Egzamin z elektroniki

Transkrypt

1 Egzamin z elektroniki (prof A. Skumiel ) 1. Zalety i wady wybranych wzmacniaczy mocy (m.in. sprawność energetyczna wyrażona w % dla poszczególnych układów). Klasa wzmacniacza to pojęcie opisujące działanie wzmacniacza przez określenie warunków przepływu prądu kolektora w jednym okresie zmian napięcia sygnału. Klasa A prąd kolektora płynie przez cały okres napięcia sygnału (360 o ) η=50% Klasa AB prąd kolektora płynie przez więcej niż połowę, ale mniej niż cały okres napięcia sygn. Klasa B prąd kolektora płynie przez dokładnie połowę okresu napięcia sygnału η=78,5% Klasa C prąd kolektora płynie przez mniej niż połowę okresu napięcia sygnału (<180 o ) Klasa D to układy impulsowe z modulacją szerokości impulsu Wzmacniacze AB i B są prawie zawsze stosowane w układach przeciwsobnych, najczęściej układach dostarczających dużych mocy. układ przeciwsobny - układ elektr. składający się z dwóch jednakowych zespołów elementów tworzących dwie gałęzie symetryczne względem osi równoległej do kierunku przepływu sygnałów, przy czym oba zespoły pobudzane są sygnałami identycznego kształtu, lecz wzajemnie przesuniętymi w fazie o 180 o ; stosowane w prostownikach, urządzeniach do demodulacji (detektory przeciwsobne), wzmacniaczach (wzmacniacze przeciwsobne) itp. Wzmacniacz przeciwsobny: Zalety: Wady: zmniejszenie zniekształceń harmonicznych mały prąd spoczynkowy, można używać mniejszych transformatorów większa moc wyjściowa względem rezystancji wewnętrznej wyjściowego stopnia największa sprawność przy pełnym wysterowaniu nie potrzeba kondensatora o dużej pojemności sprzęgającego głośnik z uzwojeniem wtórnym potrzeba wytwarzania dwóch sygnałów w przeciwfazie Wzmacniacze operacyjne stanowią największą grupę analogowych układów scalonych. Charakteryzują się następującymi właściwościami: bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym (powyżej V/V czyli 80dB), wzmacniają prąd stały, odwracają fazę sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału podawanego na wejściu odwracające (oznaczenie ) lub zachowują zgodność w fazie jeżeli sygnał wejściowy jest podawany na wejście nieodwracające (oznaczenie + ), dużą rezystancję wejściową (M), małą rezystancję wyjściową (). Stosowane są głównie w: - układach analogowych, gdzie wykonują operacje: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania i różniczkowania, - wzmacniaczach logarytmicznych, - generatorach sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych, - filtrach, - detektorach liniowych i detektorach wartości szczytowej, - układach próbkujących z pamięcią.

2 . Właściwości wzmacniaczy tranzystorowych w układzie wspólnego emitera i wspólnego kolektora. Wzmacniacz tranzystorowy to układ wzmacniający sygnał, oparty na tranzystorach mocy w różnych kombinacjach (WE, WB, WC). Każda z opcji ma swoje wady i zalety: Układ WE Układ WB Układ WC Oporność wejściowa średnia mała duża Oporność wyjściowa duża bardzo duża mała Wzmocnienie prącowe duże < 1 duże Wzmocnienie napięciowe duże duże < 1 Wzmocnienie mocy bardzo duże duże średnie Częstotliwość graniczna mała wielka mała 3. Dopasowanie impedancji głośnika do współpracy z obwodem wzmacniacza poprzez transformator. Przy współpracy głośnika (np. GDM-18/80) o niskiej impedancji Z ( 8 ) z obwodem anodowym pentody (EL-84) o wysokiej impedancji (ρ = 40 kω) należy zastosować transformator, w którym: n n 1 71 n n 1 1 ( to przekładnia transformatora), gdyż 8 n n Dodatkowo należy dobrać powierzchnię poprzeczną S Fe rdzenia obwodu magnetycznego do przewidywanej mocy wzmacniacza P. W praktyce przyjmuje się, że obie wielkości spełniają przybliżoną zależność: S Fe [ cm ] P[ W ] W przypadku posiadania danego transformatora należy określić jego przekładnię: 1. Metodą pomiaru napięć pierwotnego i wtórnego. Poprzez pomiar indukcyjności uzwojeń. Ponieważ indukcyjność uzwojenia transformatora jest proporcjonalna do kwadratu liczby zwojów: L n, zatem: L1 n 1 stąd L n n n L1 n1 1,87 1 L 0,0093 n 5 Impedancja 8 Ω głośnika wynosi zatem: Z n n init Z gl

