Podstawy elektroniki i

miernictwa

Prowadzący: Janusz Łukowski

e-mail: [e-mail]

30 godzin wykładu

1. A Pojęcia podstawowe – materiały

-

przewodniki;

- półprzewodniki;
- dielektryki;
- materiały magnetyczne.

1. B Pojęcia podstawowe – wielkości i prawa
elektryczne

-

napięcie i prąd elektryczny;

- moc i energia prądu;
- klasyfikacja sygnałów
elektrycznych;

- elementy obwodów elektrycznych;
- prawo Ohma;
- I i II-gie prawo Kirchhoffa.
- indukcja elektromagnetyczna;

Przewodnik elektryczny substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny a
przewodzenie prądu ma charakter elektronowy.
Do najpopularniejszych przewodników metalicznych należą (uporządkowanie wg
wzrostu przewodnictwa):

•węgiel , żelazo , aluminium , złoto , miedź , srebro

Półprzewodniki - substancje krystaliczne, których konduktywność (zwana też
konduktancją właściwą) jest rzędu 10

-8

do 10

5

[S/m], co plasuje je między

przewodnikami a izolatorami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze
wzrostem temperatury. Półprzewodnikami są także substancje o paśmie
wzbronionym mniejszym niż 5 [eV] między pasmem walencyjnym a pasmem
przewodzenia (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV).

Izolator elektryczny - materiał, który nie przewodzi
prądu elektrycznego (np. dielektryk). Izolatorami są np.:
szkło, porcelana, specjalna guma, pewne rodzaje plastików,
suche drewno, suchy olej transformatorowy, suche
powietrze, próżnia.

Energetyczny
model
pasmowy

Półprzewodniki (substancje krystaliczne)

najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki
grupy IV (np. krzem, german- półrzewodnik samoistny) oraz związki
pierwiastków grup III i V (np. arsenek galu, antymonek indu) lub II i
VI .
Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, w
którym ich powłoki walencyjne zachodzą na siebie.

Półprzewodniki niesamoistne powstają poprzez domieszkowanie
polegające na wprowadzeniu do struktury kryształu pierwiastków
dwu-, trój-, pięcio- lub sześciowartościowych

(np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV).

Półprzewodnikami są także substancje o paśmie wzbronionym mniejszym niż 5
[eV] między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia W półprzewodnikach
różnica pomiędzy stanem przewodnictwa a stanem wzbronionym, nazywana
pasmem przewodnictwa

Natężenie prądu I (nazywane potocznie prądem elektrycznym)
jest stosunkiem ilości ładunku elektrycznego przepływającego
przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu przepływu
ładunku.
          
Jednostką natężenia prądu w Układzie SI jest amper [A].

Ładunek elektryczny jest pewną skwantowaną liczbą ładunków
elementarnych.
Rozróżnia się dwa rodzaje ładunków, ładunek elektronu określa się
jako ujemny (-1), a protonu dodatni (+1)

dt

dq

t

q

i

t













0

lim

Napięcie elektryczne U – różnica potencjałów
elektrycznych między dwoma punktami. Napięcie
elektryczne określa pracę, jaką wykona ładunek
jednostkowy przechodząc między punktami między
którymi określa się napięcie. Jednostką napięcia
elektrycznego w Układzie SI jest Volt [V].

Potencjałem elektrycznym nazywamy
iloraz energii

potencjalnej E

p

punktowego ciała

naelektryzowanego ładunkiem q i wartości tego
ładunku.



q

E

p















hl

l

h

dl

u

Ε





q

q

F

lim

E

0





Pojęcia podstawowe

Elementarna praca (energia) dW

idt

u

dq

u

dW









Moc chwilowa p – pochodna energii elektrycznej
względem czasu. Jednostką mocy chwilowej w
Układzie SI jest Wat [W].

Energia elektryczna dostarczona do odbiornika w
przedziale czasu
[J] (dżul), [kWh], [Wh]

i

u

dt

dW

p















s

J

2

1

t

t





2

1

t

t

dt

p

W

Pojęcia podstawowe

Pojęcia podstawowe

Klasyfikacja sygnałów elektrycznych

*

sygnały jednokierunkowe

* sygnały zmienne

1 – sygnał stały

2,3 – sygnały
zmienne

Pojęcia podstawowe

Klasyfikacja sygnałów elektrycznych

Sygnały zmienne dzielimy na okresowe i
nieokresowe

T - okres
przebiegu

- częstotliwość

T

f

1



Warunek okresowości sygnału





 

t

f

T

t

f





sygnał okresowy
przemienny

Warunek sygnału okresowego
przemiennego

 





T

dt

t

f

0

0

Pojęcia podstawowe

Wielkości charakteryzujące sygnały
okresowe

Wartość chwilowa sygnału – wartość, jaką sygnał przyjmuje w danej chwili, (np. u, i)

Wartość maksymalna sygnału – największa wartość chwilowa, jaką sygnał
osiąga z rozpatrywanym przedziale czasu, (np. F

m

, U

m

, I

m

)

Wartość średnia półokresowa – średnia arytmetyczna sygnału obliczona dla
połowy okresu T

Wartość średnia całokresowa – średnia arytmetyczna sygnału obliczona dla
jednego okresu T

Wartość skuteczna sygnału okresowego – pierwiastek kwadratowy z wartości
średniej kwadratu sygnału dla okresu T

