Sammanfattning av kursen ETIA01 ”Elektronik för D” · 2012-05-15 · Spole (Induktans) En...
Transcript of Sammanfattning av kursen ETIA01 ”Elektronik för D” · 2012-05-15 · Spole (Induktans) En...
Sammanfattning av kursen ETIA01 – ”Elektronik för D”, Del 2 (VT2)
Kapitel 3: sid 114 – 140
Kapacitans En kondensator är en komponent som består av två elektrskt ledande ytor som är isolerade från
varandra. På en sida av kondensatorn lagras negativ elektrisk laddning och på den andra sidan lagras
positiv elektrisk laddning. Mellan negativa och positiva laddningar bildas alltid ett elektriskt fält.
Styrkan på det elektriska fältet beror på hur mycket laddning som finns i kondensatorn och är
därmed också ett mått på hur mycket energi som finns lagrad i kondensatorn.
För att få ett mått på hur bra en kondensator är på att lagra laddning så dividerar vi mängden
laddning q med spänningen över kondensatorn uc.
C kallas för kapacitans och är ett mått på lagringskapaciteten. Kapacitans har enheten Farad [F].
Ström är lika med laddningsflöde per sekund, och beräknas som tidsderivatan av mängden laddning.
Förhållandet mellan strömmmen genom kondensatorn och spänningen över den kan då skrivas som
Eftersom derivatan av en konstant är lika med noll, så betyder det att det flyter ingen ström genom
kondensatorn om spänningen är konstant. Detta betyder också att kondensatorn spärrar likström
medan den låter växelström passera.
Till höger visas symbolerna för några olika varianter av
kondensatorer. Kondensatorer kan vara polariserade med en pluspol
och en minuspol. Pluspolen ska då vara ansluten till den nod som
har den högsta potentialen annars fördärvas kondensatorn.
Vid seriekoppling så är den ekvivalenta kapacitansen lika med inversen av de inverterade
seriekopplade kapacitanserna
C = quc
i (t) =dq(t )
dt
i (t) = Cduc ( t )
dt
+ +
Ceq = 11
C 1+ 1
C 2+ 1
C 3
och vid parallellkoppling av kapacitanser så är den ekvivalenta kapacitansen lika med summan av de
parallellkopplade kapacitanserna
observera att detta är motsatt metod mot den som används vid beräkning av seriekopplade och
parallellkopplade resistanser.
Spole (Induktans) En elektrisk ledare som genomflyts av en ström av laddningar, genererar alltid ett magnetfält som
cirkulerar runt den elektriska ledaren. Magnetfältets styrka beror på strömstyrkan genom ledaren.
Genom att linda den elektriska ledaren runt i slingor så kan man öka energitätheten av magnetfältet
inom en viss area. För att få ett mått på energitätheten hos magnetfältet så mäter vi hur mycket
energi per laddning som vi har i spolen, och energi per laddning är detsamma som spänning.
L kallas för spolens induktans och är ett mått på spolens förmåga att inducera ett magnetfält i spolen.
Induktans mäts i enheten Henry [H].
Eftersom derivatan av en konstant är lika med noll, så betyder det att om strömmen är konstant så
är spänningen över spolen lika med noll. Detta betyder då att för likström så är spolen en
kortslutning.
Vid serie och parallellkoppling av induktanser så gäller samma regler som för resistanser. Den
ekvivalenta induktansen är lika med summan av de seriekopplade induktanserna
och vid parallellkoppling så är den ekvivalenta induktansen lika med inversen av de inverterade
parallellkopplade induktanserna
Kapitel 4: sid 148 – 166
Första ordningens RC-kretsar
Urladdning av kondensator genom en resistans
u(t) = Ldi ( t )
dt
Leq = L1 + L2 + L3
Leq = 11
L 1+ 1
L 2+ 1
L 3
Ceq = C1 + C2 + C3
t = 0
RCuc
När strömbrytaren sluts så börjar kondensatorn att laddas ur genom motståndet. Strömmen som
flyter ut ifrån kondensatorn är lika stor som strömmen som flyter in i motståndet, så vi kan sätta upp
Kirchoff’s strömlag:
Lösningen till den här differentialekvationen är, om begynnelsevillkoret säger att kondensatorn är
uppladdad med spänningen U vid tiden t=0, lika med
Produkten av resistansen och kapacitansen kallas för kretsens tidskonstant , ¿ = RC.
