Elektronika skripta

Физичка Електроника

Скрипта

Скрипта


1.Не 1.Не оптерећен и оптерећен разделник напона

-Веома распрострањени и често примењивани делови електричног кола. кола. Просто речено, речено , то је коло за дати улазни напон придукује очекивани део улазног напона као излазни напон. напон. Струја у колу је: је: I = V in

V in R1 + R2

V out =

R2 R1 + R2

V in

R1

Лако се примећује да је излазни напон увек мањи или пак једнак улазном напону, напону, па се стога и назива разделник. разделник. R2 V out Појачање се може добити ако је један од отпора негативан, негативан , а то је могуће постићи код нпр. нпр. тунел диоде (растући отпор) отпор)или конвертора негативне импедансе. импедансе. Дакле основна улога разделника напона је да се из неког фиксног или променљивог отпора R2 то се може лако постићи. постићи. Разделник напона прикључен на неку фиксну волтажу

in

R1

out

еквивалентан је неком слабијем напонском извору редно везаном са отпорником.( отпорником.(Тевенинова Тевенинова теорема) теорема)

R2

-Уколико прикажемо потрошач опада излазни напон разделника напона због каначног отпора извора. извора. Пошто је ова деформација непожељна, непожељна, да би смо добили

Rth

R1 V in

V th

R2

стабилне напонске изворе пожељно је користити мање отпоре у разделнику напона. напона. Такође је корисно напонски извор конструисати користећи активне компоненте (транзисторе, транзисторе, операционе појачаваче,...). појачаваче ,...). На овај начин је могуће добити напонски извор без унутрашњег отпора (Тевенинов отпор). отпор). Само уколико Rload >>Rinternal имамо занемарљив ефекат пригушења. пригушења . V out V in

1

Скрипта


1.Не 1.Не оптерећен и оптерећен разделник напона

-Веома распрострањени и често примењивани делови електричног кола. кола. Просто речено, речено , то је коло за дати улазни напон придукује очекивани део улазног напона као излазни напон. напон. Струја у колу је: је: I = V in

V in R1 + R2

V out =

R2 R1 + R2

V in

R1

Лако се примећује да је излазни напон увек мањи или пак једнак улазном напону, напону, па се стога и назива разделник. разделник. R2 V out Појачање се може добити ако је један од отпора негативан, негативан , а то је могуће постићи код нпр. нпр. тунел диоде (растући отпор) отпор)или конвертора негативне импедансе. импедансе. Дакле основна улога разделника напона је да се из неког фиксног или променљивог отпора R2 то се може лако постићи. постићи. Разделник напона прикључен на неку фиксну волтажу

in

R1

out

еквивалентан је неком слабијем напонском извору редно везаном са отпорником.( отпорником.(Тевенинова Тевенинова теорема) теорема)

R2

-Уколико прикажемо потрошач опада излазни напон разделника напона због каначног отпора извора. извора. Пошто је ова деформација непожељна, непожељна, да би смо добили

Rth

R1 V in

V th

R2

стабилне напонске изворе пожељно је користити мање отпоре у разделнику напона. напона. Такође је корисно напонски извор конструисати користећи активне компоненте (транзисторе, транзисторе, операционе појачаваче,...). појачаваче ,...). На овај начин је могуће добити напонски извор без унутрашњег отпора (Тевенинов отпор). отпор). Само уколико Rload >>Rinternal имамо занемарљив ефекат пригушења. пригушења . V out V in

1

Скрипта


2.Пасивни 2.Пасивни RC филтар пропусник високих учестаности

Комбинацијом отпора и капацитета (кондензатора) кондензатора) могуће је направити фреквентно зависне разделнике напона услед фреквентне зависности капацитативне импедансе. импедансе . Оваква струјна кола поседују особину пропуштања сигнала одређене учестаности. учестаности. Кулонов закон у комплексном облику: облику: j ⎤ ⎡ V in ⎢ R + R V in V in ω C ⎥⎦ ⎣ = = I = z total

R−

j

ω C

R2 +

1

ω 2 C 2

Напон на отпорнику R је: је:

V out = I ⋅ z R = I ⋅ R ⇒ V out =

⎡ ⎣

V in ⎢ R + R2 +

j ⎤ R ω C ⎥⎦ 1

ω 2 C 2

Често нас не занима фаза већ само амплитуда, амплитуда, имамо: имамо: 1 z 2 out

V out = (V out ⋅ V

)

R

⇒ V out =

R2 +

V in =

1 2

2π fRC 1 + (2π fRC )

2

V in

2

ω C

Последњи израз представља .... ел. ел. кола( кола(занемарујући фазни помак) помак) Лако се види да при веома ниским фреквенцијама високимреквенцијама однос

V out V in

V out V in

→ 0 , док при веома

→1

Може се дефинисати -3dB -3dB критична тачка за сваки филтер. филтер. Те је ова вредност фреквенције вредност улазног напона. напона . Тада је: је: ω C RC = 1 ⇒ ω C =

1

RC

f =

1 2π RC

Напомена: Напомена : Јасно је да за пошто кондензатор не пропушта V out једносмерну струју . V in 2

Скрипта


3.Пасивни RC филтар пропусник ниских учестаности

-Заменом места R и C у колу за пасивни RC филтар пропусник високих учестаности добијамо супротан ефекат. R j ⎞ ⎛ V in V out V in ⎜ R + ⎟ V in V in ω C ⎠ ⎝ = = I = z total

R−

j

R + 2

ω C

C

1

ω 2 C 2

j ⎞ 2 2 ⎛ ⎜R + ⎟ω C j j ⎝ ω C ⎠ V out = I ⋅ z C = − I = V in ⋅ ω C ω C 1 + R 2ω 2 C 2 j ⎞ 2 2 ⎛ ⎜R + ⎟ω C (1 + jRC ω ) ω C ⎠ ⎝ ⇒ V out = − j = V V in in 1 + R 2ω 2 C 2 1 + R 2ω 2 C 2

⇒ V out =

(V

-Јасно је да

* out ⋅ V out )

V out V in

⇒ V out =

→ 1 (f → 1),

V out V in

Vin 1 + R 2ω 2 C 2

=

Vin 1 + (2π fRC )

2

→ 0 (f → ∞ )

Као и код RC филтара пропусника високих учестаности критична вредност је дефинисана са: ω =

1 RC

Могуће је RC филтар пропусник ниских учестаности посматрати као сигнални извор. Ако имамо савршен напонски извор (нулта унутрашња отпорност) филтеров излаз изгледа као на ниским фреквенцијама (овакав извор се може заменити шантом). Он опада на нулу при високим фреквенцијама када кондензатор доминира у излазној импеданси. Сигнал који пролази кроз филтер види оптерећење на отпорнику R и одвони отпор који пад на К на високим фреквенцијама. Уобичајено је користити log -осу за х-осу (оса октава), док је на y-оси однос

V in V out

који посматрамо као децибеле. Може се проказати и график фазног помака.

3

Скрипта


5.Паралелно RLC коло

Комбинујући кондензаторе са завојницама или ако их користимо у специјалним ел. колима која се називају активни филтери могуће је направити коло са веома оштром фреквентном карактеристиком (изражен пик као одговор систему на одређеној фреквенци). R

V in

V out L

C

1 z LC

=

1 z L

⇒ z LC =

+

1 z C

=

1 jω L

−

1 ⎞ ⎛ = j ⎜ ω C − ⎟ j ω L ⎠ ⎝

ω C

j 1 ω L

− ω C

Комбинујући Z LC са R у серијској вези добијемо разделник напона због фазне разлике кондензатора и завојнице од π, ова два елемента су 1 R− j супростављени, па када је: 1 − ω C V in V in 1 L ω 1 = = V in I = f 0 = = ω C ⇒ 1 1 z 2π LC ω L total R+ j R2 + 2 1 1 ⎛ ⎞ − ω C − ω C ⎟ ⎜ ω L ⎝ ω L ⎠ 1 jR 2 ⎛ 1 ⎞ 1 − ω C − ω C ⎟ ω L ⎜ 1 ω L * ⎝ ⎠ = ⋅ = ⇒ = ⋅ V out I z LC V in V out (V out V out )2 1 R2 + 2 ⎛ 1 ⎞ − ω C ⎟ ⎜ ω L ⎝ ⎠

⇒ V out = V in

1 1 ω L

− ω C

Ширина пика је ограничена губитцима у кондензатору и завојници, али погоднијим избором C и L овај проблем се може решити, тј. V in Може се постићи резонантна фреквенција. Мера оштрине пика се V out назива фактор доброте. Фактор доброте Q је однос резонантне фреквенце и ширине на тачки. За паралелно RLC коло је: ω ω Q= 0 = 0 1 ω C 4 RC

resonance

f 0

Скрипта


4.Серијско RLC коло

Друга варијанта при комбиновању и је редна веза. z LC = jω L −

1 ⎞ ⎛ = j⎜ ω L − ⎟ ω C ω C ⎠ ⎝

j

1 ⎞ ⎛ ⇒ z total = R + z LC = R + j⎜ ω L − ⎟ ω C ⎠ ⎝

I =

Vin Z total

=

V in 1 ⎞ ⎛ R + j⎜ ω L − ⎟ ω C ⎠ ⎝

⎡ ⎢R − ⎣ V out = V in

⇒ V out = I ⋅ z LC

1 ⎞⎤ ⎛ 1 ⎞ ⎛ j ⎜ ω L − ⎟⎥ j ⎜ ω L − ⎟ ω C ⎠⎦ ⎝ ω C ⎠ ⎝ 1 ⎞ ⎛ R + j ⎜ ω L − ⎟ ω C ⎠ ⎝

2

2

1

V out = (V out V out )2 *

⇒

⎛ ⎝

1 ⎞ ⎟ ω C ⎠ = V in 1 ⎞ ⎛ R + j ⎜ ω L − ⎟ ω C ⎠ ⎝

j ⎜ ω L −

⎛ ⎝

V out = V in ⎜ ω L −

1 ⎞ ⎟ ω C ⎠

Из последњег израза се лако види да

Дакле резонатна фреквенца је:

2

1 ⎞ 1 ⎞ ⎛ ⎛ ⎜ ω L − ⎟ + jR⎜ ω L − ⎟ ω C ⎠ ω C ⎠ ⎝ ⎝ ⇒ V out = V in 2 1 ⎞ ⎛ 2 R + j⎜ ω L − ⎟ ω C ⎠ ⎝

f 0 =

V out

= 0 за ω L −

V in

1 ω C

=0

1 2π LC

Овакво коло представља “замку” за сигнале који су у близини резонантне фреквенце “спуштајући” их у нулу. Фактор доброте за овакво коло је Q = ω 0

L R

5

Скрипта


6.Струјни извори - реализација пасивним елементима

Идеални струјни извор је црна кутија са два извода која одржава константну струју кроз спољашње коло, независно од отпора потрошача или променљивог напона. За идеалне струјне изворе може се обезбедити било какав потребан напон на изводима, док идеални струјни извори имају ограничења на примењене напоне, односно излазна струја није апсолутно константна. Струјни извори могу бити једносмерни или наизменични. Реални струни изворисе разликује од идеалног по томе што код њега постоје унутрашњи губитци енергије. Овакав извор се апроксимира паралелном везом идеалног струјног извора и отпора. Реализација помоћу отпорника: Уколико је R p<
R

I =

V R

Што занчи да је струја (у првој апроксимацији) константна

V p Rp

Проблем при конструисању доброг струјног извора лежи у томе што постоји велика дисипација енергије на отпорнику!