 





2

0

2

T

śr

dt

t

f

T

F

 

 







T

c

śr

dt

t

f

T

t

f

F

0

1

,

 

 

t

f

dt

t

f

T

F

F

T

sk

2

0

2

1









Współczynnik
szczytu

Współczynnik
kształtu

F

F

k

m

a



śr

k

F

F

k 

Pojęcia podstawowe

Sygnał
wykładniczy

Sygnał prądowy o charakterze wykładniczym

 





j

s

t

e

I

t

I

st

m

















 

t

m

e

I

t

I

s













0

,

 

m

t

m

I

e

I

t

I

s











0

0

0

0





,

,

 

t

j

m

e

I

t

I

j

s











0



,

Prąd ma
charakter
monotoniczny
rosnący lub
malejący

Prąd jest stały
w czasie

Prąd jest
interpretowany
na płaszczyźnie
zespolonej za
pomocą wektora
wirującego

t

j

e



- operator
obrotu

m

I

- moduł
wektora

Wykorzystując wzór Eulera

t

j

t

e

t

j





sin

cos 





 

t

jI

t

I

t

I

m

m





sin

cos 



 

 

t

I

t

I

m



cos

Re



 

 

t

I

t

I

m



sin

Im



Pojęcia podstawowe

Sygnał
sinusoidalny

Najczęściej spotykanymi sygnałami elektrycznymi okresowymi są sygnały
harmoniczne (sinusoidalne i kosinusoidalne).

Sygnał sinusoidalny napięcia ma postać:





t

t







cos

/

sin





2













t

U

u

m

sin

u

m

U









t

f





2



T

f

1



- wartość chwilowa napięcia

- wartość maksymalna napięcia
(amplituda)

- faza początkowa napięcia w
chwili t=0

- faza napięcia w chwili t

- pulsacja lub częstotliwość
kątowa

- częstotliwość

u



m

U

T

2

T

0





2

t

t;



Pojęcia podstawowe

Źródło napięcia

Źródłem napięcia nazywamy element
dwuzaciskowy, na którego zaciskach
panuje zawsze taka sama różnica
potencjałów niezależnie od dołączonego
do tych zacisków obciążenia
Najczęściej spotykanymi źródłami
napięcia są:
- baterie,
- akumulatory,
- zasilacze (z punktu widzenia obciążenia
są to też elementy dwuzaciskowe),
- fotoogniwa.

Rzeczywiste źródło napięcia

U

WY

=E - R

W

· I

WY

Źródło prądu

Źródłem prądu nazywamy element
dwuzaciskowy, który wymusza
przepływ prądu o stałym natężeniu
przez obciążenie niezależnie od
wartości przyłożonej do jego zacisków
rezystancji obciążenia.

Pojęcia podstawowe

Elementy obwodów
elektrycznych

Obwód elektryczny tworzą elementy połączone w taki sposób, że istnieje co
najmniej jedna droga zamknięta umożliwiająca przepływ prądu

e

1

R

2

R

3

R

i

1

R

u

2

R

u

3

R

u

2

i

Element obwodu elektrycznego – część składowa obwodu elektrycznego
niepodzielna pod względem funkcjonalnym

Procesy energetyczne zachodzące w elementach obwodu elektrycznego

- wytwarzanie energii
elektrycznej;

- akumulacja energii;
- rozpraszanie energii.

eleme
nt

idealn
y

rzeczywist
y

aktywn
y

pasywny

Wytwarzanie
energii

Akumulacja energii

Rozpraszanie
energii

Procesy energetyczne

rozproszają
cy

konserwatywn
y

np.
rezystor

np. cewka,
kondensator

Pojęcia podstawowe

Cewka- dwójnik pasywny zachowawczy, zdolny do gromadzenia energii w polu
magnetycznym

i

L

Cewka liniowa

i

Cewka nieliniowa
(o rdzeniu
ferromagnetycznym)





i

L 









 z

gdzie

indukcyjność
własna

strumień
magnetyczny
skojarzony z
cewką

strumień zwoju
cewki

dt

di

L

dt

d

u







]

[H

L





Indukcyjność wzajemna – indukowanie
napięcia na jednym elemencie indukcyjnym
wskutek zmian prądu w elemencie drugim

2

12

i

M 



12



Strumień skojarzony z cewką 2,
wytworzony przez prąd cewki 1

Elementy pasywne
(idealne)

Pojęcia podstawowe

Elementy pasywne
(idealne)

Rezystor- dwójnik pasywny rozpraszający, w którym zachodzi
proces zamiany energii elektrycznej na cieplną

u

i

R

i

R

u





u

G

i





gdzie

R

G=1/R
[S]

Rezystancja

Przewodność

(konduktancja)

Rezystor
liniowy

u

i

Rezystor nieliniowy,
(np. warystor)



ci

u 

S

l

S

l

R









]

[

 

m













m

1



Rezystywność

Przewodność
właściwa
(konduktywność)