Tidskonstanten är en egenskap hos nätet. Den beror endast på produkten av R och C. T.ex. är ¿ den
tid som det tar för spänningen att, vid urladdning genom R, sjunka till 37% av U.
I denna exempelfunktion så är RC=1 och U=1 Volt.
Uppladdning av kondensator genom en resistans
C duc
dt+ uc
R= 0
U
RC = 1
C
R
t = 0
U uc
Vi använder Kirchhoff’s strömlag igen. När strömbrytaren sluts, så är det samma ström som flyter ut
från spänningskällan och som flyter in i motståndet och kondensatorn. Så, vi kan då ställa upp
ekvationen:
Om begynnelsevillkoret vid tiden t=0 är att spänningen över kondensatorn är noll volt, så får vi
lösningen till differentialekvationen:
Vid uppladdning så ger tidskonstanten ¿ hur lång tid det tar för spänningen att stiga till 63% av U.
Om vi väljer U = 1 volt och RC = 1 så får vi följande funktionskurva:
När man ansluter en signal till ett nät uppstår en ändring av spänningar och strömma i nätet. De kan
delas upp i den Transienta (”Transient” på engelska) delen av signalen och en där spänningen är
oberoende av påslagsförloppet (dvs. efter lång tid) som då kallas för den Stationära (”Steady State”
på engelska) delen av signalen. Alltid när spänningar eller strömmar ändrar sig i en krets, så får man
ett transient tillstånd i kretsen som varar under en viss tid för att sedan stabilisera sig i det stationära
tillståndet.
Första ordningens RL-kretsar Man kan göra en liknande analys, för RL-kretsar, som vi har använt för RC-kretsar men här använder
vi istället Kirchhoff’s spänningslag:
U
R
L
t = 0
Med Kirchoff’s spänningslag så kan vi skriva spänningarna i kretsen som:
Löser vi den här differentialekvationen så får vi,
Detta ger då en tidskonstant för RL-kretsar som blir:
Om och tidskonstanten så får vi följande funktionskurva för strömmen i spolen.
Om vi nu har ovan beskrivna krets, som har nått sitt stationära tillstånd med strömmen lika med 1
Ampere. Vad händer då om vi kopplar bort spänningskällan? Begynnelsevillkoret vid tiden t=0 är då 1
Ampere.
Skriver vi Kirchoff’s spänningslag efter tiden t = 0, så får vi differentialekvationen,
Innan tiden t = 0 så flyter strömmen medurs genom motståndet och spolen. Efter tiden t = 0, så
kommer strömmen att fortsätta flyta i medurs riktning eftersom induktansen inte kan ändra
strömmen snabbt. Det vill säga att spolen fortsätter att mata ut energi, i form av ström, som har
lagrats i magnetfältet. Denna ström kommer då att ge en spänning över motståndet R, vilket betyder
att den energi som fanns lagrad i spolens magnetfält kommer att omvandlas till värme i motståndet.
Så, energin i spolen minskar och då minskar också strömstyrkan. Så vi antar då en ström,
L di L
dt+ RiL = U
UR
= 1ALR
= 1
R
L
t = 0
U
L di L
dt+ RiL = 0
Sätter vi in denna antagna ström i differentialekvationen så får vi,
Detta ger då tidskonstanten:
Vid tiden t = 0 så är strömmen
Så lösningen till differentialekvationen blir:
Spänningen över spolen är
om vi antar att spännings-källan är på 1 volt.
iL (0) = K e0 = UR
) K = UR
Andra ordningens kretsar
Om man har både spolar och kondensatorer i en krets, så får man vad som kallas för en andra
ordningens krets. För de fall förlusterna i resistorer är små blir det s.k. ringningar dvs oscillationer
innan slutvärdet uppnås.
Om man jämför differentialekvationen för ett andra ordningens ser man att den beskriver ett
svängande system, se figur
Från figurerna ser man att man får mer och mer självsvängning på spänningen när värdet på
dämpningskonstanten blir mindre och mindre.
Kapitel 5:
Sinusformade strömmar och spänningar Sinussignal
En sinussignal är en ström eller spänning som varierar periodiskt i förhållande till tiden enligt en
matematisk sinus eller cosinus funktion. Om en signal är periodisk, så betyder det att den upprepar
sig efter en viss periodtid.
Det maximala toppvärdet av spänningen eller strömmen, A, kallas för signalens amplitud.