6

Скрипта


7.Тевенинова 7.Тевенинова теорема

Тевенинова теорема тврди да било које коло мрежа отпорника и напонских извора са два излаза (two-terminal) еквивалентна је једном отпорнику R на ред везаном са напонским извором V . Дакле било какав скуп батерија и отпорника може се посматрати као само једна батерија и један отпор. отпор. (Постоји и Нортмова теорема која каже да се исто може урадити и са ... извором паралелно везаним са отпорником) отпорником) Дискусија: Дискусија : V Th хода, па ако се два кола понашају идентично, идентично , Th је напон слободног хода, онда V Th кола. Како је струја кратког споја Th мора бити напон слободног хода датог кола. датог кола ,

V Th = V OC ,

V Th RTh

лако се налази RTh. Дакле: Дакле:

RTh =

V OC I SC

⎧OC − open circuit где су ознаке ⎨ ⎩ SC − shut circuit

Примена метода на разелнике напона: напона : V in

R1

R2

⎫ = V Th ⎪ ⎪ R1 + R2 ⎬⇒ V in ⎪ I SC = ⎪⎭ R1

V OC = V in

V out

R2

RTh =

V Th I SC

R2 ⎧ ⎪⎪V Th = V in R + R 1 2 ⇒⎨ R1 R2 ⎪ RTh = ⎪⎩ R1 + R2

Rth

R1 V in

V th

R2

7

Скрипта


8.Диодни 8.Диодни ограничавач напона

Понекад је пожељно ограничити опсег сигнала, сигнала , тј. тј. спечити пребачај одређене напонске границе. границе. Диода приказана на слици не дозвољава излазном напону вредности веће од +5,6V без ефекта на напоне мање од ове вредности укључујући и негативне напоне. напоне . Разделник напона обезбеђује референтни напон за ограничавач напона. напона. Битно је то да импеданса разделника напона (R vd R што се види из vd) буде мала у порећењу са R што Тевениновог еквивалентног кола. кола. Када диода проводи струју (улазни напон прелази гранишни напон) напон) излаз је исти као излаз разделника напона са Тевениновим еквивалентним отпором одговарајућим референтним напоном мањег отпора. отпора. Порблем је што разделник напопа не обезбеђује стабилни референти напон. напон. Овај проблем се решава довођењем капацитета C редно са R, или још практичније, практичније , коришћењем транзистора и операционих појачавача. појачавача . Посматрамо још једну врсту ограничавач напона. напона . Овакво коло ограничава излазну амплитуду на пад диоде којије приближно 0,6V. Иако овај напон може деловати као веома мали, мали, обично се у следећем колу користи појачавач чији улазни напон мора бити веома мали да не би дошло до “сатурације” сатурације ” излазног сигнала. сигнала .

8

Скрипта


9. Диоде, Диоде, обичне, обичне, Зенер, Зенер, тунел

Диода је веома важан пасиван нелинеаран уређај са два излаза (two-terminal). С обзиром да су у питању нелинеарне компоненте ел. ел. Кола, Кола, ради се о нелинеарној вези струје и напона. напона . На слици за диоду стрелица представља смер протока струје. струје. Напон који одговара некој струји говори о томе колика је разлика потенцијала анодаанода-катода, катода, тј. тј. Колико је анода позитивнија. позитивнија. Ово се назива усмерени пад напона (forward voltage drop) што се тиче повратне стује (reverse corrent) она је реда нанометра за најраспрострањеније диоде, диоде, али само до напонске преломне повратне тачке (око 70V) када стуја почиње нагло да пада. пада. Напон од 0,5 до 0,8V (разлика (разлика анодаанода-катода) катода) је опсег где се дида може третирати као идеални једносмеран проводник. проводник. Битно: Битно: 1) Диода нема отпор (не испуњава Омов закон) закон) 2) Диода у неком колу немају Тевениново еквивалентно коло Треба напоменути да се диоде понашају као исправљачи, исправљачи , тј. тј. “пеглају “пеглају”” наизменичне струје (AC DC), што се односи на сегмент 0,5-0,8V Пример: Пример : синусни сигнал пропуштен кроз диоду постаје полуполу-синусни (одсече се негативни део). део). Зенер диода

Ове диоде се користе за постизање константног напона негде унутар кола што се обезбеђује струјом добијеном из већег напона унутар кола. кола. Зенер диода конвертује опсег при .... струје у нижи опсег напона. напона . Приказан график заправо представља ... регулације ... употребљене струје. струје. Важна особина Зенер диоде је да поседује динамички отпор 9

Скрипта


Зенер диода показује веома добру способност регулисања напона. Посматрамо струју кроз Зенер диоду каја се добија из извора високог напона негде у колу. I =

V in −V out R

⇒ ∆I =

⇒ ∆V out = Rdyn ⋅ ∆I =

∆V in − ∆V out R Rdyn R

(∆V in − ∆V out ) ⇒

∆V out =

Rdyn R + Rdyn

∆V in

Последњи израз показује да се за напонске промене коло понаша као разделник напона, при чему Зенер својим динамичким отпором мења отпорник који се на том месту налази у V. Ово је, заправо, својство унутрашњег отпора. Тунел диода

Тунел диода у области између и има негативан униутрашњи отпор. Ово је веома битна чињеница (последица) пошто је разделник напона сашињен од отпора и тунел диоде може сматрати појашавашем. За мали напон важи: Где је r t – унутрашњи отпор тунел диоде, а представља малу промену сигнала (Vsig=∆Vsig). Како на карактеристичној кривој r t<0 између A и B, онда за r t≈R, па је именилац близак нули, онда се коло појачава (Vout>Vin)

10

Скрипта


10.RC коло диференцијатори

Напон на кодензатору је: V C = V in − V ⇒

⇒ I = C

d dt

(V in − V ) =

V R

Ако изаберемо R и C довољно мале онда тако да dV dt

онда C

dV in dt

≈

V R

⇒

V (t ) = RC

<<

dV in dt

,

d

V in (t ) dt

Поселдњи израз нам даје однос излазног напона и брзине промене улазног напона. Да би смо одржали мара бити мало, али такође не сме бити сувише мало јер при прелазу промена напона на кондензатору је мала, па је R ефективно оптерећење које види извор. Бољи закључци се изводе ако све посматрамо у фреквентном домену. Посматрајмо исто коло чији извор даје правоугаоне таласе. Тада ће се на излазу јавити пулсни таласи. Ова два графика нам показују да су RC диференцијатори добри за детектовање нагнутих ивица и засеке код пулсних сигнала. Пример:

RC диференцијатор генерише пулсни одзив у улазни сигнал током транзиције, а излазни бафер преводи шиљак у узани правоугаони пулс. Негативни шиљци ће бити мали због диоде. Диференирање нечега нам помаже да нађемо проблем и елиминишемо га.

11

Скрипта


11.RC коло интегратори

Ако желимо да V <
dV dt

=

V in R

⇒ V (t ) =

1

RC

∫ V (t )dt + const in

Последњи израз показује да се коло понаша као интеграл по времену улазног сигнала. Како функционише примењена апроксимација за правоугаони талас? C

dV dt

=

V in R

⇒

dV dt

+

V V = in RC RC 1

dV

Хомогено решење:

dt

=−

V RC

Партикуларно решење: V p = C *

⇒

⇒

V (t ) = V in + Ae

−

⇒ V = Ae

⇒

−

t RC

V C * = in RC RC 1

⇒ C * = V in

t RC

, а како V (t = 0 ) = 0 ⇒

A = −V in

t − ⎛ ⎞ RC ⎟ V (t ) = V in ⎜1 + e ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

Из обика функционалне зависности видимо да је прва апроксимација линеарна функција (интеграл константе); што је веће RC , то је боља апроксимација идеалном правом. Може се такође приметити да услов V << V in ⇔ I ~ V in 12

Скрипта


12.Сигнали

Сигнали нам показују начине промене напона са временом. Синусоидни сигнал

V=Asinωt , где је А амплитуда , ω=2π f , f - фреквенца осциловања Важност и велика примењивост (распрострањеност) синусних сигнала потиче од тога што је синусна ф-ја, заправо, решење одређених линеарних диф. једначина које описују многа својства ел. кола. Када у колу имамо два извора синусних сигнала, онда ће резултујући сигнал у колу бити њихова суперпозиција, дакле синус, с тим што ће, генерално, имати измењену амплитуду и фазу. 0(A+B)=0(A)+0(B) Амплитуда сигнала и децибели

Поред уобичајене амплитуде, могу се користити рр амплитуде (peak-to-peak), што је заправо, двострука амплитуда. Други појам је средња квадратна вредност амлитуде(root-mean-square). Наравно, овако уведени рр амплитуда и нус амплитуда се односе на синусни сигнал. Уколико желимо да упоредимо амплитуде два сигнала, онда је пожељно то учинити у децибелима: dB = 20 log10

A1 A2

∨ dB = 10 log10

p2 p1

први израз се односи на амплитуде два сигнала, а други на нивое снаге два сигнала.