Rezystancja metali
wzrasta wraz ze
wzrostem temperatury









0

1

0

T

T

R

R

T

T









T

R

0

T

R



Rezystancja w temperaturze T

Rezystancja w temperaturze T

0

=293K

Współczynnik temperaturowy
rezystancji

Pojęcia podstawowe

Elementy
pasywne

Kondensator- dwójnik pasywny zachowawczy, zdolny do gromadzenia energii w
polu elektrycznym

u

C

kondensator
liniowy

u

kondensator nieliniowy
(o rdzeniu
ferromagnetycznym)

q

q

u

q

C 

dt

du

C

dt

dq

i





gdzie

pojemność

ładunek
elektryczny
zgromadzony na
jednej z okładzin

 









t

d

i

C

u





1

]

[F

C

q

Elementy pasywne
(idealne)

Pojęcia podstawowe

Elementy pasywne rzeczywiste

R

R

C

R

L

L

L

R

L

C

C

C

R

C

L

rezystor

cewka

kondensa
tor

Pojęcia podstawowe

Obwody prądu stałego

nierozgałęziony

rozgałęziony

e

1

e

2

e

.

.

i

1

i

2

i

3

i

R

R

3

R

2

R

1

Prawo
Ohma

R

u

3

R

u

2

R

u

1

R

u

Natężenie prądu stałego I jest proporcjonalne do
całkowitej siły elektromotorycznej w obwodzie
zamkniętym lub do różnicy potencjałów między
końcami części obwodu niezawierającej siły
elektromotorycznej

R

U

I

U

G

I

U

I









I Prawo Kirchhoffa (węzeł
obwodu)

II Prawo Kirchhoffa (oczko obwodu)

0





k

k

i







l

i

k

k

u

e

Pojęcia podstawowe

Pojęcia podstawowe

Indukcja elektromagnetyczna

Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły elektromotorycznej
(SEM) w przewodniku pod wpływem zmiennego w czasie strumienia indukcji pola
magnetycznego lub ruchu przewodnika w polu magnetycznym               

dt

d

B



 









S

B

dS

B



H

B







[Wb=1Vs
]

[T]

]

H/m

[

10

4

7





















m

A

r

I

H



2

d

I

n

H





Strumień magnetyczny

Indukcja magnetyczna

Przenikalność magnetyczna bezwzględna
środowiska

Natężenie pola
magnetycznego

(prostoliniowy
przewodnik)

(zwojnica)

B





c

s



B



S



B

E

l



Prawo
Farady’a







S

B

dS

B









C

B

dl

E















S

C

dS

B

dt

d

dl

E

Pojęcia podstawowe

Indukcja elektromagnetyczna

1

i

1

B

2

i

Zjawisko indukcji
wzajemnej

1

1

i

B 

1

21

i

B





1

21

21

i

M

B







 

A

s

V

A

Wb

H

M







21

indukcyjność
wzajemna

Zjawisko samoindukcji

l

i

S

N



B

i

L

B







]

[H

L

indukcyjność własna
cewki

dt

di

L







l

N

i

B











0

l

S

N

L







2

0





Obwody prądu
zmiennego

Pojęcia podstawowe

Elementy RLC w obwodach prądu
zmiennego

Dwójnik szeregowy
RLC

C

u

o

o

L

u

R

u

u

L

c

R

u

u

u

u







0

1

0

0













t

dla

idt

C

dt

di

L

i

R

u

t







 



t

U

u

m

sin

 

 

t

j

m

t

j

m

e

I

t

I

e

U

t

U









t

j

m

t

j

m

t

j

m

t

j

m

e

I

C

j

e

I

L

j

e

I

R

e

U













1









Zależność pomiędzy
przebiegiem
sinusoidalnym i
wektorem wirującym

Zamieniając wektory
wirujące na wektory
nieruchome, stanowiące
amplitudy zespolone

m

m

I

C

L

j

R

U



































1

Dwójnik równoległy
RLC

C

i

L

i

R

i

u

L

c

R

i

i

i

i







0

1

0

0













t

dla

dt

du

C

udt

L

u

G

i

t







 



t

U

u

m

sin

 

 

t

j

m

t

j

m

e

I

t

I

e

U

t

U









t

j

m

t

j

m

t

j

m

t

j

m

e

U

C

j

e

U

Lj

e

U

G

e

I





















1

Zależność pomiędzy
przebiegiem
sinusoidalnym i
wektorem wirującym

Zamieniając wektory
wirujące na wektory
nieruchome, stanowiące
amplitudy zespolone

m

m

U

L

C

j

G

I



































1

Pojęcia podstawowe

Elementy RLC w obwodach prądu
zmiennego

i

R

C

L

Elementy półprzewodnikowe

Złącze p-n

Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników
niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: P i N.

W obszarze typu N występują nośniki większościowe ujemne (elektrony) oraz
unieruchomione w siatce krystalicznej atomy domieszek (donory).

W obszarze typu P nośnikami większościowymi są dziury o ładunku
elektrycznym dodatnim oraz atomy domieszek (akceptory). W
półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe
przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników
mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych.

Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym.

Złącze niespolaryzowane

Dyfuzja
nośników
większościowy
ch

Rekombinacja
nośników
większościowy
ch

Warstwa
zubożała
(łądunek
przestrzenny

Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez
barierę potencjału.
W złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne U

D

Dla złącza p-n wykonanego z krzemu U

D

= 0,6-0,8 [V]

Dla złącza p-n wykonanego z germanu U

D

= 0,2-0,3 [V]

Przepływ nośników mniejszościowych – nazywany jest prądem
unoszenia i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego.