Periodtiden T är den tid det tar innan signalen upprepar sig. Signalens frekvens f är hur många
gånger som signalen upprepar sig under 1 sekund. Det betyder att frekvensen är lika med inversen av
periodtiden. Om vi har en referenssignal (den gröna streckade sinussignalen i figuren), så kallas
avståndet mellan vår röda heldragna sinussignal och referenssignalen för fasförskjutning Eftersom
sinusvågor är relaterade till cirklar så mäts ofta fasförskjutningen som ett vinkelavstånd, så att en
periodtid motsvarar 360 grader (eller 2¼ radianer). Det betyder också att frekvensen för signalen ofta
mäts som en vinkelfrekvens ! vilket är 2¼ gånger signalens frekvens f.
Så, matematiskt uttrycker man sinussignalen som
RMS-värde:
Om man har en periodisk spänning u(t) med periodtiden T över ett motstånd R, så blir den
momentana överförda effekten, enligt ohm’s lag, lika med
Den energi som levereras till motståndet under en period är lika med
∫
Så, medeleffekten som levereras till motståndet över en periodtid kan då skrivas som
∫
; √
∫
Då vi har roten ur medelvärdet av kvadraten (”root mean square” på engelska), så kallar man detta
för spänningens rms-värde. Har man växelspänningens rms-värde, så kan man beräkna den
överförda medeleffekten över en period.
Urms för sinus- och cosinussignaler är
√ . Om man har någon annan typ av periodisk signal (till
exempel fyrkantvåg) så får man ett annat värde.
Alla spännings eller strömmätande instrument, mäter alltid i rms-värde. Så, vägguttagets spänning
på 230 Volt är ett rms-värde och har då ett toppvärde på 325 Volt.
Fasvektor (”Phasor”): En cosinussignal kan skrivas som real-delen av en komplex exponentialsignal:
Om vi nu antar att signalens frekvens inte ändrar sig under analysen, så kommer den andra termen i
produkten att vara konstant. Så vi kan då förenkla uttrycket till
p(t) =u2 ( t )
R
( ) ( ) ( )
Det vill säga att vi beskriver sinussignalen som en komplex spänning, Vkomplex, med amplitud A och en
fasvinkel Med den här förenklingen så är det underförstått att vi endast analyserar signalen vid
frekvensen !. En storhet som endast innehåller ett tal som beskriver storleken av någonting kallas
för en skalär. En storhet som innehåller ett tal och en vinkel kallas för en vektor. Så, beskrivningen av
sinussignalen ovan är alltså en vektor och kallas för signalens Fasvektor (”Phasor” på engelska).
j!-metoden Detta betyder att när vi använder fasvektorer för att beskriva signalen så blir en derivata detsamma
som att man multiplicerar med j!. Skriver vi om den här ekvationen till
Eftersom spänning dividerat med ström är lika med motstånd, så kallas det här för spolens
växelströmsmotstånd eller spolens reaktans XL. Värdet på reaktansen är beroende på vilken frekvens
som man gör analysen på, vilket är den stora skillnaden mot en vanlig resistans som har samma
värde på alla frekvenser. Dessutom så är resistansen en skalär, och reaktansen är en komplex vektor.
Så, reaktans har både ett värde och en fasvinkel för en viss frekvens.
Om vi gör exakt samma antagande för en kondensator så får vi
Även det här fasvektor-uttrycket kan skrivas om som ett växelströmsmotstånd
Så det finns två typer av växelströmsmotstånd, dels induktiv reaktans som man får från spolar, och
dels kapacitiv reaktans som man får från kondensatorer. Summerar man ihop resistans och reaktans,
så får man ett komplext växelströmsmotstånd som kallas impedans, Z = R + j XL.
Poängen med omvandling av induktans och kapacitans till växelströmsmotstånd är att det nu är
enkelt att använda de analysmetoder som vi har använt tidigare för enbart resistanser.
Kapitel 6: sid 254-284
Frekvensanalys och Bode-diagram Alla signaler, oavsett hur de ser ut, kan skrivas som summan av ett antal sinussignaler med olika
amplitud, frekvens och fas.
I den här figuren visas hur man skapar en fyrkantvåg genom att summera ihop sinusvågor. I den
vänstra figuren kan man se att det börjar likna en fyrkantvåg. Den här fyrkantvågen har då skapats
genom att summera fem sinusvågor med de frekvenser och amplituder som visas i figuren till höger.
Skriver vi detta matematiskt, så får vi
Man kan se ett visst mönster i förhållandet mellan sinusvågorna, en sinusvåg med amplituden A och
frekvensen ! adderas till en sinus med amplituden A/3 och frekvensen 3! och så vidare. Frekvensen
ökar lika mycket som amplituden minskar.