Линеарна функција (ramp)

13

Скрипта


Троугаони сигнал

Овај сигнал је веома близак линеарној функцији и представља заправо просто симетричну линеарну ф-ју (у односу на тачке прелома)

Шум (noise) Сигнали који нас интересују, најчешће се помешају са шумом (произвољног облика и термалног порекла). Напон шума се може окарактерисати својим фреквентним спектром (снага по херцу) или амплитудском расподелом. Један од најчешћих начина појављивања шума је бели Гаусов шум ограничен у тракастом слоју (опсег напона) што значи да постоји сигнал са једнаком снагом по херцу у неком појасу (траци) и да велики број брзих мерења амплитуде даје гаусову зрнасту криву. Овај шум постоји код отпорника (Џонсонов шум). Правоугаони таласи

Као и синусни таласи окарактерисани су амплитудом и фреквенцом. Линеарно ел. коло које излажемо правоугаоним таласима ретко “одговара” истима. За правоугаони талас је: Anus=A Реално ивице правоугаоног таласа нису оштре већ нешто савијене то је последица тога што је потребно неко време ел. колу да би се стабилизовало. tr -време стабилизације (“подизање” система)

14

Скрипта


Пулс

Пулсни сигнал дефинисан је амплитудом и ширином пулса. Генерисањем више пулсева узастопно можемо говорити о њиховој фреквенци, тј. вредности која карактерише понављање пулсева (pulse repetition period). Могу бити позитивно и негативно поларизовани (у зависности од тога да ли се пулсни сигнал креће напред или назад) Степенице и шиљци (steps and spikes)

Степ функција је део правоугаоног таласа, а шиљак (spike) је скок напона који веома брзо исчезава.

15

Скрипта


13.Кондензатори и АС-кола

Кондензатори, завојнице и отпорници предстаљају тријаду пасивних елемената сваког линеарног кола. Кондензатори се користе за генерисање таласа као филтер и блокер, такође и као делови диференцијатора и интегратора. У комбинацији са завојницом чине оштре филтере који служе за издвајање жељеног сигнала од укупног. Кондензатор је уређај из кага су изведене две проводне жице, и има својство .

Q=C V . Кондензатори капацитета C са разликом потенцијала V међу плочама има +Q наелектрисање на једној и – Q на другој плочи. У првој апроксимацији, кондензатори се могу посматрати као једноставни фреквентно-зависни отпорници. Ово својство омогућава конструисање фрев.-зависних разделника напона. Још једна битна карактеристика је да кондензарори не дисипирају енергију пошто π

постоји фазна разлика стрије и напона од

2

.

Узимајући у обзир по времену основне ј-не кондензатора: Q = CV ⇒

dQ dt

= C

dV dt

⇒

I = C

dV dt

струја није пропорционална напону већ брзини промене напона. Геометријске карактеристике кондензатора су веома једноставне јер то је, заправо, систек од 2 проводника који се налазе веома близу али се не додирују. Како је C = ε 0 ε r

S d

видимо да је капацитет тиме већи уколико је већа заједничка површина,

а проводници су ближи. Такође се ради повеђења капацитета, пожељно унети што бољи диелектрик између плоча кондензатора. Паралелна и редна веза C 1

C total V = Qtotal = Q1 + Q2 + ... + Q N C total V = V (C 1 + C 2 + ... + C N ) ⇒

C 2 ( paralel )

C total

N

= ∑ C k k =1

C N

V = V 1 + V 2 + ... + V N

Q C total 16

=

Q C 1

+

Q C 2

+ ... +

Q C N

⇒

( serie ) = C total

C 1

1 N

∑ C

k

k =1

C 2

C N

Скрипта


14.Биполарни транзистори: струјни појачавач

Транзистор је тротермални уређај (три излаза) који се јавља у 2 облика npn и pnp. Oсобине npn су (особине pnp су инверзне по поларности): 1) Колектор је позитивнији од емитера (V CE >0) 2) В-Е и В-С кола се понашају као диоде. В-Е диода је проводна, док је В-С супротно постављена, тј. пад напона је супротно орјентисан од тока струје. 3) Сваки транзистор поседује лимит тј. максималне верности I C, I B V CE . Постоје и друга ограничења нпр. Снага дисипације(I C V CE ), температура, V BE ,... 4) Када су испуњена прва три правила I C~I B, тј. I C=h FeI B=β I B, тј. I C =β I B, при чему је β=100 и назива се струјно појачање. Обе струје IC и IB пролазе кроз емитер Поседује наведено својство, тј. I C =β I B, нам говори о сврсисходности транзистора: Мала струја која долази у базу контролише много већу струју у колектору. Напомена: параметар β није “добар” параметар. Зависи од особина датог транзистора, али и од струје колектора, напона колектор-емитер, као и од температуре. Коло које зависи од β је “лоше” коло. Друго својство има једну важну последицу која се састоји у томе да не можемо наметати напон на базу-емитер излазима јер ће веома велика струја тећи кроз базу ако је она позитивнија од емитера за више од 0,6-0,8V. Ово би, аутоматски, довело до пада диоде! Дакле закључак је да важи V B≈V E +0,6V (npn) Битно је још нагласити, струју колектора не треба посматрати као провођење диоде. Својства колектор-база “диоде” и диоде (реалне) нису иста!

17

Скрипта


15.Tранзисторски појачавач

Примена транзистора при којој мала контролна струја омогућава постојање много веће струје у другом колу назива се транзисторски појачавач. Четврто својство транзистора нам каже да је при отвореном прекидачу струја колектора једнака нули! Дакле лампица не сија Укључимо ли прекидач, пошто је V B=0,6V, па је пад напона на улазном отпору 9,4V што значи да је I B=9,4mA за β ≈100 I C=940 mA. Ово је немогуће јер колекторска струја која протиче кроз лампицу од 100mA генерисана је падом напона од 10V. Дакле, уколико желимо I C>100mA потребно је V C<0 што је немогуће, Уколико користимо већу струју базе него что је потребно (9,4mA уместо 1,0mA), ту нам може помоћи за достизање потпуне сатурације. То је потребно јер лампа боље ........... Да бисмо били сигурни да се база налази на нултом потенцијалу при отвореном прекидачу, спајамо базу преко отпорника (10k Ω) са земљом. Присуство овог отпорника неће се одразити на активно коло (струја коју одводи овај проводник је 0,6mA што се може занемарити). При конструисању кондензатора транзисторских пркидача важно је знати: 1) Бирамо отпор на бази тако да добијемо базну струју “у вишку”. Ово је нарочито значајно када имамо потрошача у колу (лампица) јер се параметар β редукује при ниским V CE 2) Уколико, из неког разлога, отпор осцилује испод нулте вредности, користимо диоду на ред везану са колектором да бисмо спречили колекторбаза провођење при негативним осцилацијама. 3) Када користимо завојницу, потрeбна је диода преко отпора да бисмо заштитили транзистор. Без диоде завојница условљава осцилације колектора до великих позитивних напона када је прекидач отворен. Ово условљава прелазак критичног напона V CE .

18

Скрипта


16.Eмитер фоловер (emitter follower)

Назив потиче од тога што је излазни терминал емитер који прати улаз (базу) умањено за пад диоде: V E ≈ V B − 0,6V излаз је копија улаза али умањено за ≈ 0,6V

Јасно је да V in мора бити барем за 0,6V позитивнију од V out иначе ће на излазу бити нулти напон. Такође види се да код емитер фоловера нема отпора на колектору. Битно је да је улазна импеданса много већа од излазне, што значи да коло “захтева” мање ........ сигнал неког унутрашњег отпора пролази кроз упо… или чак мањи отпор и то без губитка (опадања) амплитуде (типичан ефекат разделника напона). Дакле емитер фоловер поседује струјно појачање иако нема напонског појачања. Импеданса извора и отпори. Улазна и излазна импеданса емитер фоловера.

Генерално, ефекат отпора се састоји у томе да се у наредном стању очекује и појављује редукција сигнала. Из овог разлога је потребно одржавати z out <
∆I =

∆V B R

, a како I E = I C + I B

⇒

∆I E ∆V B ⇒ r in = h fe +1)R Како је улазни отпор 1 + h fe ∆I B

Ознака значи да се ради о ниским вредностима сигнала. Разлика и првог струјног појачања се не може тако лако направити, па је (….на веома високим реквенцијама) Генерализацијом на комплексне бројеве имамо: z in = (h fe +1)z out тј z out =

z source h fe + 1 19

Скрипта


Важно у вези емитер фоловера

1) На основу 4. правила за емитер фоловер са слике транзистор се може посматрати као струјни извор. Излазни сигнал у овом колу може осциловати само унутар сатуризационог пада напона транзистора (око +9,9), али не може бити негативније од -5. ово се дешава јер при веома негативном осциловању долази до искључења травзистора! Даља промена улазног сигнала у негативном смеру повлачи повратни поремећај на бази-емитер споју. 2) Повратна тачка пада напона база-емитер је веома мала. Често улазни сигнал осцилује тако да је неминовно достизање ове тачке што резултира непроводношћу транзистора и негативном паду. Овај проблем се решава додавањем диоде. 3) Напонско појачање је обично нешто мање од 1 пошто пад напона базаемитер није константан већ слабо зависи од карактеристике струје.

20

Скрипта


17.Транзисторски струјни извор

Струјни изври су одлични за постављање преднапонских транзисторима. На слици је дата најпростија апроксимација за струјни извор. Докле год је Rload <
I =

V R

. Потрошач у колу не мора бити отпоран.

Кондензатор се пуни константном брзином све док је V capacitator <0,6Vшто нам обезбеђује увек проводан емитер. V E =V B-0,6V ⇒ I E =

V E R E

=

V B − 0,6V RE

Како је I E ≈ I C за велико hFe

⇒ I C =

V B − 0,6V RE

Што је независно од V B све док немамо сатурацију транзистора

(V C> V E+0,2V). Преднапон струјног извора

Напон базе може се обезбедити на велики број начина један од нијх је коришћење стабилног разделника напона. Критеријум је да је импеданса много мања од DC– импедансе која одговара бази (hFeRE ). Такође можемо користити и Зенер диоду прикњучену на напон. Треба рећи да како постоје струјни извори тако постоје и струјни ....Назив, очигледно

21

Скрипта


одговара смеру стује. Ако се у колу струја .... у тачки, онда је .... Струјни извор обезбеђује константну струју кроз потрошач само у одређеном опсегу напона на потрошачу уколико би било могуће супротно то би значило да можемо обезбедити бесконачну снагу. Опсег излазног напона у коме се извор понаша добро назива се излазно слагање. За транзисторски струјни извор то је скуп услова при којима транзистор остаје у активној области. Напон на колектору се може мењати од вредности блиске сатурацији до напона напајања.

