Analogová a číslicová technika

1. Průběh přírodních dějů (teplota,světlo,zvuk,…) je spojitý-analogový proces-snaha o jeho zachycení,zpracování a uložení Analogová a číslicová technika Příklad – zvuk : mikrofon-zesilovač-záznam-zesilovač-reproduktor Fyzikální experiment zahrnuje mnoho proměnných analogových signálů,jež je nutno zpracovat.Optimální je využít výhod číslicové techniky v určité fázi procesu. Číslicový signál-nespojitý jev,popsaný dvěma stavy ( 0 a 1 – impuls ) výhodné pro další zpracování,záznam,uložení a zpracování dat (nejprve je ovšem nutné analogový signál převést na digitální)

2. Analogové zpracování signálu Analogový signál upravujeme přímo analogovými elektronickými obvody • Očekávané změny amplitudy a fáze zpravidla závisejí na frekvenci, kmitočtové charakteristiky nastaveny hodnotami pasivních součástek – málo flexibilní

3. Číslicově-analogový převodník (DAC) Vzorkování (S/H) a analogově-číslicový převodník (ADC) Digitální zpracování (DSP) Rekonstrukční filter Anti-aliasing filter Finite Impulse Response Filter ANALOG IN ANALOG OUT Číslicové zpracování signálu Výhody číslicového zpracování • Méně komponent, deterministické stabilní chování, širší uplatnění • Větší šumová odolnost, menší závislost na napájení, teplotě atd. • Jednoduché přeladění filtrů, filtry s menšími tolerancemi, možnost self-testu • Možnost implementace adaptivních filtrů

4. Analogové elektronické obvody • analogové < > číslicové obvody • spojité a nespojité signály • lineární a nelineární • (popsané lineárními a nelineárními diferenciálními rovnicemi) • podle použitých prvků – lineární např. R, L, C … • nelineární např. transistory,diody • pasivní a aktivní prvky • spojování a řazení prvků v elektronických obvodech • paralelní a sériové spojování • hlediska navazování v obvodech (druhy vazeb,oddělení,výkonové přizpůsobení)

5. Názvosloví,veličiny • normy • schematické značky • jednotky • symboly el.veličin • U,I,P,R,G,L,C,…… • u,i,p,z,y,…… • předpony • logaritmické vyjádření • dBU =(20logU1/U2) • dBP =(10log P1/P2) Návrhové CAD programy (PADS,Eagle)

6. Základní zákony • Ohmův zákon U=RI • (obecněplatný pro impedance) • 1.Kirchhoffův • uzlové proudy • 2.Kirchhoffův • smyčková napětí • ostatní – princip superpozice, (odezva lineárního obvoduna několik vstupních signálů je dán součtem jednotlivých odezv) • Theveninův a Nortonův teorém

7. Dvojpóly (jednobrany) • 1-brany a 2-brany • aktivní > < pasivní • aktivní • ideální zdroj napětí a) • “ proudu b) • některé diody • pasivní • odpor • definice R=U/I • prvek rezistor • náhradní obvod (zapojení) • vliv vývodů a pouzder • teplotní závislost

8. Dvojpóly (jednobrany) • kapacita • definice • prvek kondensátor • náboj Q • energie • impedance Z (admitance Y) • (zobecněný Ohmův zák.) • náhradní obvod (zapojení) • vektorový diagram

9. Dvojpóly (jednobrany) • indukčnost • definice • prvek cívka • energie • impedance Z • (zobecněný Ohmův zák.) • náhradní obvod (zapojení) • vektorový diagram

10. Dvojpóly (jednobrany) • odpory řízené neelektrickou veličinou • termistor (záporný teplotní koeficient) – použití pro snímání teploty,teplotní stabilizaci v obvodech • posistor (kladný teplotní koeficient) – ochrana prvků před nadměrnými proudy,termostaty k udržování konstantní teploty • fotoodpor – velikost ohmického odporu závisí na světle

