Основна 1. В Литовски Основи Академска , 2006, ISBN 86...
Transcript of Основна 1. В Литовски Основи Академска , 2006, ISBN 86...
Osnovi elektronikeProf. dr Predrag Petković, red. prof.dr Srđan Đorđević, asistentdr Marko DimitrijevićM.S. Dejan Mirković, asistent
16. oktobar 2014. 1Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Dobrodošli na drugu godinu studijaOsnovi elektronikeLiteratura:Основна литература: 1. В. Литовски, Основи електронике, Академска
мисао, 2006, ISBN: 86-7466-227-72. В. Павловић, et. al., Практикум лабораторијских
вежби из Основа електронике, Електронски факултет Ниш, 2011.
3. Презентација са предавањаhttp://leda.elfak.ni.ac.rs/?page=education/elektronika/elektronika.htm
16. oktobar 2014. 2Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Osnovi elektronikeLiteratura:Додатна литература:
1. A. Sedra, K. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, New York, Oxford 2004, ISBN 0-19-514252-7.
2. T.Schubert, E.Kim, Active Non-Linear Electronics, Wiley, New York, 1996.
16. oktobar 2014. 3Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Osnovi elektronikePredispitne obaveze:Redovno pohađanje nastave (predavanja+vežbe) 10%Odbranjene laboratorijske vežbe 10%Kolokvijum I (prva nedelja decembra) 20%Kolokvijum II (poslednja nastavna nedelja) 20%
16. oktobar 2014. 4Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Ispit:Zadaci 20%Teorija 20%
Bez 20% predispitnih – NE MOŽE DA SE POLOŽI
Osnovi elektronikePredispitne obaveze:Redovno pohađanje nastave (predavanja+vežbe) 10%Odbranjene laboratorijske vežbe 10%Kolokvijum I (prva nedelja decembra) 20%Kolokvijum II (poslednja nastavna nedelja) 20%
16. oktobar 2014. 5Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Ispit:Zadaci 20%Teorija 20%U januarskom roku Kolokvijumi se boduju sa po 50%
Osnovi elektronikePredispitne obaveze:
Redovno pohađanje nastave (predavanja+vežbe) 10%Odbranjene laboratorijske vežbe 10%Kolokvijum I (05.12.2013.) 20%Kolokvijum II (23.01.2014.) 20%
16. oktobar 2014. 6Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Ispit:Zadaci 20%Teorija 20%U januarskom roku Kolokvijumi se boduju sa po 50%
Ukupan skor u januaru može biti 120% PRE ISPITA
Osnovi elektronike
16. oktobar 2014. 7Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Pitanja?
Sadržaj
1. Uvod (Osnovi pojačavačke tehnike)2. Operacioni pojačavači 3. Realni pojačavači 4. Pojačavači sa povratnom spregom5. Oscilatori 6. Pojačavači velikih signala 7. Usmerači i stabilizatori8. Šumovi
16. oktobar 2014. 8Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Sadržaj 1. Uvod
a. Definicija pojačanja b. Osobine pojačavačac. Simbol pojačavačad. Klasifikacija pojačavača prema tipu signalae. Modeli pojačavačaf. Frekvencijske karakteristikeg. Polarizacijah. Prenosna karakteristika
16. oktobar 2014. 9Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
10
Pojačanje signala
Elektronikanastala iz potrebe da se obrađuju električni signali
Tipovi signala (fizički): svetlost, zvuk, pritisak, temperatura,...
Zašto obraditi? videti, čuti, osetiti – bolje/gore; dalje/bliže
Kako?Transformisati različite fizičke signale u one
kojima možemo da upravljamo – električne
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
11
Pojačanje signala
Konvertori u električne signale = transdjuseri (transducers)Npr. zvuk => mikrofon
svetlo => CCD ćelije pritisak => piezo element
Nećemo se baviti time - učićete u kursu o SENZORIMA
Za nas su oni IZVORI SIGNALA
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
12
Pojačanje signalaSvaki lanac za obradu signala počinje izvorom signala
Signal dolazi iz izvora – generatora signala koje tretiramo kaogenerator napona generator struje
Svaki realni generator električnog signala može se predstaviti ekvivalentim
naponskim (Tevenen) ili strujnim (Norton) generatorom.