3 4. Wyznaczenie postaci funkcji logicznej F(x, y, z), o znanych stanach zdefiniowanych w tabeli. Funkcje logiczną można przedstawiać na kilka sposobów opis słowny, tablica prawdy, tablice Karnaugha, postać algebraiczna. tablice prawdy w kolejnych wierszach wypisuje się wszystkie kombinacje zero-jedynkowe niezależnych zmiennych. Ostatnią kolumnę stanowią wartości wypadkowe funkcji logicznej dla poszczególnych kombinacji zmiennych. tablice Karnaugha prostokątne tablice zawierające n pól. Zapis dogodny przy minimalizacji funkcji logicznych. postać algebraiczna zapis tworzy się wg. algebry Boole'a na podstawie opisu z tablicy wartości lub tablicy Karnaugha. Dowolną funkcję n można przedstawić jako sumę: Y f 1 X, X X 0 1,..., n1 n j 0 a j I j a j = 0 lub 1; U suma logiczna Zestawienie kilku metod przedstawiania funkcji logicznych:

4 5. Synteza (narysowanie układu bramek logicznych) układu kombinacyjnego realizującego określoną funkcję. Poniżej przedstawiony ogólny schemat. Na egzaminie może pojawić się polecenie, by samemu narysować odpowiedni układ bramek logicznych. 6. Prawa de Morgana. Przykłady przekształceń. Pierwsze prawo de Morgana: a b a b Drugie prawo de Morgana: a b a b

5 7. Działanie (funkcje) przerzutników monostabilnych, bistabilnych i astabilnych (czasowe przebiegi sygnału wyjściowego i sygnalu pobudzającego). przerzutnik - jest układem elektronicznym wytwarzającym w sposób zamierzony i kontrolowany, okresowe lub nieokresowe przebiegi elektryczne prostokątne w wyniku szybkich procesów przełączania (tzw. przerzutów) pomiędzy różnymi stanami. Proces przełączania zależy od struktury i parametrów układu przerzutnikowego. Przerzutniki dwustanowe dzieli się na trzy podstawowe grupy: przerzutniki bistabilne które charakteryzuje istnienie dwóch stanów równowagi trwałej (dwa stany stabilne), przy czym dla przejścia z jednego stanu do drugiego konieczne jest doprowadzenie zewnętrznego sygnału wyzwalającego przerzutniki monostabilne to układy cyfrowe, które pod wpływem impulsu wyzwalającego generują przebieg prostokątny o szerokości zależnej od parametrów obwodu najczęściej od stałej czasowej RC. Impulsem wyzwalającym może być szpilka, poziom sygnału, lub jego zbocze (dodatnie lub ujemne). Typowy gotowy układ monostabilny (czasowy) to układ w technice TTL 7411 przerzutniki astabilne nie istnieje stan równowagi trwałej, w którym układ mógłby utrzymać się w czasie nieograniczonym. Przerzutniki takie wytwarzają przebiegi samoczynnie, bez udziału sygnału zewnętrznego, podobnie do generatorów sinusoidalnych. Czasowe przebiegi sygnału wyjściowego i sygnału pobudzającego:

6 8. Zalety tranzystorów polowych (inaczej unipolarnych) Podział ze względu na konstrukcję: JFET (junction-fet) wykorzystuje się efekt polowy typu złączowego MOSFET (Metal Oxide Semiconductor-FET) Tranzystory polowe cienkowarstwowe TFT (Thin Film Transistor) W tranzystorach FET za pomocą przyłożonego napięcia dokonuje się modulacji szerokości warstwy zaporowej, co powoduje zmianę szerokości kanału przewodzącego prąd elektryczny. Tranzystory te posiadają bardzo wysoką rezystancję wejściową i można je traktować jako źródło prądowe sterowane napięciem. W tranzystorze MOSFET rezystancja wejściowa jest jeszcze wyższa, a elektrodę sterującą (bramkę) traktować można jako odizolowaną elektrycznie. Wejściowa rezystancja posiada wartość co najmniej 100 MΩ. W tranzystorach polowych wejściowa pojemność elektryczna jest przyczyną zmniejszania się wejściowej impedancji dla większych częstotliwości. Zalety tranzystorów polowych: - duża rezystancja wejściowa - małe szumy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie małych i średnich częstotliwości) - możliwość autokompensacji temperaturowej - odporność na promieniowanie - małe wymiary powodują, że są one coraz powszechniej stosowane w układach analogowych i cyfrowych 9. Podstawowy układ wzmacniacza z tranzystorem polowym złączowym z kanałem typu n (lub p). typ n nośnikami prądu są elektrony typ p nośnikami prądu są dziury

7 10. Schemat zastępczy tranzystora bipolarnego ze wspólnym emiterem. Poniżej schematy tranzystorów WE, WB oraz WC. Tranzystor WE poniżej przedstawiony w sposób bardziej kompleksowy: Układ zastępczy wzmacniacza z tranzystorem WE:

8 11. Układ równań z parametrami h ij dla tranzystora; sens tych parametrów? W zakresie małych częstotliwości i małych amplitud sygnału wejściowego tranzystor może być potraktowany jako czwórnik liniowy opisany układem równań: u h i h u i h i h u Parametry h są liczbami rzeczywistymi i reprezentują nachylenie stycznych do odpowiednich charakterystyk statycznych w wybranym punkcie pracy. Parametry te w danym układzie pracy tranzystora mają następującą interpretację: h 11 - impedancja tranzystora przy zwartym obwodzie wyjściowym h 1 - współczynnik sprzężenia zwrotnego przy rozwartym obwodzie wejściowym h 1 - zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego h - konduktancja wyjściowa przy rozwartym obwodzie wejściowym Parametry h ij w sensie formalnym są pochodnymi odpowiednich: określa nachylenie charakterystyki wejściowej określa nachylenie charakterystyki oddziaływania wstecznego określa nachylenie charakterystyki przejściowej określa nachylenie charakterystyki wyjściowej 1. Narysować połączenie (schemat z podaniem wartości rezystorów) rezystorów drabinkowych typu: a) R-R Wzmacniacz operacyjny pracuje jako przetwornik prąd-napięcie i zamienia prąd wypływający z drabinki na napięcie wyjściowe. Podobnie, jak w wypadku sieci rezystorów ważonych, rezystancja widziana z węzła sumacyjnego wzmacniacza operacyjnego jest stała, niezależnie od położenia przełączników. Ze względu na łatwość wykonania drabinka R-R jest często stosowana w układach scalonych. Układ działa w ten sposób, że zmiana położenia dowolnego przełącznika powoduje zmiany prądu wpływającego do węzła sumacyjnego wzmacniacza operacyjnego o wartośćodpowiadającą wadze bitu sterującego dany przełącznik.

9 b) siecią rezystorów ważonych dwójkowo w przetwornikach DAC. 13. Symbole elementów elektronicznych. rezystor potencjometr regulacyjny potencjometr nastawny kondensator Tranzystor npn Tranzystor pnp Trioda kondensator regulacyjny cewka (indukcyjność) Cewka (rdzeń ferrytowy) Cewka (blachy stalowe w rdzeniu) Tranzystor polowy (kanał n) Tranzystor polowy (kanał p) Tetroda Pentoda transformator dioda Dioda Zenera Wzmacniacz operacyjny

10 14. Rozpływ prądów w elementach sieci rezystorów ważonych dwójkowo w przetworniku DAC. 15. Budowa i działanie triody. Lampa elektronowa jest przyrządem złożonym z próżnioszczelnego naczynia i układu elektrod. Działanie polega na ruchu naładowanych cząstek (elektronów lub jonów) pod wpływem zewnętrznych napięć, doprowadzonych do elektrod lampy. Trioda = (lampa 3 elektrodowa) składa się z bańki wykonanej ze szkła (lub metalu) wewnątrz posiadającej próżnię, 3 elektrod: katody (emitującej elektrony) anody (na dodatnim potencjale) zbierającej rozpędzone elektrony siatki sterującej przepływem prądu (przeważnie na ujemnym niewielkim potencjale) Elektrody są umieszczone na wspornikach wtopionych w szkło. Wyprowadzenia elektrod przechodzą przez cokół i są dołączone do kołków lub styków. Lampy miniaturowe mają wyprowadzenia giętkie (bez podstawki lampowej), które są przylutowane bezpośrednio do układu. Płytki mikowe w lampie czynią konstrukcję wytrzymałą i sztywną oraz zapobiegają zmianom odległości między elektrodami w czasie. Pochłaniacz gazów służy do utrzymania próżni w lampie. Parametry triody: - współczynnik wzmocnienia napięciowego: Ka - nachylenie charakterystyki prądu: Sa - oporność wewnętrzna: ρ a - współczynnik wzmocnienia napięciowego: Ka Współczynnik amplifikacji (wzmocnienia) Ka współczynnik amplifikacji wskazuje ile razy wzrośnie napięcie zmienne wzmacniane przez lampę. Określa się go na podstawie charakterystyki lampy. Charakterystyki anodowe przedstawiają zależność prądu elektrod lampy od napięcia na anodzie przy stałym napięciu na siatce sterującej. Napięcie na siatce sterującej może przyjmować różne wartości i wtedy dla każdej z nich można wykreślić jedną charakterystykę. Charakterystyki siatkowe przedstawiają zależność prądu danej elektrody od napięcia na siatce przy stałym napięciu na pozostałych elektrodach. Stałe napięcie na innych elektrodach może mieć różne wartości, którym odpowiadają różne charakterystyki. Zatem dla każdego prądu istnieje nie jedna, lecz cała rodzina charakterystyk.