11. Obvody s diskrétními polovodičovými součástkami • Diody • pn přechod,VA charakteristika v prvním kvadrantu,souvislost prahového napětí Ud se šířkou zakázaného pásu • Ge,Si,Schottky,GaAsP,SiC • diferenciální odpor • grafická konstrukce detekce rf napětí na diodě • rekombinace nosičů náboje omezuje rychlost usměrnění či sepnutí přechodu • nelineární prvek

12. Voltampérové charakteristiky diod

13. Další typy diod • Zenerova dioda –použití ve stabilisačních obvodech,zdrojích napětí,omezovače atd • Zenerův a lavinový jev • > teplotní koeficient,šum • dynamický odpor • LED a foto diody – přeměna elektrického proudu na světlo a opačně (indikace,displeje,použití v optočlenech,světelné závory, zabezpečovací technika aj.) • Detekční diody

14. Čtyřpóly (dvojbrany) • aktivní • transistory bipolární a unipolární • pasivní • transformátory,kmitočtové filtry

15. Filtry

16. Transistory bipolární • Základní aktivní prvek analogové i číslicové techniky • V analogových obvodech použití pro zesilování signálů,spínání • Fyzikální model-struktury NPN,PNP-dvě vodivostní struktury • 2 druhy nosičů náboje-majoritní a minoritní • Elektrické parametry stejnosměrné a střídavé • Nelineární prvek - výhodné graficko-matematické řešení • Střídavé parametry – nejčastěji používané „h-parametry“ slouží pro návrh obvodů pomocí maticového počtu • Stejnosměrné parametry – smysl a význam nejlépe patrné z obrázku tzv. voltampérových charakteristik

18. Bipolární transistor-VA charakter. Stejnosměrné VA charakteristiky bipolárního transistoru > par.UC IC / IB > > par. IB IC / UC > par.UC IB / UB > > par.I B UC /UB

19. Pracovní oblast tranzistoru

20. Bipolární versus CMOS technologie Unipolární tranzistory mají velký vstupní odpor, řádu 1014 Ohmu, tudíž pro jejich řízení nepotřebujeme výkon. Tento aspekt se příznivě odrazí zejména v konstrukci logických obvodů, kde s velkou hustotou integrace u bipolárních technologií strmě narůstá příkon (a tím teplo) obvodu.

21. Pracovní bod • Soubor stejnosměrných parametrů,udávající jednoznačně polohu ve VA charakteristikách (obvodu) • Může být ovlivněn neelektrickými parametry • Nastavení a stabilizace • Pracovní bod diody

22. Pracovní bod transistoru • Základní zapojení transistoru v obvodu s rezistory určujícími polohu pracovního bodu • Metody řešení vícesmyčkových obvodů-aplikace Ohmova a Kirchhoffových zákonů

23. Pracovní bod transistoru • Teplotní závislost pracovního bodu • Metody stabilizace-použití teplotně závislých prvků , nebo volba obvodových prvků v zapojení

24. Zesilovače Stejnosměrné zesilovače Přenos ss signálů-možnost ovlivnění posunem ss pracovního bodu Symetrické zapojení pro kompenzaci – tzv. diferenciální stupeň Základní zapojení pro tzv. operační zesilovače Hlavní parametry drift,ofset U vícestupňových zesilovačů stabilita

25. Zesilovače Příklad vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni,velmi vhodnou pro možnost integrace (OZ) Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů Základní parametryzesilovačů-zesílení,vstupní a výstupní odpor, kmitočtová a fázová charakteristika,drift,výkon

26. Zesilovače - přenos • Očekáváme: • věrnost přenosu (výstupní signál má stejný tvar jako vstupní) – poměr harmonických složek signálu by se měl zachovávat, neměl by se měnit jejich fázový posuv => modulová a fázová frekvenční charakteristika konstantní • běžné střídavé zesilovače • vysoké frekvence - zesílení klesá s rostoucí frekvencí díky vnitřním paralelním kapacitám (např. Millerova kapacita bip. tranzistoru) • Nízké frekvence – zesílení klesá s poklesem frekvence díky použití sériových kapacit ve vazbách • přenosové pásmo FBW = FHI – FLO (body s poklesem zesílení o -3dB, tj. 1/√ 2)