Realni generator = idealni + unutrašnja otpornost
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
13
Pojačanje signala
Koliki su napon i struja na izlazu generatora sa slikeako su krajevi otvoreni?
)()( tvtv sio =
0)( =tiio
vio(t)=? vio(t)=?
)()( tiRtv ssio ⋅=
0)( =tiio
iio(t)=? iio(t)=?
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
14
Pojačanje signala
Koliki su napon i struja na izlazu generatora sa slikeako su krajevi kratkospojeni?
0)( =tvik
s
sik R
tvti )()( =
iik(t) iik(t)vik(t) vik(t)
0)( =tvik
)()( titi sik =
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
15
Pojačanje signala
Primer 1.1: Merenjem je utvrđeno da je napon praznog hoda generatora vio=10mV i da je struja kratkog spoja iik=10μA .
Odrediti vrednosti parametara modela ekvivalentnogTevenenovog generatora.
0=−− ioioss viRviov
0=ioi
=sv mV10=iov
0=− ios vv
0
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
16
Pojačanje signala
Primer 1.1: Merenjem je utvrđeno da je napon praznog hoda generatora vio=10mV i da je struja kratkog spoja iik=10μA .
Odrediti vrednosti parametara modela ekvivalentnogTevenenovog generatora.
)()(
)()(
titv
titvR
ik
io
ik
ss == Ωk1==
AmVμ10
10
iki
0=ikv0=−− ikikss viRv
0
0=− ikss iRv
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
17
Pojačanje signala
Primer 1.2: Merenjem je utvrđeno da je napon praznog hoda generatora vio=10mV i da je struja kratkog spoja iik=10μA .
Odrediti vrednosti parametara modela ekvivalentnogNortonovog generatora.
)()(
titvR
S
ios = Ωk1==
AmVμ10
10
0=− ioss viRiov
0=ioi
si
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
18
Pojačanje signala
Primer 1.2: Merenjem je utvrđeno da je napon praznog hoda generatora vio=10mV i da je struja kratkog spoja iik=10μA .
Odrediti vrednosti parametara modela ekvivalentnogNortonovog generatora.
=si A10μ=ikisik ii =
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
19
Pojačanje signala
Kako izgleda proizvoljni električni signal?
Promenljiv i nepredvidljiv u vremenu
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
20
Pojačanje signalaTeško je obrađivati
ovakav signal u vremenskom domenu, još teže je projektovati kolo koje će to da radi.
Prelaz iz vremenskog u frekvencijski domen:
Furijeova transformacija
Jean Baptiste Joseph Fourier(1768 –1830)
Pierre-Simon, marquis de Laplace(1749 –1827)
Može li drugačije? Kako?
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
21
Pojačanje signala
Metod: Furijeov red
Svaki periodični vremenski promenljiv signal može se prikazati kao zbir prostoperiodičnih signala različitih amplituda i frekvencija.
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
22
Pojačanje signala
Šta je prostoperiodični signal?
)sin()sin()( tVtVtv aaa ωφω =+=
Amplituda: Va = max. vrednost
Frekvencija: f=1/T (Hz)
Kružna frekvencija ω=2π f (rad/s)
Faza φ=0 (za slučaj sa slike)
Kako bi izgledao za φ=π/2?
Trenutna vrednost; u trenutku t
Efektivna vrednost
Srednja vrednost2/aaeff VV =
0V =A
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
23
Pojačanje signala(Složeno) Periodični signal v(t) - periodično se
ponavlja u vremenu, ima definisanu periodu, a time i frekvenciju:
Amplituda: V
Frekvencija: fo=1/T (Hz)
Kružna frekvencija
ωο=2π f (rad/s)
Faza φ=0
v(t)
t
T
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
24
Pojačanje signala
Metod: Furijeov red
Svaki periodični vremenski promenljiv signal može se prikazati kao zbir prostoperiodičnih signala različitih amplituda i frekvencija.