22

Скрипта


18.Потрошач са заједничким емитером

Разматрајмо струјни извор са отпорником као потрошачем. Напон на колектору је: V C = V CC − I C RC . Уколико преко кондензатора спојимо извор сигнала са базом, доћиће до мењања напона на колектору. Капацитет бирамо тако да су све фреквенце од интереса пропуштене RC филтером-пропусником високих учестаности. Уколико направимо малу промену напона на бази , она је праћена малом променом напона на емитеру v i E = vout vin

v E RE

=−

=

vB RE

RC RE

E

= V B . Последица тога је мала промена струје емитера:

vC = −iC RC = v B

RC RE

⇒ oчигледно, у питању је напонски појачавач

Знак минис говори о томе да се мала позитивна промена на улазу

претвара у малу негативну промену на излазу. Ово се назива појачавач са заједничким емитером са дгенерацијом емитера. Излазни сигнал се посматра на колектору. Помоћу кондензатора C можемо довести сигнал на базу као тако да се мења V C. С се бира тако да се пропуштају све фреквенце које нас занимају преко филтера пропусника високих учестаности који чине C и R1||R2. Улазна и излаина импеданса појачавача са заједничким емитером

Улазни сигнал види R1||R2||Rb, при чему је Rb=β RE . Као што је већ речено, кондензатор спојен са базом у овом случају чини пропусник високих учестаности. На излазу је импеданса RC RC ' , где је RC ' отпор који види колектор и који је веома велики, тако да је укупни отпор око RE . Као код емитер фоловера пошто је отпор који види колектор велики, а отпор који види емитер је мали. Такође, иколико склонимо добијемо струјни извор. Вреди још напоменути да иако ће у излазној импеданси степена са заједничким емитером доминирати RC , у емитер фоловеру неће домунирати RE , већ импеданса коју види емитер.

23

Скрипта


19.Коло за померање фазе

Раздвајање фазе

Овим колом ми генеришемо на излазу како сигнал, тако и његов инверзни који је помера за . Ово се веома лако добија са дегенерисаним појачавачем са заједничким емитером, где је појачање: G=-1 Битно је нагласити да фазни раздвајач мора бити оптрећен једнаким отпорима на излазима 1 и 2, да бисмо одржали симетрију појачања. R C = RE Померање фазе

Овакво коло даје за синусни сигнал излазни сиусни сигнал са фазом која може да се подешава (0-π), али са константном амплитудом. Коло за померање фазе се може најлакше разумети применом азорског дијаграма: Улазни сигнал представља се јединичним вектором, вектори и морају бити под правим углом и у збиру морају дати вектор дуж реалне осе, што је последица тога да мора бити јединичне норме пошто је појачање јединично. Теорема из геометрије каже да је геометријско место тачака у том случају круг. То значи да резултујући вектор има увек јединичну дужину док фаза може да варира од до. Ово зависи од улазног сигнала пошто маоже да се креће од нуле до вредности много веће од. Такође, постоји зависност од фреквенце улазног сигнала за дато. Филтар-пропусник висоих (или ниских) учестаности се може, дакле, користити за померање фазе. Ипак његова амплитуда може знатно да се мења за фиксирани фазни помак. Коло за раздвајање фазе може да се користи за напајање кола за померање фазе. Идеално би било када би потрошач имао импедансу која је веома велика у поређењу са и . 24

Скрипта


20.Еберс-Молов модел транзистора

Важна промена је у својству 4 транзистора које каже да је: I C = hFe I B . Посматрали смо транзистор као струјни појачавач чије се улазно коло понаша као диода. Ово је приближно тачно и за нека кола сасвим довољно добро, али да бисмо разумели диференцијалне појачаваче потребно је транзистор посматрати као транскондукциони уређај – струја колектора је одређена помоћу напона базаемитер (I c V BE ) Кондуктанса(проводност) је инверзна отпору. Ако неки појачавач има појачање у јединицама кондуктансе, онда је то појачавач транскондуктансе . g m =

I out vin

Модификација особине 4: Правила 1-3 су задовољена и I C зависи од V BE као:

⎛ V V ⎞ Еберс-Молова једначина (апроксимативан опис карактеристике ⎜ I C = I S e − 1⎟ диоде, ако помножимо са где ) ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ BE T

Где је: V T =

kT q

, где је k – Болцманова константа, Т -температура и q– наелектрисање

електрона I S-струја сатурације одређеног транзистора (зависи од Т ) Струја кроз базу I B која завоси V BE од може се апроксимирати са: I B =

I C hFe

где се hFe– креће од 20 до 1000 и зависи од типа транзистора, I C, V BE ,

температуре. Струја представља повратну струју одвођења у активној области је I C>> I S, па се члан -1 у Еберс-Моловој једначини може занемарити у односу на експоненцијални члан. Битно: I C је тачније одређена преко V BE него I B (пошто је I B грубо одређена преко hFe) и овај експериментални закон је тачан за огроман опсег струја. Проблем неупотребљивости овде реченог у пракси постоји због температурног коефицијинта за V BE .

25

Скрипта


Практична правила за дизајн трансформатора (из Еберс-Молове једначине)

1) Нагиб диодне карактеристике, тј. за колико је потрбно повећати да би се побвећала 10 пута. Из Еберс-Молове јед. ∆V BE = V Т ln 10 2) Импеданса коју види емитер (за слаб сигнал) када је V BE фиксно: V BE

V T ∂V Be 1 ∂V = r e ⇒ 1 = I S e V ⋅ ⋅ BE ⇒ r e = I C ∂I C V T ∂I C T

3) Температурна зависност је сугерисана позитиван температурни коефицијент.

Еберс-Моловим изразом има

4) Ерлијев ефекат: V BE се веома мало мења са променом при константном I C, односно: ∆V BE = −α ∆V CE , α<<1

26

Скрипта


21.EM-емитер фоловер

Еберс-Молов модел предвиђа да ће емитер фоловер имати ненулту излазну инпедансу, чак и кад имамо напајање напонским извором што је проузроковано коначним. Исти ефекат утиче на то да је напонско појачање нешто мање од 1, пошто са потрошачем чини разделник напона. Ови ефекти се лако рачунају: за фиксан напон на бази V B, импеданса коју види емитер је: Rout =

∂V BE , али I E ≈ I C па је Rout ≈ r e ∂I E

Случајеви: Потрошач (load) види импедансу (иначе r e||RE , али у пракси је увек RE >>r e)

Овде је приказана још типичнија ситуаија пошто имамо коначан отпор извора RS . У овом случају је излазна импеданса: Rout = r e +

RS hFe

, што опет чини праралелну везу са RE ( Rout ||RE ),

али RE >>Rout , па се R занемарује. Закључак: r e је унутрашња импеданса емитера и фигурира у изразу за улазну импедансу емитер фоловера као да се налази у редној вези са потрошачем (или тачније редно са паралелном везом потрошача и отпорника на емитеру). Ефекет ЕМ модела на коло емитер фоловера се састоји у томе да се у раније резултате додаје серијски отпор. Напонско појачање је: G = G=

v out vin

=

Rp r e + R p

, или изражено преко транскондуктансе

R p g m 1 + R p g m

27

Скрипта


22.ЕМ-појачавач са заједничким емитером

Грешка за обичан појачавач са заједничким степеном је у томе што смо узели да је отпор на емитеру нула, што није тачно јер транзистор има уграђен унутрашњи отпор на емитру r e који се мора додати на укупни спољашњи отпор емитера. Ово је значајно само за мале . Такође, улазна импеданса није нула као што је речено раније, већ је hFeV E. Уземљени појачавач са заједничким емитером има RE =0. Проблем са оваквим колом је у томе што појачање које добијамо са RE =0 доноси потешкоће код других својстава појачавача. [1] Нелинеарност. Појачање варира у зависности од I C, односно R 1 G = − g m RC = − C = − RC I C пошто је r e 25mV r e =

25mV

I C

, па је G ~ I C

Како варира са излазним сигналом, онда варира и G. Појачавач има велику дисторзију, тј. лошу линеарност и уземљени појачавач је користан само при малим осцилацијама око тачке мировања. Појачавач са дегенерисаним емитером има појачање које је, независно од I C докле год RE >>r e. [2] Влажна импеданса z in = hFe r e = 25hFe

1

I C

I C е мења са малим променама улазног сигнала дајући променљиву улазну импедансу. Дакле, добијамо нелинеарност због нелинеарне промене разделника напона формираног од сигнала и z in. Са друге стране, појачавач са дегенерисаним емитером има z in која је константна и висока. [3] Biasing. Уземљени емитер појачавач је тежак за . Не можемо довести напон из разделника који даје струју из ЕМ једначине, због температурне зависности V BE за 1⎞ ⎛ фиксирано I C ⎜V BE ~ ⎟ . T ⎠ ⎝

28

Скрипта


23.Струјна огледала

Струјно огледало се реализује спојеним базаемитер. Огледало се “програмира“ понирујућом струјом из колектора. Ово проузрокује напон за који одговара овој струји на одређеној температури кала за дати тип транзистора.који је спојем са је програмиран тако да даје исту струју за потошач. Постоји напонска сагласност излазног транзисторског струјног извора са пошто нема пада напона на отпору емитера. Често је потребно “програмирати” одређену струју неком другом струјом. Лак начин да се генерише контролна струја I C је користити отпорник R. Пошто су базе транзистора Q1и Q2 испод напона за један пад напона на диоди (0,6V) онда отпор од R=14,4k Ω даје I p=I =1mA. Струјна огледала се често користе где год је потребан струјни извор. Ограничења због Ерлијевог ефекта ∆V B = α ∆V CE

Проблем који се може јавити је да се излазна струја помало мења са променом излазног напона и то због тога што излазна импеданса није бесконачна. Ово је због мале варијације V BE са V C на датој струји у Q2. Другим речима, зависност струје колектора од напона колектор-емитер при фиксираном напону V BE није равна и преко 25% изван опсега сагласнос

29

Скрипта


Вилсоново (Wilson) огледало

Q1 и Q2 су у уобичајеној конфигурацији за огледало док Q3 одржава колектор од Q1 а два диодна пада напона од V CC . Последица оваквог кола је да нема ерлијевог ефекта у Q1 ији је колектор сада извод за програмирање, а Q2 је сада напајање за излазну струју. Са треће стране, Q3 не утиче на однос струја јер је занемарљива и његова (Q3)функција је само да одржава V C1 . Оба транзистора која одређују струју (Q1 и Q2 ) имају фиксиран напон V CE . Q3 може да се посматра као да само пропушта излазну струју кроз потрошач променљивог напона.