Om man fortsätter enligt samma mönster och summerar ihop 100 sinusvågor, så får man följande
resulterande signal
Nu ser man tydligt att man har fått en fyrkantvåg genom att summera ihop 100 sinusvågor enligt
formeln ovan. Denna matematiska additions-serie kallas för signalens Fourier-serie.
Figuren till vänster kallas för signalens beskrivning i tidsdomänen eftersom signalen visas i
förhållande till tiden på x-axeln. Figuren till höger är då signalens beskrivning i frekvensdomänen
eftersom signalen visas i förhållande till frekvensen på x-axeln.
För att få fram hur en signal, vilken som helst, ser ut i frekvensdomänen så använder man Fourier-
transformen. Denna transform omvandlar en signal i tidsdomänen till samma signal i
frekvensdomänen.
Filter En krets som dämpar vissa frekvenser mycket och andra frekvenser lite kallas för ett filter. Ett filter är
en krets med två portar. En in-port där man matar in en signal och en ut-port som skickar ut en
signal. För att beskriva vad som händer med en signal i ett filter så beräknar man förhållandet mellan
utsignalens fasvektor och insignalens fasvektor för alla frekvenser,
H(f) kallas då för filtrets överföringsfunktion (”Transfer-function” på engelska) och är då en
beskrivning av vad som händer med signalens amplitud och fas vid olika frekvenser.
Första ordningens filter:
Lågpassfilter:
Ett filter som består av en första ordningens krets (d.v.s., en RC- eller RL-krets) kallas för ett första
ordningens filter.
Om vi omvandlar inspänningen till fasvektor och omvandlar kondensatorn till en kapacitiv reaktans
så kan vi använda vanlig spänningsdelning för att beräkna utspänningens fasvektor,
H (f ) =U u t ( f )
U i n ( f )
Överföringsfunktionen för RC-kretsen ovan, blir då:
Om man definierar
som en frekvens och sätter in den i uttrycket för överförings-
funktionen, så får man en överföringsfunktion för kretsen i förhållande till frekvensen,
Vi kan nu göra diagram över den här funktionen i förhållande till frekvensen på signalen. Eftersom
H(f) är en komplex funktion så kommer vi att behöva rita två funktioner, en för amplituden, |H(f)|,
och en för fasen, arg(H(f)).
Eftersom det kan vara väldigt stora skillnader i amplitud mellan dämpade och odämpade frekvenser
så ’plottar man alltid amplituden i decibel-skala. Decibel [dB] är en enhet som mäter förhållandet
mellan två storheter, till exempel förhållandet mellan utspänning och inspänning i en krets. Så,
överföringsfunktioners amplitud anges vanligast i decibel,
| |
Man multiplicerar logaritmen med 20 om det är spänningar, och med 10 om det är effekter som man
omvandlar till decibel.
Om vi nu ’plottar’ amplitud funktionen i decibel och fas funktionen i grader, med en logaritmisk skala
på x-axeln enligt ovanstående diagram, så kallas detta för ett Bode-diagram. Ett Bode-diagram visar
alltså överföringsfunktionen för en krets. Från diagrammet så kan vi se att frekvenserna som är lägre
än fb passerar genom kretsen utan någon större förändring i amplitud, så den här kretsen kallas då
för ett Lågpass-filter . Eftersom amplitudens funktionskurva bryter av vid frekvensen fb, så kallas den
för filtrets brytfrekvens.
Så den integrerande första ordningens RC-krets som vi utgick ifrån är alltså ett första ordningens
lågpass-filter i frekvensdomänen.
Högpassfilter:
Om vi nu gör samma analys för en första ordningens deriverande krets,
Definierar vi åter igen att
så får vi överföringsfunktionen
Delar vi upp denna i en amplituddel och en fasdel och ’plottar’ dem, så får vi,
Nu ser vi från Bode-diagrammet att alla frekvenser som är högre än brytfrekvensen dämpas lite och
de frekvenser som är lägre än brytfrekvensen dämpas mycket. Så, höga frekvenser kan passera
genom kretsen utan några större förändringar i amplitud, så därför kallas den här kretsen för ett
Hög-pass filter.
Så den deriverande första ordningens RC-krets som vi utgick ifrån är alltså ett första ordningens
högpass-filter i frekvensdomänen.