27. 0dB -3dB +45° -45° Bodeho diagram Bodeho diagram Modulová a fázová frekvenční charakteristika jednostupňového střídavého zesilovače

28. Bodeho diagram Vícestupňové zesilovače Logaritmické modulové (dB) a fázové charakteristiky jednotlivých stupňů se sčítají • 1 stupeň – 20dB/dek, posuv +/- 90deg • 2 stupně – 40dB/dek, posuv +/- 180deg • 3 stupně – 60dB/dek, posuv +/- 270deg Kritické pro možnost oscilací S počtem stupňů se zužuje přenosové pásmo

29. Stabilita zesilovače

30. Rozdělení vazeb dle zapojeník výstupu Napěťová vazba Proudová vazba výstupní odpor klesá roste

31. Rozdělení vazeb dle připojeníke vstupu Seriová vazba Paralelní vazba vstupní odpor roste klesá

32. Záporná zpětná vazba • Záporná ZV • rozšiřuje přenosové pásmo, snižuje zkreslení • zlepšuje stabilitu zesílení (  vs. A0) • modifikuje vst./výst. impedanci

33. Kladná zpětná vazba-oscilátory Oscilátor s T – článkem (harmonický sinusový průběh) Stupeň vazby se řídí potenciometrem Oscilátor s trafo-vazbou (neharmonický obdélníkový průběh) Oscilátor-multivibrátor využívající nabíjení-vybíjení RC členů

35. Operačnízesilovače • Proč operační zesilovač ? • Základní vlastnosti OZ • Ideální a reálný operační zesilovač • Základní funkční zapojení operačních zesilovačů • Typy operačních zesilovačů podle způsobu použití • Spektrum aplikací operačních zesilovačů • Digitální potenciometry a programovatelné zesilovače

36. Proč operační zesilovač ? • Nejčastěji používaný elektronický prvek, historicky první byl realizován s elektronkami v roce 1938 • Zpravidla se označením myslí rozdílový (diferenční) operační zesilovač (dále OZ) • Byl nejprve určen k analogové realizaci matematických operací • Základní obvodový prvek pro zpracování analogových signálů (součet,rozdíl,negace, integrace,derivace,generace různých časových průběhů) • V analogových systémech je ekvivalentem mikroprocesoru u systémů digitálních

37. Aplikace - analogové počítače • Název odvozený od elektronických obvodových bloků provádějících určité operace (sčítání,násobení,integraci,derivaci atd) se ss signály • Analogové počítače mx" + bx' + kx = F(t)

38. Operační zesilovač • Operační zesilovač je širokopásmový diferenciální zesilovač se stejnosměrným vstupem, s velkým vstupním odporem Ri řádu stovky kΩ až několika MΩ, s malým výstupním odporem řádu 100 Ω a velkým zesílením větším než 104. • Operační zesilovač byl původně používán jako základní jednotka analogových počítačů, diferenciálních analyzátorů sestavená z diskrétních prvků (tranzistory, odpory atd.). S rozvojem hybridních a později monolitických integrovaných obvodů se stal operační zesilovač samostatnou jednotkou, elektronickým prvkem. • Původně používán v analogových počítačích, pro základní aritmetické operace sečítání, odečítání, dělení a násobení a rovněž pro integraci analogových signálů. • Dnes uplatnění v řadě dalších elektronických obvodů jako stejnosměrné i střídavé zesilovače, komparátory, elektronický vzorkovací obvod (analogová paměť), klopné obvody a generátory signálů, aktivní filtry, převodníky z analogového signálu na číselnou hodnotu a naopak.