30

Скрипта


24.Пуш-пул (push-pull) излазни степени

npn емитер фоловер не може да понире струју, pnp не може да буде струјни извор. Емитер фоловер који ради између сплит извора може да напаја уземљени потрошач само ако је употребљена велика стабилна струја (појачавач А класе). Ова струја мора бити најмање јачине максимума излазне струје. Због постојања пикова струје у таласном облику имамо делику дисипацију снаге. Q1 проводи када је V BE 1>0,6V. Улазни сигнал се мења и када улазни напон пређе Q1 је активан, док је Q2 закочен јер је и V BE 2>0,6V (Q2 је активан за V BE 2<-0,6V). V out прати V in с тим што је мањи за 0,6V (Q1 се понаша као емитер фоловер). За V in<-0,6V, Q2 је у активном режиму, a Q1 је закочен, па је: vo = vi + 0,6V За V in између -0,6V и 0,6V оба транзистора су закочена и излаз је нула, па имао кросовер (crossover) дисторзију. Решење за дисторзију Отпор R који служе за bias, доводе диоде у проводност диже V B1 за један диодни пад изнад, а V B2 испод улазног. Када улазни сигнал пређе нулу провођење прелази са Q1 на Q2 што практично значи да увек проводи један од транзистора. Овакав појавач (Б калсе) има једну велику ману: температурна нестабилност. Како се излазни транзистори загравају (пошто дисипирају снагу када се доводи сигнал) њихов V BE опада, а самим тим и струја I C

31

Скрипта


25.Дарлингтон (Darlington-Sziklai) веза

Дарлингтон веза

Овако повезана два транзистора се понашају као један транзистор са β = β 1 β 2 . Овакво коло је нарочито погодно када имамо велике струје или за улазне степене појачавача где је потребна веома велика улазна импеданса. Код Дарлингтон транзистора пад напона база-емитер је: V BE ( Dart ) = 2V BE (normal ) Док је напон сатурације једнак барем једном диодном паду (емитер мора имати диодни пад изнад емитера од Q2). Оваква комбинација се понаша као спор транзистор јер Q1 не може брзо да искључи Q2. Овај проблем се решава укључивањем отпорника између базе и емитра у Дарлингтон вези. Отпорник R спречава одвођење струје кроз Q1 од biasing-a Q2 у проводност. Вредност отпора R се бира тако да струја одвођења кроз Q1 даје мање од једног диодног пада кроз R, тако да R није понор за велики део струје базе од Q1 (I B2)кад постоји пад на њему. Sziklai веза

Ово је npn транзистор, такође са великим β . Некад се назива комплементаран Дарлингтон. Има само један пад напона базаемитер, али не може, такође, ни да буде у сатурацији за напон испод диодног пада. И овде се може додати један отпорник од базе до емитера што је уобичајено у излазним степенима за пуш-пул када нам је потребан само један поларитет излазног сигнала. Такво је следеће коло. Дарлигтон Q2Q3 се понаша као npn са високим струјним појачањем, док је Sziklai повезан пар Q4Q5 који pnp спој са великим напонским појачањем. Отпори R3 и R4 су као и раније веома мали. Ово коло се некад назива псеудокомплементарно пуш-пул фоловеру. Право комплементарно би имало Дарлингтон везу на pnp споју Q4Q5. 32

Скрипта


26.Диференцијални појачавач

Користи се да повећа напонску разлику између два улазна сигнала. Идеални диференцијални појачавач је независтан од индивудуалних нивоа сигнала износи само од њихове разлике. Када оба улаза мењају нивое истовремено онда се то назива: common-mode улазна промена. Промена разлике се назива normal-mode улазна промена. Добар диференцијални појачавач има велику вредност CMRR. CMRR je такозвани фактор потискивања који представља однос диференцијалног и средњег појачања (normal-mode одређује диференцијално, а common-mode средње појачање). Овакви појачавачи служе за раздвајање слабих сигнала од шума. Основно коло

Излаз је изведен из једног од колектора, па се ово назива излаз са једним крајем. Ово коло појачава разлику сигнала и пребацује то на излаз са једним крајем тако неки други део кола (фоловер, струјни извор) може да искористи излаз. Ако је потребан диференцијални излаз узима се између колектора. Појачање: Ако имамо малу симетричну промену улаза при чему повећавамо улазни сигнал 1, а улаз 2 смањујемо за исти износ, докле год су оба транзистора у активном режиму тачка А је фиксирана. V B1 = I 1 r e + I 1 (RE + R1 ) + I 2 R1 ⎫

⎧V B1 + V B 2 = (I 1 + I 2 )(r e + RE + 2 R1 ) ⎬⇒⎨ V B 2 = I 2 r e + I 2 (RE + R1 ) + I 1 R1 ⎭ ⎩ V B1 − V B 2 = (I 1 − I 2 )(r e + RE ) V + V B 2 V + V B 2 1 1 I 2 = B1 ⋅ − B1 ⋅ ⇒ V O = − I C RC r e + RE + 2 R1 2 2 2(r e + RE ) У овом случају је V B1 + V B 2 = C ⇒ Gdiff =

RC 2(r e + RE )

обично се RE може занемарити, ако доводимо идентичан сигнал на оба улаза онда је: V B1 − V B 2 = 0 ⇒ GCM = −

RC 2 R1 + RE

овде се занемарује r e пошто је R1>>1

33

Скрипта

⇒

CMRR =


Gdiff GCM

≈

R1 r e + RE

(R1>>RE )

Biasing струјног извора

Cammon-mode појачање диференцијалног појачавач се може знатно смањити ако се уместо R1 стави струјни извор. Пошто је R1>>1 ⇒ GCM ≈ 0 Ако се доведе сигал у против фазу струјни извор емитера одржава константну емитрску струју коју симетрично деле два емитера. Излаз је у том случају непромењен. Као и сви транзисторски појачавачи, ово коло мора имати DC bias за базе. Ако је улаз куплован преко кондензатора, онда отпорници морају бити уземљени. Употреба код DC појачавача са једним крајем

Диференцијални појачавач може да прави одличан DC појачавач чак и за улазе са једним крајем. Само се један улаз уземљи, а сигнал веже на други. Q2 има примену пошто компензује температурне промене. Ове промене утичу на једну промену оба напона V BE . Ове промене се не појачавају помоћу , већ које се независно може поставити на нулу. Струјна огледала

Q1Q2 је диференцијални пар са емитерским струјним извором Q3Q4 су струјна огледала и формирају колекторски потрошач. Пошто је велика импеданса потрошача који дају огледала, онда је велико напонско појачање. Овакво коло се често користи као компаратор. Компаратор је коло које говори који је од два улаза већи. За његово реализовање се користи диференцијални појачавач због великог појачања и стабилности. Идеја за реализацију састоји се у томе да се диференцијални појачавач повеже тако да пали и гаси прекидач транзистора у зависности од улазног сигнала. Диференцијални појачавач се користи и као раздвајач фазе.

34

Скрипта


27.Tранзистори са ефектом поља. Типови и карактеристике

FET (field-effect transistor) је другачији од обичног транзистора BJT (bipolar junction transistor). У основи то су слични уређаји у смислу да их можемо звати и уређаји контроле наелектријсања: у оба случаја имамо 3-термални уређај у коме проводност између две електроде зависи од расположивости носиоца наелектрисања, што се може контролисати напоном примењеним на трећој електроди. Основна разлика FET и BJT: 1) У npn BJT спој колектор-база је back-bias, па нема нормалног протока струје. Forward-bias на база-емитер споју одређен је разликом потенцијала од 0,6V при чему је савладан диодна “контактна потенцијална баријера”. Ово изазива да електрони улазе у област базе где су јако привучени од стране колектора, што занчи да добијамо струју колектора која се може контролисати слабијом струјом базе. О овоме говори Еберс-Молова једначина. Биполарни транзистор се може написати као: -струјни појачавач (са приближно константним струјним појачањем β ) -транскондуктансни уређај (Еберс-Молова) 2) У FET проводност је канална и контролисана електричним пољем које је продуковано напоном примењеним на GATE електроди. Не постоји forwardbias па нема струје на GATE. Као и код BJT-a постоје два поларитета: nканални FET (проводност помоћу електрона) и p-канални (проводност помоћу рупа). Такође, постоје различите врсте GATE-a (JFET и MOSFET) и две различите врсте каналног легирања (channel doping) и то су enhancment и depletion mode. FET V -I криве

Посматрајмо n-канални MOSFET у enhancement режиму рада који је аналоган npn биполарном транзистору. У нормалном режиму DRAIN је позитивнији од SOURCE и нема струју у овом смеру све док GATE није позитивнија од SOURCE. Када постоји forward-

35

Скрипта


bias на GATE, постојаће и DRAIN струја која ће тећи ка SOURCE. Поређење фамилија кривих I D(V DS ) и I C(V CE ). Јасно је да постоје многобројне сличности. Као и npn, FET има јако повећану DRAIN импедансу која даје приближно константну струју за V DS >1 или 2. Ово се назива сатурациона област FET-a и одговара активној области. Аналогно BJT-у, већи bias на GETE-SORCE проузрокује већу струју DRAIN. FET се понаша као транскондукциони уређај јер константа DRAIN струја повлачи константан напон GATE-SOURCE, и то виче него ВЈТ (код ВЈТ је ово нарушено због Ерлијевог ефекта).

Иако FET доста подсећа на ВЈТ, постоје неке разлике: 1) Сатурациона DRAIN струја се са повећањем GATE напона (V BS ) споро повећава. Заправо је пропорционална где је праг напона тј овај напон при коме почиње струја (за n-канални MOSFET) I D ~ (V GS − V T )

2

2) Постоји нулта струја, па морамо разматрати као уређај са струјним појачањем. Ако га посматрамо као транскондуктансни уређај можемо применити Еберс-Молов поступак као и за ВЈТ. 3) GATE MOSFETA-a је заита изолован од DRAIN SOURCE канала, па можемо на њега довести жељени напон без бриге о провођењу диоде. 4) FET се разликује од ВЈТ у тако званом линеарном делу графика где се понаша готово као отпорник (чак и за негативне). Еквивалентне DRAIN SOURCE отпор се може програмирати помоћу GATE-SOURCE напона. Типови FET и карактеристике

FET се фабрикује у оба поларитета, баш као и ВЈТ. N-канални MOFET и p-канални MOSFET се понашају симетрично, баш као и npn и pnp ВЈТ. За p-канални MOSFET имамо: DRAIN је наегативнији од SOURCE, и DRAIN струја протиче ако је GATE берем за 1 или 2 волта[V] испод SOURCE. Симетрија није савршена пошто су носиоци

36

Скрипта


наелектрисања рупе, па имамо мању “покретљивост” и “краће време живота носиоца”. Ово су полупроводнички параметри битни за својства транзистора ... У MOSFET (Metal-Oxide-Semiconduktor FET) GATE област је раздвојена од проводног канала танким слојем SiO2 (стакло). GATE (метали или легура силицијума) је одвојен од SOURCE-DRAIN кола и има карактеристичан улазни 14 отпор од >10 Ω, па због ове раздвојености GATE имамо утицај на проводљивост канала само путем електричног поља. MOSFET је лак за коришћење пошто може мењати поларитет у односу на SOURCE без појаве GATE струје. Са друге стране, MOSFET је веома осетљив на статички електрицитет. Додатни терминал је BODY што представља парче силицијума на коме се FET фабрикује. Пошто BODY чини диодни спој са каналом онда мора бити на непроводном напону. У ЈFET (Junction FET) GATE формира полупроводни спој са каналом. Ово има битну последицу: JFET GATE не би требало стављати у forward-bias са каналом да би се спречила GATE струја. На пример диодна проводљивост се јавља уколико GATE n-каналног JFET-a буде +0,6V изнад негативнијег краја канала (што је обично SOURCE). Тада имамо reverse-bias за GATE-channel и нема струје у GATE колу.