Kapitel 10: sid 442-450, 460-464
Halvledare
Dioden
En halvledare tillverkas av ett isolerande material (vanligtvis kisel) som inte har några fria elektroner.
I detta isolerande material så tillför man ett ämne som ger ett överskott av fria elektroner (negativ
laddning) och man kallar då detta för att man N-’dopat’ det isolerande materialet. Man kan också
tillföra ett ämne till isolatorn som ger ett underskott på fria elektroner (positiv laddning) och då kallar
man det för att man P-’dopar’ isolatorn. Om man sammanfogar en N-dopad kristall med en P-dopad
kristall så kommer fria elektroner från den N-dopade kristallen att vandra över till den P-dopade
kristallen som har ett underskott på elektroner. När detta sker så kommer N-sidan av övergången att
bli mer positivt laddad än P-sidan av övergången. Denna skillnad i laddning kommer att ge upphov till
ett elektriskt fält mellan N-sidan och P-sidan av övergången, som i sin tur ger upphov till en
tröskelspänning på ungefär 0.7 Volt för kisel.
Så, om man lägger en positiv spänning mellan P- och N-kristallerna, så kommer fältstyrkan i det
elektriska fältet att öka eftersom man då tömmer N-kristallen på sina fria elektroner och fyller på P-
kristallen med elektroner så att det blir mer negativ laddning i P-kristallen och mer positiv laddning i
N-kristallen. Eftersom denna ökande fältstyrka hindrar elektroner från att röra sig från N-kristallen
genom övergången till P-kristallen så spärrar därmed halvledaren för ström som flyter från N-
kristallen till P-kristallen.
Om man nu vänder på spänningskällan så att man har en positiv spänning mellan N- och P-
kristallerna istället, så kommer elektronerna, när spänningen är högre än tröskelspänningen, att flyta
från N-kristallen genom övergången till P-kristallen och halvledaren är därmed öppen för ström som
flyter från P-kristallen till N-kristallen.
En sådan komponent som släpper igenom ström endast åt ett håll kallas för en Diod och fungerar
därmed som en back-ventil för ström. Förhållandet mellan ström och spänning för en diod ser ut
enligt följande diagram,
Vd
Om dioden är i framspänd så börjar den leda när framspänningen överstiger cirka 0.7 Volt. Man ser i
diagrammet att strömmen blir mycket stor för alla spänningar över tröskelspänningen. När dioden är
backspänd så flyter det endast en mycket liten läckström. Om man kraftigt ökar backspänningen över
dioden så kommer den höga spänningen att slå sönder laddningsbarriären i PN-övergången och man
får en kortslutning i dioden med följd att den går sönder.
Zener-diod
En zener-diod är en diod som är designad till att släppa igenom ström, i backriktningen, vid en viss
förutbestämd spänning. Det betyder att om man lägger på en backspänning över en zenerdiod som
är högre än märkningsspänningen, VZ, så kommer spänningen över dioden alltid att vara VZ. I
kretsscheman ritas zenerdioden ofta på följande vis:
Lysdiod (LED)
En LED (Light Emitting Diod) är en vanlig diod som, när elektronerna vandrar över PN-övergången och
träffar på positiva laddningar i form av ”hål”, sänder ut monokromatiskt ljus av en viss våglängd
(d.v.s., ljus med endast en färg). Lysdioder finns i infraröd (IR), röd, orange, gul, grön, blå och
ultraviolett (UV). Man kan även få vitt ljus genom att sätta en röd, en grön och en blå lysdiod i
samma kapsel och se till att de lyser med samma styrka. Kretssymbolen för en lysdiod liknar en
vanlig diod, men med ett tillägg av två pilar som anger att den avger ljus,
En lysdiod börjar vanligtvis att lysa då spänningen över dioden överstiger 1.2 Volt. Eftersom en
lysdiod fungerar på samma sätt som en vanlig diod, så betyder det att strömmen genom lysdioden
blir väldigt hög när spänningen överstiger 1.2 Volt. Därför måste man alltid ha ett strömbegränsande
motstånd i serie med dioden.
+
-
VL E DVSS
+
R
Spänningen över begränsningsmotståndet R beräknas enligt Kirchoff’s spänningslag:
Den ström som behövs för att dioden ska lysa kan man hämta från lysdiodens datablad. Ett typiskt
värde på denna ström ligger runt 10 mA. Vi kan nu beräkna motståndets värde enligt Ohm’s lag:
Fotodiod
En fotodiod har exakt motsatt funktion som en lysdiod. När ljus träffar halvledaren så slår ljustets
fotoner loss elektroner och en ström börjar flyta. Strömmen i dioden kontrolleras av intensiteten av
ljuset som träffar halvedarmaterialet. Kretssybolen för en fotodiod är lik symbolen för en lysdiod
med skillnaden att pilarna är vända in mot dioden.