Polaryzacja złącza

Polaryzacja w kierunku przewodzenia i w kierunku

Polaryzacja w kierunku przewodzenia i w kierunku

zaporowym

zaporowym

Charakterystyka prądowo-napięciowa

U

U

D



U

U

D



Prąd unoszenia

przebicie lawinowe
lub Zenera (złącza
silnie domieszkowane)

]

[

7V

U 

]

[

6

5

V

U





Dioda półprzewodnikowa to dwukońcówkowy element półprzewodnikowy.
Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych -
typu n i typu p, tworzących razem złącze n-p, lub z połączenia półprzewodnika z
odpowiednim metalem - dioda Schottky'ego.

Rodzaje diod:
dioda prostownicza - jej podstawową funkcją jest prostowanie prądu
przemiennego

stabilizacyjna (stabilistor) - umożliwia stabilizację napięcia, znane również jako
diody Zenera
tunelowa - dioda o specjalnej konstrukcji, z odcinkiem charakterystyki o ujemnej
rezystancji dynamicznej
pojemnościowa - o pojemności zależnej od przyłożonego napięcia (warikap)
LED (elektroluminescencyjne) - dioda świecąca w paśmie widzialnym lub
podczerwonym
laserowa
mikrofalowa (np. Gunna)
detekcyjna
fotodioda - dioda reagująca na promieniowanie świetlne (widzialne,
podczerwone lub ultrafioletowe).

Elementy półprzewodnikowe

Katod
a

Anoda

u

t

u

t

Elementy
półprzewodnikowe

Tranzystor - trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego

Podział tranzystorów, z uwagi na zasadą działania:

-Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego
(sterowanie prądowe)

- Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją
napięcia (sterowanie napięciowe).

Zastosowanie tarnzystorów:

-do budowy wzmacniaczy:

-różnicowych,

- operacyjnych,

- mocy (akustycznych),

- selektywnych,

- pasmowych.
jest elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak:

-żródła prądowe,

-stabilizatory,

- przesuwniki napięcia,

- klucze elektroniczne,

-przerzutniki,

-czy generatory.

Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego,
z tranzystorów buduje się także bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje boolowskie,
Tranzystory są także podstawowym budulcem wszelkiego rodzaju pamięci półprzewodnikowych
(RAM, ROM, itd.).

Elementy
półprzewodnikowe

Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw
półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa
złączap-n;

Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika,
nazywane:

•emiter (E),

•baza (B),

•kolektor (C).
Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy
tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są
elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

UKŁADY PRACY TRANZYSTORA BIPOLARNEGO

.

Zależnie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnału rozróżniamy trzy sposoby włączenia tranzystora do układu:

układ ze wspólnym emiterem OE (WE) ,

układ ze wspólną bazą OB

(WB),

układ za wspólnym kolektorem OC (WC).

B

E

E

E

C

C

B

B

C

WE

WB

WC

mała

rezystancja

wejściowa,

bardzo

duża

rezystancja
wyjściowa,

wzmocnienie
prądowe

blisko

jedności

E

C

I

I





•duże

wzmocnienie

prądowe

B

C

I

I





•duże wzmocnienie
napięciowe,

•duże

wzmocnienie

mocy.

duża rezystancja
wejściowa – co ma
istotne znaczenie we
wzmacniaczach małej
częstotliwości,

wzmocnienie
napięciowe

równe

jedności,

duże

wzmocnienie

prądowe

B

E

I

I



1



).

Elementy
półprzewodnikowe

- Rezystancja
wejściowa jest rzędu
kilkuset  a

wyjściowa wynosi
kilkadziesiąt k

Elementy
półprzewodnikowe

Zasada działania tranzystora bipolarnego

Przypadek polaryzacji normalnej tranzystora, tzn. gdy złącze emiter-baza jest
spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor spolaryzowane w
kierunku zaporowym

p-n-
p

n-p-
n

IB – prąd bazy, IC – prąd

kolektora,

IE – prąd emitera, UCE –

napięcie kolektor-emiter, UBE –

napięcie baza-emiter, UCB –

napięcie kolektor-baza, VE –

potencjał emitera, VB –
potencjał emitera, VC –

potencjał kolektora.

I

B

– prąd bazy, I

C

– prąd

kolektora, I

CBO

–zerowy

prąd kolektora, I

E

– prąd

emitera, E – emiter, B –

baza, C – kolektor.

Zasada działania tranzystora n-p-n.

CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORA PRACUJĄCEGO W

UKŁADZIE OE.

I

1

= I

B

, U

1

= U

BE

, I

2

= I

C

,, U

2

= U

CE

.

Przesunięcie

charakterystyk

wejściowych względem siebie jest
związane z modulacją szerokości bazy,
natomiast przesunięcie charakterystyk
wyjściowych

jest

spowodowane

oddziaływaniem prądu bazy na prąd
kolektora.

Charakterystyka przejściowa jest
linią prostą o nachyleniu

 -

współczynnik wzmocnienia
prądowego

rodziny charakterystyk statycznych:

wejściowa (U1 = f (I1), przy U2 = const),

przejściowa (I2 = f (I1), przy U2 = const),

wyjściowa (I2 = f (U2), przy I1 = const),

zwrotna (U1 = f (U2), przy I1 = const).

