łady CMOS inwerter CMOS Prąd pobierany tylo przy przełączaniu! brama NAND Zestawienie podstawowych parametrów rodzin TTL i CMOS. Parametry uładów CMOS i TTL zasilanych napięciem CC 5V
Charaterystyi przejściowe uładów TTL oraz CMOS Technologia izolacji złączowej z domieszowaniem złotem Standardowa S Schotty'ego Technologia izolacji złączowej z diodami Schotty'ego LS Schotty ego małej mocy F FAST Technologia izolacji tlenowej z diodami Schotty'ego ALS ulepszona LS AS ulepszona S Pełną zgodność ońcówową, oznaczeniową i uncjonalną z uładami TTL mają ułady CMOS z szybich rodzin HC (High-speed CMOS), AHC (Advanced HC) i AC (Advanced CMOS) Wzmacniacze operacyjne należą do najbardziej uniwersalnych uładów eletronicznych istnieją w postaci uładów scalonych +V CC Wzmacniacz operacyjny ma dwa wejścia: (-) - odwracające azę (sygnał wyjściowy jest przesunięty w azie o 80 0 względem wejściowego), (+) - nieodwracające azy + - -V EE ealizuje uncję: A*( + - - ) gdzie A wzmocnienie uładu Napięcia zasilania +V CC i -V EE (z dwóch niezależnych źródeł) Wartości napięć +, - i oraz V CC i V EE oreślone względem wspólnego poziomu odniesienia - masy Idealny wzmacniacz operacyjny: wzmocnienie napięciowe A, rezystancje obu wejść względem masy są niesończone, rezystancja między wejściami IN (uład nie pobiera prądu z wejść) rezystancja wyjściowa jest pomijalnie mała 0 0, nieograniczone pasmo przenoszenia (własności częstościowe wzmacniacza nie mają wpływu na jego pracę) 2
Idealny wzmacniacz operacyjny nie istnieje! zeczywiste wzmacniacze operacyjne: ezystancje wejściowe wynoszą : 0 4 0 2 Ω, wyjściowe : 0 4 Ω. Wzmocnienie dla małych częstości może sięgać 0 6 Budując wzmacniacz o wzmocnieniu 0 możemy oreślić jego charaterystyę częstościową i pasmo przenoszenia wzmocnienie 000 µa 74 A* ωconst 0 ω g0 Hz 00 Hz częstość zeczywiste wzmacniacze operacyjne dobrze spełniają założenia dla wzmacniaczy idealnych model działania np. LM 38: A > 20 000, 0 0 Ω, 00 Ω niestety ograniczone pasmo przenoszenia (A* ω const) Wzmacniacz operacyjny µa74 - schemat +V CC -V EE Parametry wzmacniacza µa 74: wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia 00 000 rezystancja wejściowa i 2 MΩ masymalne różnicowe napięcie wejściowe ± 30 V napięcie zasilania ± 5 V pobór mocy 45 mw 3
Wzmacniacz odwracający azę - podstawowy uład ze wzmacniaczem operacyjnym I I 2 Wzmocnienie? 3 napięcie wyjściowe uładu jest sończone, lecz wzmocnienie idealne A, z równania A*( + - - ) wynia, że + -, czyli, że - 0 niesończona rezystancja wejściowa prądy wpływające do wejść pomijalne równanie prądów w uładzie: Stąd eetywne wzmocnienie uładu: I 2 2 A Ponieważ potencjał - 0, rezystancja wejściowa uładu wynosi I Konwerter prąd-napięcie gdy w uładzie rezystor nie istnieje ( 0) > I * Zastosowanie: źródła prądowe, np. otodiody, otopowielacze itp. I I Wzmacniacz sumujący w uładzie wzmacniacza odwracającego azę: I n Suma prądów, tóre dopływają do wejścia odwracającego azę jest równa prądowi sprzężenia zwrotnego: wei I i I i wei Stąd: wy i wy I3 I2 I n I napięcie wyjściowe proporcjonalne do sumy napięć wejściowych z wagami / i Jeśli wszystie opornii będą miały wartość oporu, to: -( + 2 +... + N ) Jedno z zastosowań: miser austyczny w studiach nagrań. Przez regulację i ustala się wład (głośność) ażdego ze źródeł 4