Helvågs-likriktare
En helvågs-likriktare omvandlar en växelström som växlar mellan positiv och negativ spänning till en
pulserande positiv spänning.
Genom att koppla dioderna i en brygga så tvingar vi strömmen att ta olika väg vid positiv (röd) och
negativ (blå) halvperiod av sinusvågen, vilket får till resultat att strömmen alltid flyter åt samma håll
genom belastningen på diod-bryggans utgång.
För att göra om den pulserande positiva spänningen till en likspänning så kan man koppla in ett
lågpass-filter på utgången som endast släpper igenom likspänningskomponenten. Eftersom detta
kräver en väldigt stor kondensator, så använder man ofta en zenerdiod på utgången för att se till att
utspänningen är en likspänning. Värdet på likspänningen är lika med växelspänningens RMS-värde.
Kapitel 11: sid 488-500
Förstärkare En krets som består av en in-port (”input”) och en ut-port (”output”) kallas för en två-portskrets.
Om A är mindre än 1 så kallas kretsen för en dämpare och om A är större än 1 så kallas kretsen för en
förstärkare. Då insignalen och utsignalen är spänningar så kallas kretsen för en spänningsförstärkare
och om insignalen och utsignalen är strömmar så kallas kretsen för en strömförstärkare
Om eller är negativt så kallas förstärkaren för en inverterande förstärkare.
Effektförstärkning (”Gain”):
För att utsignalen från en krets ska kunna utföra ett arbete så krävs att det överförs effekt till den
apparat som ska utföra arbetet (t. ex., högtalare, elmotor, lampor, värme-element). För att förstärka
en signals effekt så måste man förstärka både spänningen och strömmen i en signal,
Av =vu t ( t )
v i n ( t )
A i =i u t ( t )
i i n ( t )Av A i
G = Pu t
Pi n= vu t ¢i u t
v i n ¢i i n= vu t
v i n¢i u t
i i n= Av ¢A i
Energin som behövs för att förstärka effekten i en signal tillförs från förstärkarens strömförsörjning.
Av den tillförda effekten från strömförsörjningen så kommer en del att användas till att förstärka
signalen och en del kommer att försvinna i värme. Förhållandet mellan effekten som används för
förstärkning och den totala tillförda effekten från strömförsörjningen kallas för förstärkarens
effektivitet eller verkningsgrad.
Kapitel 14: sid 632-655, 660-670
OP-förstärkare
En OP-förstärkare är en integrerad förstärkare som är konstruerad så att man ska behöva så lite extra
yttre komponenter som möjligt. För att få största möjliga användningsområde så är OP-förstärkaren
en så kallad differens-förstärkare. Det vill säga att den förstärker endast skillnaden mellan de två
ingångarna till förstärkaren. En ideal OP-förstärkare har oändligt hög inresistans och oändligt hög
förstärkning.
Inverterande förstärkare:
Eftersom förstärkningen är oändligt stor och utspänningen är lika med volt, så måste skillnad-
spänningen mellan ingångarna vara oändligt liten. Det vill säga att då plus-ingången är 0 V eftersom
den är jordad så är också minus-ingången 0 V eftersom skillnadsspänningen mellan ingångarna är
oändligt liten. Så, spänningen är alltså lika med 0 Volt. Detta betyder att vi kan skriva,
Då inresistansen är oändligt stor så flyter det inte någon ström in till förstärkarens minus-ingång,
vilket betyder att enligt Kirchoff’s strömlag. Utspänningen kan nu uttryckas som,
uut
ux
i2 = i1 uut
så spännings-förstärkningen för hela kretsen blir då,
Detta betyder att vi kan konstruera en förstärkare med vilken förstäkning vi önskar genom att välja
passande värden på och . Dessutom, så har förstärkningen ett negativt tecken vilket betyder
att vi har en inverterande spänningsförstärkare.
Icke-inverterande förstärkare:
Spänningen är lika med spänningen på den positiva ingången eftersom skillnadsspänningen
mellan ingångarna är oändligt liten. Eftersom och bildar en spänningsdelare så kan också
skrivas som,
Spänningsförstärkningen för hela kretsen kan då skrivas som,
Då förstäkningen har positivt tecken så är förstärkaren icke-inverterande.