...)5sin513sin
31(sin4)( +++= tttVtv ooo ωωω
π
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
25
Pojačanje signala(Složeno) Periodični signal
...5sin4513sin4
31sin4)( +++= tVtVtVtv ooo ω
πω
πω
πv(t)
Frekvencijski spektar pravougaonog periodičnog signala
harmonici
Osnovna frekvencija
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
26
Pojačanje signala
Aperiodični signal
Frekvencijski spektar
KONTINUALAN
v(t)
dalje
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
27
Pojačanje signala
Zadaci:
1. Odrediti frekvenciju i kružnu frekvenciju sinusnog signala periode 1ms.
2. Odrediti periode sinusnih signala frekvencija:50Hz, 1MHz, 1GHz.
(f=1kHz, ω=2000π)
(0.02s, 1μs, 1ns)
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
28
Pojačanje signala
Zadatak: Pojačati signal bez izobličenja – isti oblik veća amplituda
vu(t)vi(t)
)()( tvAtv ui ⋅=Pojačanje A = const.
Pojačanje signala – neophodno u svakom sistemu za obradu signala
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
29
Pojačanje signala
Simbol pojačavača
Uzemljenje, masa, referentni čvor
ulaz izlaz
Linearni pojačavač
vu(t)=Vusin(ωt) viz(t)=AVusin(ωt)
ulaz izlaz
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
30
Pojačanje signala
Modeli pojačavača:Tokom kursa razmatraćemo pojačavače
različite složenosti (jednostepeni, višestepeni),sa različitim komponentama (BJT, MOSFET)u različitim režimima rada (mali signali, veliki signali)
Pre toga razmatramoGENERALIZOVANI model na FUNKCIONALNOM nivou
(nivo_ponašanja = bihevioralni - šta rade, a ne kako i na osnovu čega obavljaju funkciju).
Na funkcionalnom nivou klasifikujemo pojačavače prema tipu signala
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
31
Model pojačavača napona
Idealni
Vu
Iu=0
Vi
Ii
Ru
Ri
0RR
i =∞=
= u ; [V/V] uViV
A
Pojačanje signala
AVu
ulaz izlaz
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
32
Model pojačavača naponaPojačanje signala
ulaz izlaz
Zašto je ovo važno?
Vu
Iu
Vi
IiVizRu
Ri
Realni
A0Vu
; [V/V]
; [V/V]
0 ;
0
0
0i =
===
=
>∞<
I
iu
uVizV
AuViV
A
uVizV
A
RR
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
33
Idealni naponski pojačavač opterećen i pobuđen iz realnog izvora
Pojačanje signala
vi vpvuvs
Rs
Rp
vi vpvuvs
Rs
RpA0vu
vpvs Rpvu
Ri
Ru=∞ AovuRs
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
34
Idealni naponski pojačavač opterećen i pobuđen iz realnog izvora
Pojačanje signala
uvAv oiz ⋅=
svvu = oA
uvizv
svpv
A ===Ukupno pojačanje
NE ZAVISI od Rs i Rp !!!
Zašto je ONO važno?
vpvs Rpvu
Ri
RuRs Aovu
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
35
Realni naponski pojačavač opterećen i pobuđen iz realnog izvora
Pojačanje signala
iRpR
pR
uvAv op +⋅⋅=
sRuR
uRsvvu +
⋅=
iRpR
pRA
uvv
A op
+⋅=≡
iRpR
pR
sRuRuR
Asvpv
o +⋅
+⋅=
Ukupno pojačanjeZAVISI od Rs i Rp !!!
Zašto je ONO važno?