Wzmacniacz nieodwracający azy: napięcie wejściowe podawane jest na wejście nieodwracające (+) wzmacniacza operacyjnego I 3 I 2 óżnica napięć między wejściami wzmacniacza + i - jest ininitezymalna. prąd płynący w pętli sprzężenia zwrotnego: we I I 2 2 wzmocnienie uładu: + A ezystor 3 oreśla rezystancję wejściową uładu Zastosowanie: współpraca z wysoooporowymi źródłami sygnału ja np. termopary Wtórni napięciowy: gdy w uładzie wzmacniacza, A, lecz prąd wyjściowy może być znacznie więszy niż prąd wejściowy 2 Wzmacniacz różnicowy napięcie wyjściowe: 2 ( ) 2 2 2 Inne operacje matematyczne na sygnałach Wzmacniacz całujący C ównanie prądów w uładzie ma postać: I I dq dt C d dt stąd: C dt Dla wejściowych sygnałów harmonicznych (sinusoida) charaterystya częstościowa uładu: ωc 5
Inne operacje matematyczne na sygnałach c.d. Wzmacniacz różniczujący: Zamiana ondensatora i opornia miejscami! I dq dt d C dt I C czyli: C d dt Charaterystya częstościowa tego uładu dla wejściowych sygnałów harmonicznych: ωc Zastosowanie wzmacniaczy całujących i różniczujących: > ormowanie sygnałów analogowych Inne operacje matematyczne na sygnałach c.d. Wzmacniacz logarytmujący: I I 0 exp( X ) element o charaterystyce wyładniczej w pętli sprzężenia zwrotnego I I ln X I I exp( X 0 0 ) element nieliniowy: dioda, tranzystor bipolarny Wzmacniacze logarytmujące: przetwarzanie sygnałów o dużej dynamice zmian + Wzmacniacz antylogarytmujący: zamiana miejscami rezystora i elementu nieliniowego I I 0 exp( X ) I I exp( X 0 ) + łady mnożące: ombinacja wzmacniaczy sumujących, odejmujących, logarytmujących i antylogarytmujących 6
ejestracja i analiza sygnałów analogowych Komparator analogowy Przetworni cyrowo-analogowy (DAC) Przetworni analogowo-cyrowy (ADC) Komparator analogowy: uład pośredniczący między eletronią analogową i cyrową Komparator analogowy służy do porównywania napięć analogowych JŚCIE V + E V - gdy > E Komparator - specyiczny rodzaj wzmacniacza porównującego dwa napięcia: V + (na wejściu nieodwracającym azy) i V - (na wejściu odwracającym azę). Jeśli zachodzi relacja: V + > V -, to stan wyjściu jest jedyną logiczną waga: Komparatora analogowego nie należy mylić z omparatorem cyrowym, tóry służy do porównywania słów logicznych Przetworni cyrowo-analogowy Przetworni cyrowo-analogowy (DAC - Digital - Analog Converter) wytwarza napięcie proporcjonalne do wartości słowa logicznego na wejściu E 2 4 8 << Działanie najprostszych (2-4 -bitowych) opiera się na zasadzie dzielnia napięcia Nieliniowe działanie dzielnia liczby bitów Wielobitowe (do 8 bitów) przetwornii cyrowo-analogowe buduje się w oparciu o drabini rezystorów zasilane za pomocą bardzo stabilnych źródeł prądowych wy 2 I 3 n Pi i i 02 Przetwornii cyrowo - analogowe > do budowy programowalnych generatorów przebiegów analogowych, sterowniów analogowych, itd 7