Om vi väljer R1 till avbrott och R2 till kortslutning, så får vi förstärkningen 1, och kretsen kallas då för
en spänningsföljare,
R1 R2
u1 ui n
R1 R2 u1
Den ger samma spänning på utgången som finns på ingången, men strömmen tas från OP:ns
strömförsörjning och belastar därför inte de kretsar som är kopplade till OP:ns ingång. En sådan typ
av krets kallas för en buffert.
Kapitel 9.3: sid 422-425
AD/DA-Omvandlare: Analog signal: kontinuerlig i både signalstyrka och tid. Det vill säga att signalstyrkan kan ha
vilket värde som helst mellan minus oändligheten och plus oändligheten. Signalen har dessutom ett
värde i alla tidpunkter t mellan tiden noll och oändligheten.
Digital signal: diskret i både signalstyrka och tid. Detta innebär att signalstyrkan endast kan anta ett
visst förutbestämt antal värden inom ett förutbestämt område. Dessa värden ges för förutbestämda
tidsögonblick inom en given tidsram.
AD-omvandling:
För att omvandla en analog signal till en diskret signal så mäter man värdet på den analoga signalen
vid förutbestämda tidpunkter . Detta kallas för ”sampling” (engelska för provtagning) eller att
”sampla” den analoga signalen. Det totala området av värden som den analoga signalen rör sig inom
delas upp i ett antal förutbestämda fasta värden. Det ”samplade” mätvärdet avrundas till närmaste
förutbestämda fasta värde . Detta kallas för kvantisering (”quantization”) av den analoga signalen.
s(t)
t
s(t)
t1 t2 t3 t4 t5 t6
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
y = A j (tk )
s(tk )
A j
Varje förutbestämda nivå betecknas med ett numeriskt heltal t. ex., 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Detta heltal
omvandlas till binär form för att kunna manipuleras och bearbetas i en mikroprocessor. Eftersom
mätvärdet avrundas till närmaste förutbestämda fasta värde så får vi ett kvantiseringsfel.
Enligt Nyquist’s samplingsteorem så måste man sampla den analoga signalen med en frekvens som
är minst dubbelt så hög som den högsta frekvenskomponenten i den analoga signalen.
Om detta villkor är uppfyllt så kan man alltid återskapa den analoga signalen från de samplade
mätvärdena. Om villkoret inte är uppfyllt, så går det inte att återskapa den analoga signalen från
de samplade värdena.
Det Binära talsystemet:
Det binära talsystemet representeras av basen 2 och innehåller därför endast 2 siffror (0 och 1) i
varje position. Varje binär siffra kallas för en bit. Om man sätter ihop N bitar så kallas det för ett
binärt ord. Med N bitar så kan man sätta ihop 2N olika ord.
Så, om vi låter varje ord beskriva en förutbestämd kvantiseringsnivå och vi har M nivåer, behöver vi
antal bitar för att beskriva alla kvantiseringsnivåer.
Sample & Hold:
Under den tid det tar att omvandla den analoga signalen till en digital signal så får inte mätvärdet
ändra sig. Så, signalen måste hållas på ett stabilt värde fram till nästa sampling sker. En krets som
utför detta kallas för en ”sample & hold”-krets.
N = log2(M )
Spänningsföljar-bufferten på ingången ser till att kondensatorn laddas upp till korrekt
spänningsvärde då samplingen sker. Spänningsföljar-bufferten på utgången ser till att kondensatorn
inte laddas ur för snabbt och tappar spänningsvärdet.
Det finns två huvudgrupper av AD-omvandlare:
Flash-omvandlare: Parallellomvandling; snabb men kräver mycket komponenter.
Räknarbaserad omvandling: ”Successiv Approximation Register” (SAR)
Trappstegs-omvandlare ”Ramp converter”
Följarbaserad omvandling ”Delta-encoded”
DA-omvandling:
En DA-omvandlare är en spänningssummerare där varje bit i det digitala ordet tilldelas en
förstärkning av Vref som är 2x gånger större än den minst signifikanta bitens (LSB) förstärkning, där x
anger viken bitposition den binära biten har. Det betyder då att en N-bitars DA-omvandlare kan
omvandla N-bitars digitala ord till 2N antal spänningsnivåer. Varje databit styr sin egen switch i
summatorn. För att få fram rätt spänningsnivåer används en inverterande förstärkning. Om den mest
signifikanta bitens (MSB) förstärkning genereras av ett motstånd R så ska den minsta signifikanta
bitens (LSB) förstärkning genereras av ett motstånd som är 2(N-1) R. Detta orsakar problem när man
har digitala ord med många bitar; t. ex., värdet på R ligger ofta på något k för att inte belasta
referensspänningskällan och om man har 16 bitar så blir motståndet för minsta signifikanta biten
32768 gånger större, d.v.s. ett trettiotal M vilket gör kretsen känslig för störningar.