11 16. Rozdzielczość przetwornika. Rozdzielczość przetwornika określa liczbę dyskretnych wartości jakie może on wytworzyć. Zwykle wyraża się ją w bitach. Przykładowo, przetwornik A/C, który potrafi przetworzyć próbkę sygnału na jedną z 56 wartości liczbowych posiada rozdzielczość równą 8 bitów, ponieważ 8 = 56. Rozdzielczość może być również wyrażona w woltach. Rozdzielczość napięcia przetwornika A/C jest równa jego całkowitej skali pomiaru podzielonej przez liczbą poziomów kwantyzacji: - Pełna skala pomiaru = od 0 do 10 woltów - Rozdzielczość przetwornika jest równa 1 bitów, czyli 1 = 4096 poziomów kwantyzacji - Rozdzielczość napięciowa wynosi: (10-0)/4096 = 0,0044 wolta =,44 mv 17. Przetwornik A/D pracujący metodą czasową z podwójnym całkowaniem (schemat, przebiegi sygnałów, zalety, wady). Metoda podwójnego całkowania jest jednym z najdokładniejszych sposobów na przetwarzanie sygnału analogowego na cyfrowy. Przetwornik podwójnie całkujący zamienia wartość średnią napięcia mierzonego na czas tx. W pierwszym cyklu całkowania do integratora doprowadzone jest napięcie mierzone UX. Całkowanie tego napięcia trwa zawsze tyle samo, czyli najczęściej 0 ms. W drugiej fazie całkowania do wejścia integratora dołączone jest napięcie wzorcowe o biegunowości przeciwnej do napięcia UX. Licznik cały czas zlicza impulsy z generatora zegarowego. Pojemność licznika jest tak dobrana, że maksymalną liczbę impulsów zlicza w ciągu 0 ms. Kiedy napięcie wejściowe z integratora osiągnie wartość zero przerzutnik RS zmienia stan na przeciwny. Blokuje bramkę i kończy się zliczanie impulsów. Metoda podwójnego całkowania jest niestety dość powolną metodą konwersji w porównaniu z innymi znanymi metodami.

12 18. Co to są enkodery? Enkodery zwykłe to układy służące do konwersji kodu 1 z n na określony kod wyjściowy. Układy te mają więc n wejść, przy czym tylko jedno z wejść jest w danym czasie wyróżnione. Jeśli kodem wejściowym jest kod l z n bez negacji, to wejście wyróżnione znajduje się w stanie 1, a pozostałe w stanie 0. Enkodery zwykle są stosowane głównie do wprowadzania informacji w postaci liczb dziesiętnych, np. z przełączników 10-pozycyjnych obrotowych lub klawiszowych, do systemów cyfrowych.

13 19. Tablice Karnaugha, minimalizacja funkcji. Tablice Karnaugha - Tabelę (siatkę) stanów poszczególnych zmiennych zestawia się na podstawie warunków fizycznych. Dalej, postać wyrażenia, otrzymaną na podstawie tabelki stanów, można upraszczać (minimalizować) różnymi metodami. Jest to o tyle ważne, że umożliwia realizowanie zapisanych funkcji za pomocą mniej skomplikowanych układów logicznych. W siatce Karnaugha, każdemu polu takiej siatki odpowiada iloczyn wszystkich zmiennych niezależnych lub ich negacji. Cechą charakterystyczną tej metody jest takie rozmieszczenie iloczynów, że przy przejściu z dowolnego pola siatki do pola sąsiedniego ulega zmianie wartość logiczna tylko jednej zmiennej niezależnej. W pola siatki wpisuje się 0 i 1. Następnie sklejamy (łączymy) pola sąsiednie, w których wpisano stan 1.

14 0. Symbole podstawowych bramek logicznych. AND realizuje działanie koniunkcji (wszystkie wartości muszą być prawdziwe, żeby wartość końcowa była 1) NAND to sprzężenie bramek AND wszędzie tam, gdzie bramka AND podaje wartość prawdziwą, bramka NAND zwraca 0; na wyjściu zaznaczamy kółeczko oraz sprzężenia wyników z uwagi na przeciwne znaki zwracane przez bramkę OR bazuje na działaniu alternatywy przynajmniej jedna z podanych wartości musi być prawdziwa, by zwrócony przez bramkę wynik był równy 1 NOR odwrotność bramki OR; oznaczenia podobnie jak w NAND NOT taka bramka zwraca wartość 1 dla podanego 0 i odwrotnie, tzw. negator 1. Układ próbkująco - pamiętający. Patrz -> przetworniki (przerzutniki, modulator delta-sigma, enkoder, itp)