37

Скрипта


28.Enchancement, deplation режим рада – прекидачи аналогни, дигитални n-канални MOSFET има нулти bias на GATE, и у стање проводности се доводи уколико је GATE позитивнији у односу на SOURCE. Ова врста FET je такозвана enchancement режим рада. Друга могућност је прерадити n-канални FET са полупроводничким каналом тако да постоји добра канална проводност чак и кад постоји нулти bias GATE, при чему GATE мора имати reverse-bias од неколико волти, тако да нема DRAIN струје. Такав FET ради у deplation режиму рада. MOSFET може радити у оба режима пошто нема рестрикције на поларитет . График зависности I D(DRAIN стуја) од V GS (напон GATE-SOURCE) при фиксираној вредности V D. Овај график нам помаже да разграничино режиме enchancement и deplation. У еnchancement режиму рада нема DRAIN струје докле год није GATE позитивнији у односу на SOURCE. Са друге стране deplation режим рада је оперативан при максималној вредности DRAIN струје при чему је напон GATE једнак напону SOURCE. Види се да JFET увек ради у deplation режиму и GATE не може бити више од 0,5V позитивнији од SOURCE, пошто би GATE-channel диода била проводна. У пракси: 1) JFET-deplation режим рада; 2) MOSFET-enchancement режим рада Аналогни и дигитални прекидачи На слици је MOSFET прекидач који је еквивалентан ВЈТ прекидачу. Примењујемо DC напон пуних осцилација на кооперативни високоимпедантни GATE. Докле год се укључени FET понаша као мали отпор у односу на потрошача DRAIN струја је око нуле (R<0,2Ω) Aналогни прекидач се може релизовати помоћу биполарног транзистора. Идеја је укључити проводност FET из кола (на GATE reversebias) што проузрокује блокирање или пропуштање аналогног сигнала. Коло уређујемо тако да GATE буде негативнији од било ког улазног сигнала (отворен прекидач) или да буде пар волти позитивнији (затворен прекидач) 38

Скрипта


29.JFET струјни извор За струјни извор бирамо JFET уместо MOSFET пошто нам је потребан GATE bias, па је у питању deplation режима рада. Са графика за FET DRAIN карактеристику види се да ће струја бити готово константана за које је веће од неколико волти. Али због ширења I DSS (струја од DRAIN до SOURCE када је GATE кратко спојен са SOURCE), струја је непредвидива. Струје JFET струјних извора су аналогне зенер диоди. График зависности I од V показује добру стабилност, односно константност струје све до критичне тачке напона (break-down voltage). Константна струја се постиже веома брзо, већ око напона од 1,5V.

Self-biasing извора

Варијацијом претходног кола добијамо одговарајући струјни извор. V GS = − I D R

⎛ I R ⎞ I D = I DSS ⎜⎜1 + D ⎟⎟ ⎝ V P ⎠ ⇒ I D = I D (R )

2

39

Скрипта


30.FET појачавачи

Сорс фоловери и FET појачавачи са заједничким SORCE-ом су аналогни емитер фоловерима и појачавачима заједничким емитером код биполарних транзистора. Одсуство DC GATE струје чини могућом реализацију велике улазне импедансе. Овакви појачавачи су есенцијални када имамо посла са сигналним изворима велике импедансе. При конструисању FET појачавача помоћу JFET уобичајено је користити исти self-biasing шему као са JFET струјним извором, са једним GATE-biasing отпорником који је уземљен. Овај отпор може бити веома велики (у мегаомима) пошто је одводна струја GATE веома мала. С друге стране MOSFET захтева разделник из DRAIN напајања или раздвојена напајања баш као код ВЈТ.

Транскондуктанса

Одсуство GATE струје код FET чини транскондуктансу природним параметром појачања за FET. Ово је у супротности са ВЈТ где смо прво на уму имали идеју чисто струјног појачања: g =

iout iin

уместо g m =

iout vin

FET транскондуктанса се лако може проценити из карактеристичне криве, односно као нагиб криве I D = I D (V GS ) . Дакле: g m (I D ) =

id N gs

⇒ добија се напнско појачање GV =

v d v gs

=−

RD id v gs

= − g m RD

што је идентичан резултат оном за ВЈТ (до на замену RD са RC ) Потешкоће: пошто g m зависи од I D могу се јавити извесне варијације у сигналу. С друге стране, FET има значајно мању транскондуктансу од ВЈТ што га чини мање применљивим за појачаваче и фоловере.

40

Скрипта


31.Сорс фоловер (Source folower) Сорс фоловер је аналоган емитер фоловеру и боље га је користити као улазни бафер за конвенционални ВЈТ појачавач него за реализацију FET појачавача за заједничким SOURCE-ом. На овај начин добијамо велику улазну импедансу и нулти DC улазну струју од FET-а, као и велику транскондуктансу од ВЈТ-а тако да можемо постићи велико једностепено појачање. Где год је потребна велика улазна импеданса, као нпр. код улазног степена осцилоскопа, пожељно је користити FET фоловере. Такође, где је потребна мала или занемарљива улазна струја FET-а, сорс фоловер је право решење. На слици је приказан најједноставнији сорс фоловер. Можемо израчунати излазну амплитуду, као и код емитер фоловера, користећи транскондуктансу . v S = RL id пошто се ig може занемарити

⎡ R L g m ⎤ vs = ⎢ ⎥v g ⎣1 + RL g m ⎦

i d = g m v gs = g m v g − v s ) ⇒

Из овога израза се види да за R L >>

1

g m

имамо добар фоловер v s ≈ v g ) са појачањем

које тежи, али никад не достиже, јединицу. Излазна импеданса Желимо да покажемо да је излазна импеданса овог фоловера 1

једнака r e =

25

I C

g m

=

1

g m

, што је аналогно ситуацији код емитер фоловера где је . Ово се може експоненцијлно показати узимајући за

SOURCE струју примењени сигнал и уземљени GATE. DRAIN струја је: id =g m vgs=g mv ⇒

r out =

v id

=

1

g m

што даје неких стотинак ома на

струји од неколико милиампера. Овакво коло има одређене недостатке: 1) релативно висока излазна импеданса значи да је излазни сигнал значајно мањи од улазног, па чак и ако имамо потрошач великог отпора R 2 који са SOURCE излазном импедансом формира разделник. Такође, DRAIN струја се мења заједно са сигналом, па и gm и излазна импеданса варира продукујући нелинеарност (дисторзију) на излазу. 2) Како vgs продукује оперативну струју, а то је слабо контролисан FET параметар, сорс фоловер има непредвидив DC offset 41

Скрипта


Aктивни потрошач (active load)

Додавање пар активних компоненти знатно побољшава својства сорс фоловера. Овакво коло (R L мењамо струјним извором) обезбеђује константним SOURCE струју што чини приближно константним, па редукујемо нелинеарност. Предност је у томе што имамо константну SOURCE струју

⎛ V ⎞ ⎜⎜ I S = BE ⎟⎟ . RB ⎠ ⎝ Претходним колом није решен проблем непредвидивости offset напона V GS (од улаза до излаза). Боље коло користи пар FET-ова за постизање нултог offset-a. У Q2 понире струја у сагласности са условом V GS =0, па је Q1 фоловер са нултим offset-om.

42

Скрипта


32.FET као променљив отпорник 2 ⎡ ⎤ V DS У линеарној области I D = 2k ⎢(V GS − V T )V DS − ⎥ 2 ⎦ ⎣ 2 У сатурацијоној области I D = k (V GS − V T )

⎡

I D = 2 kV DS ⎢(V GS − V T ) −

⎣

V DS 2

V DS ⎤ 2 ⎥⎦

1 R DS

V ⎤ ⎡ = 2k ⎢(V GS − V T ) − DS ⎥ 2 ⎦ ⎣

→ указује на нелинеарност, отпор не би требало да зависи напона!

V DS → 0

RDS ≈

1 2k (V GS − V T )

↑ Напон на гејту мањи од напона при ком је диода изнад прага провођења

RDS ≈

RO (V GO − V T ) V G − V T

R DS =

1 g m

V G = V G (RO ,V GO )

FET као променљив отпорник се ставља у део кола где су осцилације сигнала на опсег V DS у томе се FET понаша као променљив отпорник зависи од FET-a, приближно је пропорционалан разлици V G-V T (или V P ).

43

Скрипта


33.FET прекидач (аналогни). Примери FET (тачније MOSFET) има примену при конструкцији аналогних парекидача и то због: 1) ниског ON отпора 2) високог OFF отпора 3) слабе струје одвођења 4) ниског капацитета Ова својства их чине идеалним напонски контролисаним прекидачким елементима за аналогне сигнале. Идеални аналогни или линеарни прекидач се понаша као механички прекидач: 1) у ОN стању пропушта сигнал ка потрошачу (load) без пригушења или нелинеарности 2) у OFF стању се понаша као отворено коло Q1 je n-канални MOSFET у enchancement режиму рада и непроводан је када је гејт уземљен или негативан. У таквом стању DRAIN-SOURCE отпор је веома велики, па не пролази ни један сигнал (Roff ). Када доведемо позитиван напон од нпр. +15V на GATE, онда је DRAIN-SOURCE канал проводан (RON ~ 25-100Ω типично). Ниво GATE сигнала није критичан све док је довољно позитивнији од највећег сигнала (да би се R ON одржао малим) Такође треба запамтити да је FET прекидач бидирекционалан уређај , тј. да сигнал може ићи у оба смера што је аналогно механичким прекидачима. Приказано коло ће радити докле год позитивни сигнали не прелазе 10V. Ако се прекорачи ова граница сигнал на GATE-у неће бити довољан да одржи FET проводност (због пораста Ron). Такође, уколико је GATE уземљен негативини сигнали ће имплицирати укључивање прекидача. Примери FET аналогних прекидача

1) Прекидачки RC-филтар пропусник ниских учестаности Користимо мултиплексер за извор једног од 4 отпорника са 2-битном дигиталном адресом. Прекидач стављамо на улаз пошто у тачки са нижом сигналном импедансом има ману довода наелектрисања.