Elementy
półprzewodnikowe

Stany pracy tranzystora i odpowiadająca
im polaryzacja złącza

Stan

tranzystor

a

Kierunki polaryzacji złączy

tranzystora

złącze

emiter – baza

złącze

kolektor –

baza

Zatkanie

zaporowy

zaporowy

Przewodze

nie

aktywne

przewodzeni

a

zaporowy

Nasycenie

przewodzeni

a

przewodzen

ia

Przewodze

nie

inwersyjne

zaporowy

przewodzen

ia

Elementy
półprzewodnikowe

stan zatkania: złącza BE i CB
spolaryzowane są w kierunku
zaporowym;
stan nasycenia: złączą BE i CB
spolaryzowane są w kierunku
przewodzenia;
stan aktywny: złącze BE
spolaryzowane w kierunku
przewodzenia, zaś złącze CB
zaporowo;
stan aktywny inwersyjny (krócej:
inwersyjny): BE zaporowo, CB w
kierunku przewodzenia (odwrotnie niż
stanie aktywnym).

Stan aktywny tranzystora jest
podstawowym stanem pracy
wykorzystywanym we
wzmacniaczach; w tym zakresie pracy
tranzystor chrakteryzuje się dużym
wzmocnieniem prądowym
(kilkadziesiąt-kilkuset).
Stany nasycenia i zaporowy
stosowane są w technice impulsowej,
jak również w układach cyfrowych.
Stan aktywny inwersyjny nie jest
powszechnie stosowanych, ponieważ
ze względów konstrukcyjnych
tranzystor chrakteryzuje się wówczas
gorszymi parametrami niż w stanie
aktywnym (normalnym), m.in.
mniejszym wzmocnieniem prądowym

SCHEMATY ZASTĘPCZE TRANZYSTORA

Podstawowe schematy zastępcze tranzystora:
- Typu .

- Hybrydowy.
- Ebersa – Molla.

Schemat zastępczy typu  tranzystora jest stosowany przy określaniu punktu pracy i parametrów

roboczych układów elektronicznych – rezystancja wejściowa i wyjściowa, wzmocnienie.
Schemat hybrydowy służy również do określania parametrów układów elektronicznych. Wartości
parametrów h określa się korzystając z charakterystyk statycznych tranzystora.
Model Ebersa – Molla jest wykorzystywany do analizy pracy układów impulsowych i cyfrowych.

Elementy
półprzewodnikowe

E

B

C



h

22

h

11

h

12

U

CE

U

CE

U

BE

I

B

I

C

h

21

I

B

,

,

B

BE

I

U

h 

11

-

impedancja wejściowa przy zwartym wyjściu,

0



CE

U

CE

BE

U

U

h 

12

-

współczynnik przenoszenia

wstecznego przy rozwartym
wejściu,

0



B

I

B

C

I

I

h 

21

-

współczynnik przenoszenia prądowego

przy zwartym wyjściu,

0



CE

U

CE

C

U

I

h 

22

-

admitancja wyjściowa przy rozwartym wejściu

.

0



B

I

Rys. Schemat zastępczy hybrydowy tranzystora

CE

B

BE

U

h

I

h

U

12

11





CE

B

C

U

h

I

h

I

22

21





.
Rys.. Sposób wyznaczania parametrów h tranzystora

h

11

= tg



11

, h

12

= tg



12

, h

21

= tg



21

, h

22

= tg



22

, Q – punkt pracy.

Elementy
półprzewodnikowe

Tranzystor polowe

, nazywane również tranzystorami unipolarnymi, to

tranzystory, których prąd wyjściowy jest funkcją pola elektrycznego istniejącego pod
wpływem napięcia sterującego wejściowego. W działaniu elementu udział bierze tylko jeden
rodzaj nośników ładunku, stąd nazwa polowy (unipolarny).

Elementy
półprzewodnikowe

Tranzystory polowe, zwane w skrócie FET (ang. Field Effect Transistor), mają kanał typu P lub
kanał typu N, który może być wzbogacony lub zubożony. W tranzystorach z kanałem typu N
nośnikami prądu są elektrony, a w tranzystorach z kanałem typu P nośnikami prądu są dziury.

TRANZYSTORY POLOWE ZŁĄCZOWE – JFET

Elementy
półprzewodnikowe

D
S

G

D
S

G

Tranzystory te należy polaryzować tak, aby:

nośniki poruszały się od źródła do drenu,

złącze bramka-kanał było polaryzowane zaporowo.

a)

b)

Rys. Symbole graficzne tranzystora polowego złączowego JFET.
a) z kanałem typu N, b) z kanałem typu P.

Źródło (ang. Source), oznaczone literą S. Jest elektrodą z której wypływają

nośniki ładunku do kanału. Prąd źródła oznacza się jako Is.

Dren (ang. Drain), oznaczone literą D. Jest elektrodą do której dochodzą

nośniki ładunku. Prąd drenu – ID, napięcie dren-źródło – UDS.

Bramka (ang. Gate), oznaczone literą G. Jest elektrodą sterującą

przepływem ładunków. Prąd bramki – IG, napięcie bramka-źródło – UGS.

Elementy
półprzewodnikowe

ZASADA DZIAŁANIA TRANZYSTORA POLOWEGO JFET

Ze wzrostem napięcia U

GS

:

maleje wartość płynącego przez tranzystor prądu;
przy mniejszych wartościach napięcia U

DS

następuje

zamknięcie kanału, czemu odpowiada mniejsza wartość
prądu nasycenia (rys.7.2b).