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
36
Primer 1.3: Transdjuser koji daje na izlazu napon efektivne vrednosti od 1V i ima izlaznu otpornost od 1MΩ treba priključiti na potrošač od 10Ω. Izračunati naponsko i pojačanje snage kada se priključi:
a) direktnob) preko baferskog pojačavača koji ima
Ao=1, Ru=1MΩ i Riz=10Ω
Pojačanje signala
dalje
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
37
a) direktnoPojačanje signala
vsRs Rp vp
10
μV1011010
5
6
−==
==
≈+
=
svpv
A
V
vsRpR
vpRsR
pRv ssp
W/W10μW1pW10
μW1
pW101010
10
5
1110
2
−
−−
===
=+
⋅=
====
sPpP
A
pRsRsv
svsP
WpR
pvP
p
p
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
38
b) preko baferskog pojačavača (Ao=1, Ru=1MΩ i Riz=10Ω)
Pojačanje signala
dalje
vs
Riz
RuRs Aovu Rpvu vp
( )
[V/V] 52.01V
V25,0
V25,0
===
=⋅+
⋅⋅+
=
=⋅+
=
svpv
A
vuRsR
uRA
pRizRpR
vApRizR
pRv
so
uop
[W/W] 012500,50
25006,50
2,56
,50
mW5,62
2
====
=+
⋅=
==
μWμW
μWmW
sPpP
A
μWpRuR
svsvP
pRpv
P
p
S
p
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
39
Zadatak: Izmereno je da napon na izlazu pojačavača opadne za 20% kada mu se priključi potrošač od 1k. Kolika je izlazna otpornost pojačavača?
Pojačanje signala
(250Ω)
Domaći 1.1
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
40
Pojačanje signala
)()(
tvtvAA
u
iv == Pojačanje napona
)()(
titiA
u
is = Pojačanje struje
)()(
tPtPA
u
ip = Pojačanje snage
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
41
Pojačanje signala
dB
u
i
vvA =
Jedinica mere pojačanja?
u
is i
iA =u
iP P
PA =
V/V, A/A, W/W Iz praktičnih (i istorijskih) razloga koristi se logaritamska skala:
ss
v
Aa
Aa
log20
log20
=
=
log10 PP Aa ⋅= dB16. oktobar 2014. Uvod
http://leda.elfak.ni.ac.rs/42
Pojačanje signala
dB
Pažnja?Često se koristi dB da iskaže vrednost fizičke veličine!Tada dB označava vrednost u odnosu na 1, a dBm u odnosu na 10-3 (napona, struje ili snage).
W1log10
V1
log20
ii
ii
PP
VV
=
=
dBw
dBm
mW1log10
mV1
log20
ii
ii
PP
VV
=
=
dBm
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
43
Pojačanje signalaKoliki se napon očekuje na izlazu pojačava pobuđenog naponom od 0.1mV ako se zna da mu je pojačanje:
60 dB0 dB-20 dB
Koliko je pojačanje u dB kod pojačavača kod koga je pri ulaznom naponu od 1mV izmeren izlazni napon od
1 V100 mV100 μV
(0.1V)
(0.1mV)
(60dB)
(0.01mV)
(40dB)
(-20dB)
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
44
Zadatak: Pojačavač sa pojačanjem Ao=40dB, Ru=10k, Riz=1k, pobuđuje potrošač od Rp =1k.Izračunati ukupno naponsko pojačanje i pojačanje snage iskazano u dB.
Pojačanje signala
(50 V/V; 44dB)
Domaći 1.2
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
45
Zadatak: Izračunati ukupno naponsko i pojačanje snage trostepenog pojačavača sa slike pobuđenog izvorom čija je izlazna otpornost 100k i opterećenog potrošačem od 100Ω.
Pojačanje signala
(743,6 V/V; 57,4 dB; 66,9 108 W/W; 98,3dB)
vu1
10vu1
vu2
100vu2
vu3
1vu3
Domaći 1.3
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
46
Klasifikacija pojačavača prema tipu signalaNaponski: Vu Vi
Idealni
Vu
Iu=0
Vi
Ii
Ru
Ri
0RR
i =∞=
= u ; [V/V] uViV
A
Pojačanje signala
; [V/V]
0 ;
0i =
==
>∞<
Io
iu
uViV
AA
RR
Vu
Iu
Vi
Ii
Ru
Ri
Realni
Zašto je ovo važno?
AVu
AVu
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
47
Klasifikacija pojačavača prema tipu signalaStrujni: Iu Ii
Idealni
Pojačanje signala
; [A/A]
0
0i =
==
∞<>
Vsos
iu
uIiIAA
RRRealni
Vu=0
Iu
Vi
Ii
∞==
=i
u
R0R
; [A/A] uIiIAs
Vu
Iu
Vi
Ii
RiRu
Zašto je ovo važno?