Przetworni analogowo-cyrowy Przetworni analogowo-cyrowy (ADC - Analog - Digital Converter) zamiana wartości napięcia (lub natężenia prądu) wejściowego na słowo logiczne JŚCIE ANALOGO JŚCIE CYFO Powolna onwersja: przy n-bitowym słowie wyjściowym wymaga czasu 2 n τ (τ czas trwania impulsu zegara) LICZNIK D A GENEATO STOP KOMPAATO przetworni ompensacyjny V EF VEF Przetworni ompensacyjny: czas onwersji wynosi n τ > rzędu iludziesięciu µs Im mniejsza doładność przetwarzania tym więsza szybość onwersji CZAS CZAS Najszybsze są przetwornii analogowo-cyrowe typu lash E E(n-)/n E(n-2)/n KŁAD LOGI- CZNY JŚCIE CYFO JŚCIE ANALOGO E/n Doładność przetworniów 0 bitów przy częstości próbowania GHz (Hewlett-Pacard, Tetronix, National Instruments, Aqiris) Możliwe tworzenie uładów przetworniów pracujących sewencyjnie częstość próbowania sięga 0 GHz Przetwornii typu lash o więszej liczbie bitów są wolniejsze: 2 bitów - 00 MHz, 4 bitów - 50 MHz ( irma Ga-Ge) 8
Przetworni analogowo cyrowy podstawowy element uładów pomiarowych Przyład: oscylosop cyrowy POSZCZONY SCHEMAT OSCYLOSKOP CYFOGO Wzmacniacz dobór czułości A D pamięć i procesor uład graiczny monitor sygnał wyni pomiaru Szybie przetwornii analogowo-cyrowe i cyrowo-analogowe: podstawowe urządzenia do cyrowego zapisu, przetwarzania i odtwarzania obrazu i dźwięu Sprzężenie zwrotne: - oddziaływanie sutu na przyczynę - wpływa na własności uładu eletronicznego Wzmacniacz: podstawowy uład eletroniczny ze sprzężeniem zwrotnym. Pętla sprzężenia zwrotnego przenosi część sygnału z wyjścia na wejście IN umożliwiając dodawanie do sygnału wejściowego. A A INA +A A A IN β A Wzmocnienie wzmacniacza: Stopień sprzężenia zwrotnego: β ponieważ: A A + A wypadowe wzmocnienie uładu ze sprzężeniem: IN A A Wzmacniacz i uład sprzężenia zwrotnego przesuwają azę: A AIN A A A A A β IN Stąd, wzmocnienie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym: exp( jφ) oraz β β exp( jψ ) β ( cosφ + j sinφ ) [ cos( φ + ψ ) + j sin( φ + ψ )] 9
Szczególne przypadi: dodatnie sprzężenie zwrotne φ+ψ2nπ ujemne sprzężenie zwrotne φ+ψ(2n+)π + β zwięszenie eetywnego β wzmocnienia wzmacniacza zmniejszenie eetywnego wzmocnienia wzmacniacza odzaj sprzężenia zwrotnego wpływa na własności urządzeń eletronicznych Stabilność wzmocnienia: stabilność bezwzględna : γ d d γ d wrażliwość względna : d Dla dodatniego sprzężenia zwrotnego γ γ ( β ) 2 > β czyli stabilność wzmacniacza pogarsza się Dla ujemnego sprzężenia zwrotnego: Jeśli duże wzmocnienia ( ) γ ( + β ) 2 i ujemne sprzężenie, to Parametry uładu są wyznaczone tylo przez parametry uładu sprzężenia zwrotnego, tóre mogą być bardzo stabilne (elementy bierne) γ < + β czyli ujemne sprzężenie zwrotne poprawia stabilność uładu β Sprzężenie zwrotne ustala pasmo transmisji uładów eletronicznych Charaterystya wzmacniacza podobna ja dla iltra dolnoprzepustowego 0 ( ω) ω + j ω Wzmocnienie uładu ze sprzężeniem zwrotnym β: 0 jω + ( ω) ω g ( ω) β ( ω) β 0 jω + ω g g Oznaczając: wzmocnienie ω ω otrzymujemy wzmocnienie uładu ze sprzężeniem: g dodatnie sprzężenie zwrotne bez sprzężenia ujemne sprzężenie zwrotne g ω g+ ω g ω g- ( β 0 ) 0 ( ω) + j ω ω częstość 0 0 ( β 0 ) / g jemne sprzężenie zwrotne: zmniejszenie mas. wzmocnienia zwięszenie częstości granicznej Dodatnie sprzężenie zwrotne: zwięszenie mas. wzmocnienia ograniczenie pasma przenoszenia 0