Rys. Zasada działania tranzystora polowego – JFET.
a) brak polaryzacji, b) rozszerzenie się warstwy
zaporowej w wyniku przyłożonego napięcia U

GS.

, c)

odcięcie kanału (Y), d) nasycenie tranzystora. U

p

= U

Gsoff

– napięcie odcięcia kanału.

0



GS

U

P

GS

U

U 



0

P

GS

U

U 

P

GS

U

U 

Elementy
półprzewodnikowe

PARAMETRY I CHARAKTERYSTYKI TRANZYSTORA POLOWEGO JEFT

Tranzystory polowe charakteryzują się:
parametrami statycznymi dla dużych wartości sygnałów,
parametrami dynamicznymi dla małych wartości sygnałów.
Właściwości statyczne tranzystora polowego opisują rodziny
charakterystyk przejściowych i wyjściowych.

Charakterystyki tranzystora złączowego:
charakterystyka przejściowa – przedstawia zależność
prądu drenu I

D

od napięcia bramka-źródło U

GS

, przy ustalonej

wartości napięcia dren-źródło U

DS

. Charakterystyki

przejściowe zależą od temperatury.

Rys. Charakterystyka przejściowa tranzystora złączowego.

Napięcie odcięcia bramka-źródło U

GS(off)

.

Prąd nasycenia I

DSS

Charakterystyka wyjściowa.
Przedstawia zależność prądu
drenu I

D

od napięcia dren-

źródło U

DS

, przy stałym

napięciu bramka-źródło U

GS

Rys. Charakterystyka wyjściowa tranzystora złączowego.

Elementy
półprzewodnikowe

PARAMETRY I CHARAKTERYSTYKI TRANZYSTORA POLOWEGO JEFT

Parametry statyczne:
prąd wyłączenia I

D(off)

,

rezystancja statyczna włączenia R

DS.(on)

,

rezystancja wyłączenia R

DS.(off)

,

prądy upływu.
Parametry graniczne:
dopuszczalny prąd drenu I

Dmax

(od kilku do

kilkudziesięciu miliamperów),
dopuszczalny prąd bramki I

Gmax

,

dopuszczalne napięcie dren-źródło U

Dsmax

(od

kilku do kilkudziesięciu woltów) lub bramka-źródło
U

Gsmax

,

dopuszczalne straty mocy P

totmax

 P

Dmax

(od

kilkudziesięciu do kilkuset miliwoltów).

Układy elektroniczne

Wzmacniacze

Zasilac
z

U

wy

Z

0

I

wy

U

we

I

w

e

Z
g

e

g



Rys. Schemat ogólny

wzmacniacza.

W każdym wzmacniaczu wyróżnia się dwa zasadnicze obwody:

•obwód sygnału;

•obwód zasilania.

Dla wzmacnianego sygnału wzmacniacz stanowi czwórnik
Do zacisków wejściowych jest dołączone źródło sygnału e

g

o

impedancji Z

g

,

a do zacisków wyjściowych – impedancja obciążenia Z

0

.

Napięcie wyjściowe U

wy

i prąd wyjściowy I

wy

są powiązane z

napięciem wejściowym U

we

i prądem wejściowym I

we

zależnościami:

we

u

wy

U

K

U 

we

i

wy

I

K

I



W zależności od tego, jaka wielkość jest sygnałem
wejściowym,
a jaka sygnałem wyjściowym wyróżniamy:

wzmocnienie napięciowe

we

wy

u

U

U

k 

wzmocnienie prądowe

we

wy

i

I

I

k 

wzmocnienie prądowo – napięciowe

we

wy

y

U

I

k 

wzmocnienie napięciowo – prądowe

we

wy

z

I

U

k 

wzmocnienie mocy

1





we

wy

p

P

P

k

PODSTAWOWE UKŁADY WZMACNIAJĄCE

Układy elektroniczne

Wzmacniacz tranzystorowy w układzie WE (wzmacniacz małej
częstotliwości)

W tym układzie źródła stałych EC i EB służą
do spolaryzowania złączy emiterowego i
kolektorowego tranzystora tak, aby
znajdował się on w stanie aktywnym

be

we

be

BE

B

r

U

r

U

I









gdzie: r

be

– rezystancja małosygnałowa baza-emiter tranzystora

B

C

I

I







0



0





CE

U

be

we

B

C

r

U

I

I

0

0













gdzie:



0

– współczynnik wzmocnienia prądowego

tranzystora

C

C

C

CE

R

I

E

U





be

C

we

C

C

CE

wy

r

R

U

R

I

U

U

0

















be

C

we

wy

u

r

R

U

U

k

0









B

be

we

R

r

r 

C

ce

wy

R

r

r 

o

wy

wy

i

R

r

r

k







0



;

Wzmacniacze

PODSTAWOWE UKŁADY WZMACNIAJĄCE

Układy elektroniczne

Napięcie

U

BE

baza-emiter

tranzystora zmienia się nieznacznie przy
zmianach prądu kolektora, dlatego też
napięcie wyjściowe jest prawie takie
samo jak napięcie wejściowe

Wzmacniacz tranzystorowy w
układzie WC
(wtórnik emiterowy)

we

wy

RE

U

U

U







1





we

wy

u

U

U

k

Wzmacniacz tranzystorowy w
układzie WB (wzmacniacz wielkich
częstotliwości)

Wzmacniacze

PODSTAWOWE UKŁADY WZMACNIAJĄCE

Układy elektroniczne

Właściwości układu o wspólnym emiterze WE:

- W zakresie małych i średnich częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym układ odwraca
fazę sygnału wejściowego o 180.