AIu
AIu
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
48
Klasifikacija pojačavača prema tipu signalaTranskonduktansni: Vu Ii (napon u struju)
Idealni
Pojačanje signala
; [A/V]
0
0i =
==
∞<∞<
Vmm
iu
uViIGG
RRRealni
Vu
Iu=0
Vi
Ii
Ri
∞=∞=
=i
uRR
[A/V] uViI
Gm
Vu
Iu
Vi
Ii
Zašto je ovo važno?
GmVuRu
RuGmVu Ri
Dodatak
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
49
Klasifikacija pojačavača prema tipu signalaTransrezistansni: Iu Vi (struja u napon)
Idealni
Pojačanje signala
; [V/A]
0 0
0
0i =
==
>>
I
mm
iu
uIiV
RR
RR
Realni
00
[V/A] ==
=i
uRR
uIiV
RmVu=0
Iu
Vi
Ii
Ru
Ri
u
Iu
Vi
IiRi
RmIu
RmIuRu
Dodatak
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
50
Svi navedeni modeli mogu ravnopravno da se koriste za modelovanje realnog pojačavača!
Primer:
Pojačanje signala
iRRVAiRIAV
u
ususi ⋅⋅=⋅⋅=
u
su
i
RiR
AVVA ⋅==
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
51
Svi navedeni modeli mogu ravnopravno da se koriste za modelovanje realnog pojačavača!
Pojačanje signala
upi
uu
pip
ii
uuuu
uu
pi
pui
IRR
RAVRR
ARVI
IRVRVI
RRR
VAV
⋅+⋅
=⋅+
==
⋅=⇒=
+⋅⋅=
ARRA
RRRA
iRRR
II
iRRR
A
IARR
iRI
i
us
pi
upi
u
ipis
uspi
i
⋅=
+⋅+
=+
=
⋅+
=
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
52
Najčešće ćemo u okviru ovog kursa govoriti o
Pojačavačima napona:
Pojačanje signala
u
io V
VA =
Idealni
Vu
Iu
Vi
Ii
Ru
Ri
Vu
Iu
Vi
Ii
Ru
Ri
Realni
Zašto je ovo važno?
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
53
Pojačanje signala
Da pojača ulazni signal BEZ IZOBLIČENJA isti oblik veća amplituda
vu(t)vi(t)
)()( tvAtv ui ⋅=
Pojačanje A = const.
Uloga pojačavača:
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
54
Šta smo naučili?
• Koja je uloga pojačavača?
• Definicija pojačanja: napona, struje i snage –jedinice
• Razlika između idealnih i realnih pojačavača – sa stanovišta ulazne i izlazne impedanse
Na web adresi http://leda.elfak .ni.ac.rs
> EDUCATION > OSNOVI ELEKTRONIKE
slajdovi u pdf formatu
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
55
Ispitna pitanja1. Karakteristike prostoperiodičnog i složenoperiodičnog
signala?2. Klasifikacija pojačavača prema tipu signala koji pojačavaju.3. Model idealnog pojačavača napona.4. Model realnog pojačavača napona.5. Ukupno pojačanje napona idealnog opterećenog pojačavača
napona pobuđenog iz realnog izvora6. Ukupno pojačanje napona realnog opterećenog pojačavača
napona pobuđenog iz realnog izvora
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
56
Sledeće nedelje:
Osnovi pojačavačke tehnike (nastavak)
• Uzroci izobličenja signala
• Frekvencijske karakteristike pojačavača
• Jednosmerno napajanje i prenosna karakteristika pojačavača
• Klasifikscija pojačavača
Na web adresi http://leda.elfak .ni.ac.rs
> EDUCATION > OSNOVI ELEKTRONIKE
slajdovi u pdf formatu
16. oktobar 2014. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
57
Sledeće nedelje:
Osnovi pojačavačke tehnike (nastavak)
• Tipovi i uzroci izobličenja
• Frekvencijske karakteristike pojačavača
• Jednosmerno napajanje i prenosna karakteristika pojačavača
• Klasifikscija pojačavača
Na web adresi http://leda.elfak .ni.ac.rs
> EDUCATION > OSNOVI ELEKTRONIKE
slajdovi u pdf formatu