jemne sprzężenie - orzystna modyiacja własności uładu eletronicznego zwięszenie stabilności, reducja współczynnia szumów, poszerzenie pasmo częstości Zmniejszenie eetywnego współczynnia wzmocnienia nie jest ograniczeniem! L CBC E jemne sprzężenie zwrotne stosuje się w uładach tranzystorowych do stabilizacji puntu pracy - za pomocą rezystora E umieszczanego w emiterze Występuje w postaci eetu Millera, (pojemność C BC ) powodującego ograniczenie wzmocnienia dla wysoich częstości Dodatnie sprzężenie zwrotne oddziałuje nieorzystnie na uład i w urządzeniach eletronicznych jest w zasadzie stosowane tylo w generatorach Generatory - najczęściej wzmacniacze z silnym dodatnim sprzężeniem zwrotnym β β dla β wzmocnienie eetywne uładu E 2 2 Multiwibrator astabilny (generator przebiegów prostoątnych) połączone w pętli dwa wzmacniacze o wspólnym emiterze (ażdy odwraca azę) oba tranzystory pracują w nasyceniu! dwie sprzężone brami NAND osc2.ct osc3.ct
Generator przebiegów sinusoidalnych Zasada: dodatnie sprzężenie zwrotne tylo dla ograniczonego pasma częstości Warune sprzężenia zwrotnego spełniony tylo dla częstości rezonansowej ω o Przebiegi sinusoidalne o częstości ω o Podstawowe ułady wzmacniaczy odwracających azę z dodatnim sprzężeniem rezonansowym + + + Meissnera Hartleya Colpitsa Z przesuwniami azowymi: + + Oscylacje przy częstości, dla tórej przesunięcie azowe wynosi 80 o Stabilność częstości ( ν ν ν ν) uładów ze sprzężeniem LC nie przeracza 0-4 Można taże budować generatory ze wzmacniaczami nieodwracającymi azy reconator.ct Oscylator warcowy w pętli rezonansowej sprzężenia zwrotnego Zwięszenie stabilności częstości oscylacji (drgania uładów mechanicznych) Kryształy warcu mają własności piezoeletryczne Eet piezoeletryczny jest odwracalny: przyładanie napięć do ścian ryształu piezoeletrycznego powoduje jego odształcanie oscylator warcowy uład rezonansowy szeregowo-równoległy oscylator warcowy i jego uład zastępczy E impedancja rezonans równoległy I h. rezonans równoległy II h rezonans szeregowy II h 2 rezonans szeregowy I h częstość OSCYLATO Stabilność częstości może przeraczać 0-7 Podstawowe ułady generatorów warcowych są nieprzestrajalne reconator.ct 2
Syntezery - generatory warcowe o częstości regulowanej dzielenie częstości za pomocą technii cyrowej mnożenie i sumowanie częstości w technice nieliniowej Stabilność odpowiada stabilności wzorcowego generatora warcowego programator generator warcowy ω powielacz częstości nω m dzielni częstości nω m prostoąt JŚCIE generator sterowany napięciem DC detetor azy nω m sinus Phase Loced Loop Syntezery stosowane w badaniach nauowych i teleomuniacji taże w odbiorniach radiowych i telewizyjnych 3