39. Ideální operační zesilovač – definice • Zesílení ideálního operačního zesilovače v otevřené smyčce A a vstupní odpor Ri jsou nekonečně velké. Výstupní odpor Ro je nulový. I+ = I- = 0 • Nemá ofset ani drift. • Ofset = nenulový výstupní signál při zkratovaných a uzemněných vstupních svorkách • Drift = změna ofsetu s časem a teplotou. • Vliv součtového signálu je nulový, tj. činitel potlačení součtového signálu KCMR→ ∞. • Zesiluje rovnoměrně signály všech frekvencí včetně nulové; je to tedy stejnosměrně vázaný zesilovač. • Výstupní úroveň nezávisí na napájení, rozkmit Eo není omezen. • Jako zesilovač s velkým zesílením není operační zesilovač prakticky použitelný bez záporné zpětné vazby. Teorie ideálního operačního zesilovače je tak v podstatě teorií jeho zpětné vazby. Eo = A(E+ - E-) + A/KCMR (E+ + E-)/2

40. Základní funkční schéma

41. Ideální převodní charakteristika rozdílového zesilovače +UB Uvýst Uofs Uvst Uofs Uofs – vstupní ofsetové napětí A –zesílení - udává směrnice přímky -UB saturační napětí

42. Ideální operační zesilovač

43. Reálný operační zesilovač • Skutečné (reálné) OZ se liší od ideálních • Početní chyby – konečné hodnoty A, Ri, Ro • Statické chyby • Ofset, drift, vstupní proudy a jejich nesymetrie, teplotní závislost • Závislost výstupu na součtovém vstupním signálu • Závislost výstupu na napájení • Omezení rozkmitu výstupu, saturační napětí • Dynamické chyby • Závislost A na kmitočtu, změna fáze výstupního signálu s kmitočtem • Konečná rychlost přeběhu • Šumová složka ve výstupu (vnitřní zdroje i zesílení šumu na vstupu)

44. Operační zesilovače Mají vysoké požadavky na vlastnosti stejnosměrných obvodových bloků. Pokročilá polovodičová technologie vedla k integraci prvku, umožnila např. teplotní stabilizaci čipu,kombinací bipolárních a unipolárních prvků (BIFET technologie) a dosažení optimálních parametrů. OZ se blíží svými vlastnostmi ideálním zesilovačům Univerzální využití v analogové elektronice s použitím vnější sítě obvodových prvků a zpětných vazeb.

45. Integrované operační zesilovače Příklad základního zapojení bipolárního vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni,velmi vhodnou pro možnost integrace Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů

46. podle použití standardní (..741) levné precizní (OP177) trimované laserem přístrojové (AD624) pevné/nastavitelné zesílení výkonové, vysokonapěťové AD815 - 1A vysokofrekvenční (video...) AD8130 - 250MHz podle napájení standardní sail-to-rail (pro malá napájecí napětí jedné polarity) podle technologie bipolární unipolární kombinované např.BIFET velký počet typů podle požadovaných vlastností výhodná provedení 1,2,4 OZ v jednom pouzdře Rozdělení operačních zesilovačů

47. Základní zapojení operačního zesilovače (bez vnější sítě obvodových prvků) Rozhraní mezi analogovými a digitálními obvody Obvod,který zajišťuje „rozhodnutí“, které ze 2 analogových vstupních napětí je větší. Výstupem je logická hodnota reflektující relativní hodnoty na vstupu. Komparátor Ideální převodní charakteristika

48. Rozdílový zesilovač Často využíván k zesilování napětí na můstku

49. Zapojení neinvertujícího zesilovače Zesílení : Charakteristické vlastnosti : • nemění polaritu • velký vstupní odpor – v případě použití FET transistorů na vstupu je řádu 1015 Ohmů elektrometrický zesilovač • Záporná zpětná vazba – zesílení určuje opět pouze poměr resistorů R0 a R1 • zvláštní případy: • diferenciální zesilovač • sledovač

50. Zapojení invertujícího zesilovače Zesílení : Charakteristické vlastnosti : • Princip virtuální nuly • - sčítací bod, virtuální 0 (napětí Ei> 0,Rvst se blíží nekonečnu) • záporná zpětná vazba • zesílení je jednoznačně určeno poměrem rezistorů R0 ku R1,mění polaritu,vstupní odpor je dán R1 • Sčítání vstupních napětí