabilní stav: • Ve stabilním stavu se kondenzátor neuplatňuje a báze T1 má tedy potenciál společného vodiče (O V)  I1 = 0; I2 = IE; • UC1  UCC; UC2  UCC- IERC • Překlápění: • Obvod ve stabilním stavu • Kladným impulzem do B1 překlopíme obvod do stavu 2 • Záporným impulzem do C1

32. U Překlápěcí impulz UPUBmin t Průběh napětí na bázi T1 UBmin t Napětí na kolektoru T1 t Monostabilní multivibrátoryPřeklápění, aplikace Překlápění Po odstranění překlápěcího signáluse začne vazební kondenzátor nabíjet přes odpor R2 (potenciál UB1 klesá s časovou konstantou  = R2CV). Ve chvíli, kdy nastane rovnost napětí UB1 = UB2 = UBmin dojde k rychlému překlopení do stabilního stavu 1 Aplikace Tvarování impulzů pro komunikace (obnova impulzů) Různé převodníky (npř. A/D konvertor, f – napětí a jiné fyzikální veličiny).

33. UCC C2 C1 U2 U1 CV1 I1 I2 CV2 T1 T2 B1 B2 IE R2 RE R2 Astabilní multivibrátoryZapojení, funkce Zapojení Oba vazební odpory R1 jsou nahrazeny vazebními kondenzátory CV • Funkce • Oba stavy 1 i 2 jsou nestabilní: • Stav 1 (I1= 0, I2 = IE): • Kondenzátor CV2 se začne nabíjet, přes odpor R2 a potenciál báze T2 bude klesat. Jakmile se vyrovnají předpětí UB1 = UB2, dojde k rychlému překlopení ze stavu 1 do stavu 2. • b) Stav 2 (I2= 0, I1 = IE): • Obdobný průběh. • c) Doba periody Top NR2CV

34. UCC C2 C1 U2 U U1 CV1 Top I1 I2 CV2 UB1 T1 T2 UB2 B1 B2 IE t p R2 RE R2 U1 – U2 RC t Astabilní multivibrátoryPrůběhy, aplikace RC … doba nabíjení kondenzátoru CV p … doba překlopení obvodu • Aplikace • Oscilátory, taktovače (hodiny), • Přesné scilátory s krystalovým filtrem