44

Скрипта


2) SAMPLE-AND-HOLD Ово коло служи за провођење аналогног сигнала у дигиталне вредности (analog to digital conversion). Идеја је задржати сваки аналогни ниво стабилности док не сазнамо његову праву величину Коло функционише једноставно: улазни бафер једног појачања генерише копију мале импедансе улазног сигнала проводећи је кроз мали кондензатор. Задржавање било ког аналогног нивоа се постиже отварањем прекидача. Други бафер има велику улазну импедансу (овај бафер мора имати улазни FET да би улазна струја била око нуле) што спречава пуњење кондензатора одржава његов напон док се FET прекидач не затвори.

45

Скрипта


34.MOSFET снажни и логички појачавачи Код прекидача за аналогне сигнале FET се користи као серијски прекидач, пропуштајући или блокирајући сигнал у одређеном опсегу аналогног напона. Аналогни сигнал је обично ниског нивоа са неодређеним значењем нивоа снаге. Код логичких прекидача, с друге стране, MOSFET прекидачи се отварају и затварају да би генерисали пуне осцилације између напона “снажних” извора (power supply voltage). Овде су сигнали дигитални и представљају два стања High и Low. Напони између ова два нису нити корисни, нити пожељни. Снажни прекидачи одговарају укључивању или искључивању “снаге на отпору”. Логички прекидачи

Оба кола користе отпорник као потрошач и граде логичке функције инверзије, тј. High улаз генерише Low излаз, и обратно. 1) n-канална верзија ставља излаз на Low, док је GATE на High. 2) р-канална верзија ставља отпорник на High, док је излаз на Low.

NMOS и PMOS логички инвертори

Снажни прекидачи

Предност коришћења снажних MOSFET у односу на снажне ВЈТ леже у великој улазној импеданси и комплетном одсуство термалног скока као и “друге тачке слома” (second breakdown).

46

Скрипта


35.Операциони појачавачи. Златна правила Операциони појачавачи су диференцијални појачавачи (DC купловани) са веома великим појачањем и излазима са једним крајем (single-ended outputs). Можемо их посматрати као дугорепи пар (long-tailed pair) са два улаза и једним излазом. Ознаке (+) и (-) код op-amps значе да је излаз позитиван када је неинвертујући улаз (+) позитивнији од инвертујућег улаза (-), и обрнуто. Ове ознаке заправо говоре о релативној фази сигнала. Операциони појачавач има енормно напонско појачање и готово никад се не користи без повратне спреге (feedback). Код повратне спреге улазна величина се мења у зависности од излаза, па онда тако промењена величина на другачи начин утиче на излаз, који поново делује на улаз, итд... Додатно о ознакама ОР -АМР : (+) на улазу 1 означава да је V 1 у фази са V o, а (-) на улазу 2 да је померен за 1800 у односу на V 2

ОР-АМР се обично састоје из три степена: 1) обезбеђује велико диференцијално појачање и велику улазни импедансу 2) обезбећује потребно струјно и напонско појачање 3) обезбећује малу излазну импедансу Основне карактеристике ОР-АМР: 1) појачање у отвореној петљи (нема повратне спреге): G =

V o V 1 − V 2

2) улазна отпорност Ri 3) излазна отпорност Ro 4) пропусни опсег Идеални ОР -АМР : бесконачно као и, нулта и бесконачно широк пропусни опсег. 6 Савремени појачавачи имају појачање 10 . Златна правила за рад ОР -АМР са спољашњом повратном спрегом 1) Мала разлика између улазних напона , због великог појачањ, изазвала велики напон на излазу (нпр 1mV на улазу ⇒ 1000V на излазу), па зато излаз чини све што је потребно да се V 1-V 2 доведе на нулу. 2)

47

Скрипта


36.Инвертујући и неинвертујући појачавач. Follower

На слици је представњен инвертујући ОР -АМР . На основу златног правила пошто је В на маси ⇒ V A=0. То значи да је напон на R2 jeднак V out, a на R1 је V in Такође, улазне струје су нула: V in − V A R1

Дакле напонско појачање је: G =

=

V out V in

V A − V out R2

=

R1 R2

⇒

V m R1

=−

V o R2

због знака (-) то је инветрујући ОР-АМР

Како заиста функционише повратна стрега? Нпр. V i=+1V, док је R1=10k Ω, а R2=100k Ω. Нека, у почетку излаз не сарађује и остаје на нула волти. Тада R1 и R2 формира разделник напона постиже се напон од 0,91 на инвертујућем улазу. ОР -АМР види енормни улазни дисбаланс због чега утиче на излаз да постане негативнији. Ова процедура се наставља све док се на излазу не постигне тражених -10V јер тада су оба улаза у основном (нултом) стању. Улазна импеданса је R1= R2 пошто је А виртуелна нула. Анализирамо неинвертујући појачавач Златна правила дају следеће: V A=V in, при чему је: појачање

је:

V A − 0

G=

R1 V out V in

=

V out − V A

= 1+

R2 R2 R1

⇒

V in R1

пошто

=

V out − V in R2

G>1,

неинвертујући У овом случају је улазна импеданса изизетно велика (реда величине 1012Ω) На слици је представљена ОР -АМР верзија emitter-follower-a. То је, једноставно, неинвертујући R1 појачавач се бесконачним и нултим R2. Дакле у овом случају је појачање једнако јединици G=1 Појачавач јединичног појачања се понекад назива Buffer због........

48

онда

је

Скрипта


37.Стујни извори

Приближно идеални струјни извор се може приказати колом са слике. Негативна повратна спрега резултира у V in на инвертујућем улазу продукујући струју кроз потрошач: I =

V in R

Главана мана оваквог струјног извора је „лебдење“, односно нестабилност отпора пошто није уземљен на са једне стране. Нпр. могуће је генерисати користан тестерисан сигнал (у односу на нулу) са струјним излазом. Једно је решење читаво коло оствити неуземљеним тако да остане један крај за уземљење отпора. За регулисање струје служе отпори R1 и R2 који формирају разделник напона. Ово коло је корисно за генерисање струја за потрошач који је уземљен, али мана му је што је контролни улаз сада „лебдећи“, па се не може програмирати излазна струја, на основу улаза. Струјни извори за уземљене потрошаче

Са ОР -АМР -ом и екстерним транзистором могуће је направити једноставан, али високо квалитетан струјни извор за уземљени потрошач. Повратна спрега доводи напон V = V CC − V in на R па имамо емитерску струју, а самим тим и излазну струју: I =

V CC − V in R

49

Скрипта


Howland стујни извор

Уколико међу отпорницима важи одређен однос, онда имамо добро дефинисану струју на потрошачу: R3 R2

=

R4 R1

⇒ I p = −

V i R2

Проблем је у томе што се тешко постиже тачан тражен однос отпорника, па врло често немамо савршен струјни извор. Чак и кад је то постигнуто, својства оваквог струјног извора су делимично деградирана због вредности CMRR операционог појачавача. За велику излазну струју потребан је мали отпор, па је сагласност лимитирана.

50

Скрипта


38.Опциони инвертер. Идеални струјно-напонски конвертер

Опциони инвертер нам даје могућност постизања различитог предзнака појачања у зависности од положаја прекидача.

Follower: G=1 Инвертујући: G=-1

Затворен прекидач: G=-1 Отворен прекидач: G=1

Најједноставни пример I-V конвертера је сваки мали отпор. Мана је у потпуности ненултог на извору улазне струје што може узроковати веома малу сагласност улазне струје или уопште на продуковати константну струју при напонским променама на излазу. Коло приказано на слици представља добар начин конвертовања струје у напон одржавајући улаз стриктно уземљеним. Инвертујући улаз је виртуелна нула, док диода генерише веома мали напон. Овако коло има излаз од 1V/1mA

51

Скрипта


39.Дифенцијални, сумирајући појачавач V B =

R2 R1 + R2

V 2 (разделник напона)

Златна правила за ОР-АМР: 1) V A = V B 2)

⇒ V 1 R2 − ⇒ појачање (диференцијално) је:

V 1 − V A

R22 R1 + R2

V out V 1 + V 2

=

R1 V 2 =

=

V A − V out R2

R1 R2 R1 + R2

⇒

V 2 − R1V out ⇒

R2 R1

Сумирајући појачавач

Ово коло је заправо, варијација инвертујућег појачавача. Тачка х је виртуелна нула, па је улазна струја: I in =

V 1 R

+

V 2 R

+

V 3 R

Излазни напон је: V o = −(V 1 + V 2 + V 3 ) улазни напон може бити и позитиван и негативан Отпорници не морају бити једнаки. Нпр. ако се на сваком улазу налази +1V или 0V и ако су отпорници у односу 1:2:4:8 добијемо излаз у волтима једнак бинарном броју улаза. Ово је основа DA конверзије (digital-to-analog conversion)

52

Скрипта


40.Снажни струјни извор. Напајање Да бисмо добили велику излазну струју додаје се снажни транзистор follower (power transister follower) на ОР -АМР на излазу. Повратна спрега (fedback) се узима од емитера, што омогућава жељени напон на излазу упркос паду напона база-емитер V BE. Овакво коло има уобичајен проблем да излаз follover-а може да буде само извор за струју.

Напајење

ОР -АМР може обезбедити појачање за повратну спрегу напонског регулатора. ОР АМР пореди узорак излазног сигнала са Зенер референцом мењајући смер ка Дарлингтон пропусном филтеру. Неке битне ствари о овом колу: 1) Разделник напона који семплује излаз може бити и потенциометар за одговарајући излазни напон 2) За мале варијације на Зенеру, отпорник R3 се може заменити струјним извором 3) Овакво коло се може лако уништити тренутним кратким спојем на излазу пошто ће ОР-АМР прејако проводити кроз Дарлингтон пар.

53

Скрипта


41.Нелинеарна кола:снажни прекидачки драјвер, активни исправљач Снажни прекидачки драјвер

За потрошаче који су укључени или искључени, користе се транзисторски прекидач напајан преко ОР -АМР -а. Диода се користи ради спречавања reverse base-emiter breakdown (пад при промени поларитета).