För att åtgärda det här problemet så använder man istället en R/2R-stege på ingången till
summatorn. Fördelen är att förstärkningen är konstant så att motståndsvärdena inte är beroende av
hur många bitar omvandlaren använder och att man använder spänningsdelning av referens-
spänningen istället.
Kapitel 7: sid 336-344
Digitala kretsar: I digitala kretsar betecknar en positiv spänning en logisk ’1’ och 0V en logisk ’0’. ’0’ och ’1’ kan också
ses som en strömbrytare som är antingen ’av’ eller ’på’. I digitala kretsar används transistorer som
strömbrytare. Transistorn som används mest inom digitala kretsar kallas MOSFET (Metal-Oxide-
Silicon Field-Effect-Transistor) och är en energisnål typ av transistorer. Den finns i två varianter; N-
MOS och P-MOS. N-MOS transistorn släpper igenom ström om man lägger en positiv spänning på
11
2 2
f f f
out refN
R R RV msb msb lsb V
R R R
”gate” ingången och släpper inte igenom någon ström om spänningen är 0V. P-MOS transistorn gör
precis tvärt om; den släpper igenom ström då spänningen på ingången är 0V och släpper inte igenom
någon ström då spänningen är positiv. Använder man båda varianterna av transistorn i samma
integrerade krets så kallas den för en CMOS-krets (Complementary-MOS). Den enklaste byggstenen i
digitala kretsar kallas för en logisk grind (”Gate”) och utför en logisk operation på en eller två
insignaler. Den enklaste av dessa logiska grindar kallas för en inverterare och består av två
transistorer.
Två strömbrytare som styrs av samma ingångssignal. Ringen på den övre strömbrytaren markerar att
den är en P-MOS transistor och utan ring (den undre strömbrytaren) är en N-MOS transistor. Tittar vi
på funktionen så ser vi att en ’1’ (positiv spänning) på ingången kommer att få den övre
strömbrytaren att vara öppen (eftersom P-MOS behöver 0V för att släppa igenom ström) och den
undre strömbrytaren att slutas (eftersom N-MOS släppaer igenom ström när man lägger positiv
spänning på dess ingång). Det betyder att utgången från grinden är ansluten till 0V (jord) via den
undre transistorn. Gör vi tvärt om och lägger en logisk ’0’ (d.v.s, 0V) på grindens ingång så sluts den
övre strömbrytaren istället och den undre öppnas och vi får den positiva spänningen VDD på grindens
utgång vilket motsvarar en logisk ’1’. Skriver vi upp alla kombinationer av insignaler till grinden och
dess resulterande utsignal så får vi vad som kallas för grindens sanningstabell.
Till vänster ser vi de amerikanska och europeiska symbolerna för denna logiska grind, som kallas för
en icke-grind (”NOT” på engelska) och är en inverterare eftersom en nolla på ingången ger en etta på
utgången och en etta på ingången ger en nolla på utgången.
Det finns ytterligare tre logiska grindar; OCH, ELLER, Exklusiv-ELLER
A B
0 1
1 0
OCH-grinden (”AND”) ger en logisk ’1’ på utgången endast om alla ingångar är logisk ’1’.
ELLER-grinden (”OR”) ger en logisk ’1’ på utgången om den ena ingången eller den andra ingången
eller båda ingångarna är logisk ’1’.
Exclusiv-ELLER-grind (”XOR”) ger en logisk ’1’ på utgången om ingångarna är olika, och en logisk ’0’ på
utgången om ingångarna är lika.
Exklusiv–ELLER (”XOR”) är mycket vanlig eftersom man använder den när man ska summera två
binära tal med varandra. En krets som utför en sådan operation kallas för en heladderare.
Genom att koppla en inverterare på utgången av OCH/ELLER grindar så får man deras inverterade
funktion (”NAND” och ”NOR” på engelska), vilket är en mycket vanlig logisk byggsten. Denna
invertering markeras genom en liten ring på utgången av grinden.