- Układ zapewnia dość duże wzmocnienie napięciowe i prądowe oraz duże wzmocnienie mocy.
- Rezystancja wejściowa układu jest umiarkowanie mała, zaś wyjściowa umiarkowanie duża.

Właściwości układu o wspólnym kolektorze WC:

- W zakresie małych częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym układ nie odwraca fazy sygnału
wejściowego.
- Wzmocnienie prądowe jest tego samego rzędu co w układzie WE.
- Wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności, stąd nazwa wtórnik.
- Rezystancja wyjściowa jest mała, a rezystancja wejściowa może być duża.
- Ze względu na dużą rezystancję wejściową i małą rezystancję wyjściową, układ o wspólnym
kolektorze stosujemy jako układy dopasowujące lub separujące.

Właściwości układu o wspólnym kolektorze WB:

- W zakresie małych częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym układ nie odwraca fazy
sygnału wejściowego.
- Wzmocnienie napięciowe jest zbliżone do wzmocnienia układu WE.
- Wzmocnienie prądowe jest mniejsze od jedności.
- Rezystancja wejściowa jest bardzo mała, rezystancja wyjściowa jest bardzo duża,

Wzmacniacze

Układy elektroniczne

Wzmacniacze

Wzmacniacz szerokopasmowy

1

R

2

R

C

R

E

R

we

U

wy

U

cc

U

C

R

U

B

U

E

U

B

I

C

I

E

I

2

1

2

R

R

R

U

U

CC

B





D

B

E

U

U

U





E

E

E

R

U

I 

C

B

E

I

I

I





E

D

B

E

E

C

R

U

U

R

U

I







ponieważ

C

E

C

B

I

I

I

I





,

C

C

RC

R

I

U





RC

CC

wy

U

U

U





we

wy

u

U

U

k 

f

d

k

u

0

2

1

1

f

g

f

Układy elektroniczne

Wzmacniacze

Wzmacniacz selektywny z obwodem LC

1

R

2

R

C

R

E

R

we

U

wy

U

cc

U

B

U

E

U

B

I

C

I

E

I

C

L

k

max

k

2

max

k

f



0

f

f

LC

f



2

1

0



Dobroć układu rezonansowego

f

f

Q





0

SPRZĘŻENIE ZWROTNE WE WZMACNIACZACH

Układy elektroniczne

X

wy

X

we

K





X

wy

X

s

X

r

Rys. Schemat wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym.

Współczynnik sprzężenia zwrotnego

wy

s

X

X





Wzmocnienie wzmacniacza bez sprzężenia

r

wy

X

X

K 

gdzie:
X

r

– sygnał sterujący

X

s

– sygnał sprzężenia zwrotnego

we

wy

f

X

X

K 



K

K

K

f





1

Zalety ujemnego sprzężenia zwrotnego:
- zmniejszenie wrażliwości układu na zmiany
parametrów elementów, warunków zasilania,
czynników zewnętrznych itp.,
- zmniejszenie zniekształceń nieliniowych, zakłóceń,
szumów,
- możliwość rozszerzania pasma przenoszenia
wzmacniacza i kształtowania zadanych charakterystyk
częstotliwościowych,
- możliwość zmiany wartości impedancji wejściowej i
wyjściowej,

Wzmocnienie układu ze sprzężeniem zwrotnym

Jeżeli |1 - K| > 1, to |Kf| < |K|, czyli

następuje zmniejszenie wzmocnienia.

Sprzężenie określa się jako ujemne.

Jeżeli 0 < |1- K| < 1, to |Kf| > |K|, czyli

następuje zwiększenie wzmocnienia.

Sprzężenie określa się jako dodatnie.

Jeżeli |1- K|  0, to wzmacniacz będzie

generował drgania, czyli stanie się

generatorem ze sprzężeniem zwrotnym.

Wzmacniacze

W zależności od pobieranego sygnału wyróżnia się:
Sprzężenie napięciowe, w którym sygnał sprzężenia (zwrotny)
jest proporcjonalny do napięcia wyjściowego.
Sprzężenie prądowe. Sygnał sprzężenia jest proporcjonalny do
prądu wyjściowego.
Ze względu na sposób wprowadzenia sygnału na wejście
wzmacniacza rozróżnia się:
Sprzężenie szeregowe. Sygnał sprzężenia jest wprowadzany
szeregowo z sygnałem wejściowym.
Sprzężenie równoległe. Sygnał sprzężenia jest wprowadzany
równolegle z sygnałem wejściowym.

Układy elektroniczne

Wzmacniacze

Jeżeli wzmocnienie K jest bardzo duże to



1





f

K

to o parametrach układu decyduje człon sprzężenia zwrotnego

WZMACNIACZE OPERACYJNE

Charakteryzują się następującymi właściwościami:

•bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym (powyżej 10000 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 ().

