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. „…digitální zvuk“

3. 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)

4. 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)

5. 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

6. 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

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

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

9. 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

10. 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

11. Voltampérové charakteristiky diod

12. 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

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

14. Filtry

15. 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

17. 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

18. Pracovní oblast tranzistoru

19. 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.

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

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

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

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

24. 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

25. Zesilovače-zpětná vazba,stabilita • Pojem zpětné vazby • Kladná a záporná • Vliv vazby na zesílení,kmitočtovou charakteristiku a stabilitu • Nyquistovo kriterium stability • Zpětná vazba jednoznačně definuje zesílení • Možnost změny zpětné vazby

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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)

30. 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.

31. Základní funkční schéma

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

33. 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

34. Ideální operační zesilovač

35. podle použití standardní (..741) levné precizní (OP177) trimované laserem přístrojové (AD624) pevné/nastavitelné zesílení výkonové, vysokonapěťové AD815 - 1A vysokofrekvenční (video...) AD8130 - 250MHz 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

36. 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

37. Rozdílový zesilovač Často využíván k zesilování napětí na můstku

38. 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

39. 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

40. Můstek s OZ

41. Sčítací zesilovač

42. Aplikační spektrum Voltmetr s neinvertujícím zapojením OZ

43. D/A převodník se sčítacím zesilovačem U digitálně-analogového převodníku využíváme vlastnosti operačního zesilovače, u kterého je zesílení určeno zpětnou vazbou 2 základní obvodové prvky : sčítací zesilovač a spínače

44. Sledovač Používá se jako měnič impedance : Velmi vysoký vstupní odpor mění na velmi Malý výstupní odpor Kde Ao je zesílení bez Zpětné vazby

45. Zdroj referenčního napětí s velmi nízkým výstupním odporem

46. diodový usměrňovač s OZ výhodný k usměrnění malých napětí (prahové napětí diody se v tomto zapojení zmenší v poměru A zisku OZ) nevýhoda-omezený kmitočtový rozsah využití v přístrojové technice (multimetry) a při zpracování signálů Usměrňovače a detektory

47. Logaritmické zesilovače

48. Převodníky U/I a I/U • Detekce světelného záření • Fotodioda v zapojení převodník I/U

49. Derivační obvod

50. elektronická derivace potlačení šumu “1/f” (filtr „hornopropust“) elektronická integrace potlačení šumu v horní kmitočtové části (filtr „dolnopropust“) kombinací integračního a derivačního obvodu (filtr pásmová propust) dosáhneme zúžení pásma filtrace signálů Základem aktivních filtrů