Активни исправљач

Исправљање сигнала мањег од диодног пада напон не може постићи комбинацијом диода-отпор. Потребно је користити ОРАМР и у овом случају поставити диоду у коло повратне спреге (feedback loop). Oбичан активни исправљач

Зa позитивно V in диода обезбеђује негативну повратну спрегу, па излаз прати улаз, купловано са диодом, али без V BE пада напона. За V in негативно ОР -АМР је у негативној сатурацији, па је V int на нули (ground). Мала излазна импеданса у односу на отпорник R се може обезбедити коришћењем ОР -АМР -а на излазу. Проблем са овим колом је у томе што кад имамо високо фреквентне сигнале пошто ОР -АМР захтева време повратка из негативе сатурације, што наравно узрокује нетачан излаз. Ово .......... D1 чини коло инвертером јединичног појачања за негативан улазни сигнал. D2 „стеже“ излаз ОР АМР -а на један диодни пад испод нуле за позитиван улаз, а како је D1 супротно поларисан је на нули. Побољшање постоји јер излаз ОР АМР има одзив само два диодна Побољшани активни исправљач пада (1,2V) испод улазног сигнала када овај пролази кроз нулу. Пошто је ово коло инвертер, неинвертујуће коло добијамо додавањем инвертера јединичног појачања на излаз. 54

Скрипта


42.Детаљне карактеристике операционог појачавача Карактеристике идеалног ОР -АМР -а:

1) улазна импеданса је бесконачна 2) излазна импеаднса је нула 3) напонско појачање је бесконачно 4) common-mode напонско појачање је нула 5) када су оба улаза на истом напону (нулти „offset напон“) 6) излаз се мења тренутно (бесконачна брзина окретања поларизације – „slow rate“) Улазна струја Улазни терминали су извори или понори (зависно од типа ОР -АМР ) мале струје која се назива улазна bias струја I B Oва струја се дефинише као половина збира улазних струја (то су приближно једнаке струје и једноставно то су струја базе или GATE струја). За OP-AMP са BJT-улазом ова струја је реда величине десетак pA, а за ОР -АМР са FET улазом то је десетак nA. Значај улазне bias струје је у томе што она проузрокује пад напона на отпорнику мреже повратне спреге, bias мреже или импедансе извора. Улазна струја се може игнорисати код FET OP-AMP , али не и код BJT OP-AMP-a. Улазна offset струја Ово је назив за разлику улазних струја између два улаза. За разлику од улазне bias струје, offset струја I os je резултат варијација у конструкцији ОР -АМР – а. Значај је у томе што и кад имамо идентичне импедансе извора, ОР -АМР виде неједнак пад напона, а самим тим и разлику напона између улаза. Улазна импеданса Улазна импеданса одговара диференцијалном улазном отпору (импеданса коју види улаз при чему је други уземљен), и она је обично знатно мања од commonmode отпора. Код FET-улазних ОР -АМР она је 1012 Ω док је код ВЈТ-улазних ОР АМР око 106 Ω. Због ефекта пуњења негативне повратне спреге Z in је у пракси веома велика вредност. Common-mode input range (улазни опсег) Улаз на ОР -АМР мора остати у одређеном опсегу напона који је обично мањи од укупног опсега напајања ради одговарајућих операција. Ако улазни опсег одступа од овога може доћи до драстичнох проблема у појачању.

55

Скрипта


Излазна импеданса; излазни сигнал у зависности од отпора потрошача Излазна импеданса Ro означава унутрашњу излазну импедансу ОР -АМР -а без повратне спреге. Повратна спрега чини излазну импедансу небитном. Многи ОРАМР имају асиметричан излаз у смислу да примају више струје него што извиру и обрнуто. Напонско појачање и фазни помак Типично напонско појачање при DC режиму је 105-106 и опада на јединично појачање при веома високим фреквенцијама. Обично се даје график напонског појачања отвореног кола у зависности од фреквенце. Дакле имамо опадајућу функцију (као RC филтар пропусник високих учестаности), при чему опадање почиње на релативно ниским фреквенцијама (око 10Hz). До те тачке фазна разлика улаза и излаза је око 900, а онда расте све до 1800 (јединично појачање). Улазни offset напон ОР -АМР нема савршено избалансиране улазе захваљујући производњи. Ако спојимо улазе да бисмо добили нулти сигнал излаз ће сатурирати (ка V CC или V EE). Разлика на улазима је потребна да би излаз био на нули и то се назива улазни offset напон V os. Температурна зависност Сви параметри ОР -АМР имају температурну зависност. Али ово нема значајног утицаја пошто су, нпр. мале варијације у појачању компензоване повратном спрегом. Изузеци су улазни offset струја који када су око нуле под утицајем температуре утичу на помак код излаза.

56

Скрипта


43.Активни ограничавач. Коло за апсолутну вредност

На слици је коло које врши активну функцију ограничења. За које је мање од неког напона карактеристичног за свако коло (скуп параметара) ОР -АМР излаз је у позитивној сатурацији и при томе . Уколико пређе тај напон диода затвара коло повратне спреге ограничавајући излаз на том карактетристичном напону. У овом колу slew rate ограничења ОР -АМР -а дозвољавају мале промене како улазни сигнал прилази карактеристичној ограничавајућој вредности напона (clamp voltage) са доње стране. Коло за апсолутну вредност

Ово коло даје позитиван излаз једанк улазу по апсолутној вредности. Дакле, то је исправљач целог таласа (full-wave recifier). Користимо ОР -АМР и повратна спрега елиминише диодни пад пасивног FWR.

Активни full-wave recifier

57

Скрипта


44.Интегратори

ОР -АМР омогућавају конструкцију скоро савршених интегратора, без рестрикције V out<
протиче кроз С , а пошто је инвертујући улаз

виртуелна нула, излазни напон је дат са: V in R

= −C

dV out dt

⇒ V out =

1

RC

∫ V dt + const in

Проблем са овим колом је што ће излаз скренути, чак и са уземљеним улазом, због ОР -АМР offeta-a и bias струје. Не постоји повратна спрега за DC па се излаз помера у односу на очекивани. Проблем се решава коришћењем FET-а и великих вредности R и C .

A

Б

В

ОР-АМР Интегратор са ресет прекидачима

У овим колима (А и Б) интегратор постаје нулто периодичанзатварањем прекидача смештеног преко кондензатора, тако да постоји помак само током кратког временског периода. Уколико је резидуални помак (drift) интегратора великиможе се ставити отпор R2 преко С (В). Овај отпорник у повратној спрези мора имати велики отпор.

58

Скрипта


45.Диференцијатори

Диференцијатори су слични интеграторима, стим што су R и C заменили места. Пошто је инвертујући улаз виртуелна нула, брзина промене улазног напона продукује струју, па имамо следећи излазни напон: I = C

dV in dt

⇒ V out = − RC

dV in dt

Диференцијатори су баш стабилни, али генерално имају проблема са шумом и нестабилностима при високим феквенцијама због великог појачања ОР -АМР -а и унутрашњег помака фазе. С тога је потребно смањити рад диференцијатора почевши од неке максималне фреквенције. Проблем се решава постављањем још једног отпорника и кондензатора, тако да се коло до одређене фреквенце понаша као диференцијатор, а на већим фреквенцијама као интегратор (због R1 и C 2).

59

Скрипта


46.Операциони са једностраним напајањем

ОР -АМР не захтевају +15V напајање. Они нормално функционишу из раздвојених извора нижих напона, као и из асиметричног напајања (нпр +12V и -3V) све док је укупно напајање усаглашено са опсегом специфицираним за сваку врсту ОР -АМР -а (мисли се на разлику V + - V -) Постоје многе ситуације када је погодно користити ОР -АМР са једностраним напајањем. Ово се може реализовати уобичајеним ОР -АМР -ом генерисањем „референтног“ напона изнад нуле, при чему се мора водити рачуна о минималном напону напајања, ограничењима на излазне осцилације и максималном commonmode улазном опсегу. Ипак коришћење раздвојених симетричних напајања јесте најчешћа техника која се користи. Biasing AC појачавачи се једностраним напајањем

Најраспрострањенији ОР -АМР имају улазе и излаз који могу осциловати око 1,5V око било ког напајања. Генерисањем референтног напона (нпр. 0,5V) можемо учинити да ОР -АМР има bias за успешно оперисање. Коло приказано на слици је аудио појачавач V ref =0,5V+ даје излазну осцилацију од 17V pp-амплитуде пре укључивања. Капацитативно купловање се користи на улазу и излазу ради блокирања нивоа, који одговара V ref

60

Скрипта


47.Шмитов окидач

Ово компараторско коло има две мане. За веома споро променљив улаз, излаз ће бити још спорији. Још горе, ако је улаз шум, излаз може начинити неколико прелаза док улаз пролази кроз окидачку тачку.

Оба проблема се могу решити позитивном повратном спрегом. Ефекат коришћења R3 је у томе што постижемо два прага који зависе од излазног стања. Када је излаз уземљен праг је на 4,76V, док је праг на +5V када је излаз на +5V. Улаз у облику шума продукује мање вишеструких окидања. Позитивна повратна спрега обезбеђује брз пренос излазног сигнала у односу на брзину улазног таласа. Излаз зависи од улазног напона и прeдисторије, а овај ефекат се назива хистерезис.

61

Скрипта


48.Улазна и излазна импеданса Повратна спрега се може користити за одузимање напона или струје од улаза. Ефекти тога се одржавају и на улазну импедасу. Напонско појачање отвореног кола је А, док . мрежа повратне спреге одузима B V out од V in A(V in − B ⋅ V out ) = V out ⇒ V out =

I in =

V in − B ⋅ V out

⇒ R'i =

Ri V in

I in

⎛ ⎝

V in ⎜1 −

=

A

1+ A⋅ B A⋅ B ⎞

⎟

1+ A⋅ B ⎠ Ri

⇒ R 'i = (1 + A ⋅ B )Ri

=

V in

V in

(1 + A ⋅ B )Ri Ефективна импеданса

улазна

ОР -АМР неинвертујући појачавач је управо оваква конфигурација повратне спреге B=

R1 R1 + R2

A → +∞ ⇒

Gi = 1 +

R2 R1

, ако

Rin → +∞

Коло ОР -АМР инвертујућег појачавача се посебно (особно) разматра као комбинација улазног отпора који струјом снабдева повратну спрегу шанта. Овај шант поседује улаз на сумирајућем споју (инвертујући улаз појачавача), где су комбиноване струја повратне спреге и улазни сигнал. Повратна спрега редукује импедансу која гледа сумурајући спој (summing junction), R2 ,за фактор 1+А. R Z in = R1 + 2 1+ A Излазна импеданса Опет повратна спрега одабира излазни напон или струју. Ако кратко спојумо улаз и применимо напон на излазу, рачунањем излазне струје добијамо излазну импедансу: R0 =

V I

Напон на излазу спушта напон за – BV дуж појачавачког улаза и продукује напон – ABV у појачавачком унутрашњем генератору. Излазна струја је онда: V − (− A ⋅ B ⋅ V ) V ⋅ (1 + A ⋅ B ) R0 I = = ⇒ R0 = R0 R0 1+ A⋅ B 62

Elektronika skripta

Recommend Documents