We1

We2

U

we2

U

we1

W

y

U

wy

Rys. 10.8. Symbol wzmacniacza

operacyjnego.

Podział wzmacniaczy ze względu na przeznaczenie:

•ogólnego przeznaczenia,

•szerokopasmowe,

stosowane w urządzeniach dokładnych, gdzie wymagana jest duża
rezystancja wejściowa, mały współczynnik cieplny i małe szumy,

do zastosowań specjalnych.

Układy elektroniczne

Wzmacniacze

Parametry wzmacniacza
operacyjnego idealnego
- nieskończenie duże wzmocnienie
przy otwartej pętli sprzężenia
zwrotnego (K  );

- nieskończenie szerokie pasmo
przenoszonych częstotliwości;
- nieskończenie dużą impedancję
wejściową (między wejściami oraz
między wejściami a masą);
- impedancję wyjściową równą zeru;
- napięcie wyjściowe równe zeru przy
sterowaniu sygnałem nieróżnicowym
(wspólnym);
- wzmocnienie idealne różnicowe, a
więc nieskończenie duże tłumienie
sygnału nieróżnicowego;
- niezależność parametrów od
temperatury.

Parametry wzmacniacza operacyjnego rzeczywistego

- wzmocnienie napięciowe różnicowe K

ur

.

- wzmocnienie napięciowe sumacyjne K

us

.

- współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego H

s

.

- rezystancja (impedancja) wejściowa różnicowa r

wer

(Z

wer

).

- rezystancja (impedancja) wejściowa sumacyjna r

wes

(Z

wes

).

- rezystancja (impedancja) wyjściowa r

wy

(Z

wy

).

- wejściowy prąd polaryzacji I

we

.

- wejściowe napięcia niezrównoważenia U

wen

.

- wejściowy prąd niezrównoważenia I

wen

.

- napięcie U

z

i moc P

z

zasilania.

- szerokość pasma częstotliwości –
określana częstotliwością graniczną f

g

,

marginesem wzmocnienia A i marginesem fazy

.

Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych:
- W układach analogowych, gdzie wykonują operacje: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania i różniczkowania,
- W wzmacniaczach logarytmicznych,
- W generatorach sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych,
- W filtrach,
- W detektorach liniowych i detektorach wartości szczytowej,
- W układach próbkujących z pamięcią.

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych

1. Wzmacniacz odwracający,
2. Wzmacniacz nieodwracający,
3. Wzmacniacz sumujący i odejmujący,
4. Wzmacniacz całkujący,
5. Wzmacniacz różniczkujący,
6. Wtórnik napięciowy,
7. Konwerter prąd – napięcie,
8. Przesuwnik fazy,
9. Prostownik idealny.

Układy elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

Układy elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

1. WZMACNIACZ ODWRACAJĄCY

U

A

B

A

U

we

R

1

R

2

R

3

U

B

I

1

I

2

U

wy

0





B

A

U

U

1

1

R

U

U

I

A

we





2

2

R

U

U

I

wy

A





we

wy

U

R

R

U

1

2





1

2

R

R

U

U

k

we

wy

u







wyjściowa równa zeru. W myśl tego otrzymujemy:

2

1

I

I 

0





B

A

U

U

Układy pracy

2

1

I

I 

B

A

U

we

R

1

R

2

U

B

U

A

I

1

I

2

U

wy

A

we

B

U

U

U





1

1

R

U

I

we



2

2

R

U

U

I

we

wy





2

1

R

U

U

R

U

we

wy

we









1

2

1

R

U

R

R

U

we

wy





1

2

1

2

1

1

R

R

R

R

R

U

U

k

we

wy

u











Układy elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

2. WZMACNIACZ NIEODWRACAJĄCY

Układy pracy

Układy elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

3a. WZMACNIACZ SUMUJĄCY

0





B

A

U

U

U

1

R

R

1

I

1

I

A

B

R

R

U

wy

I

2

I

3

I

n

R

2

R

3

R

n

U

2

U

3

U

n

I

I

I

I

n









2

1

1

1

1

R

U

I 

2

2

2

R

U

I 

n

n

n

R

U

I 

wy

U

R

I 























n

n

wy

R

U

R

U

R

U

R

U



2

2

1

1

RI

U

wy





Wartość rezystancji R

R

powinna

być

równa

rezystancji wynikającej
z

równoległego

połączenia rezystorów
R

1

, R

2

, ... R

n

i R.

Układy pracy

Układy elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

3b. WZMACNIACZ ODEJMUJĄCY(WZMACNIACZ RÓŻNICOWY)

B

A

U

U 

B

A

U

1

R

1

R

3

U

A

I

1

I

3

U

wy

R

2

R

4

I

2

I

4

U

2

3

1

I

I 

4

2

I

I 

1

1

1

R

U

U

I

A





3

3

R

U

U

I

wy

A





2

2

2

R

U

U

I

B





4

4

R

U

I

B











2

1

4

2

4

3

1

1

1

3

U

R

R

R

R

R

R

U

R

R

U

wy











2

4

1

3

R

R

R

R







1

2

1

3

U

U

R

R

U

wy





Układy pracy

Układy elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

4. WZMACNIACZ CAŁKUJĄCY - INTEGRATOR

C

R

1

R

2

R

3

U

wy

U

we

C

R

1

R

2

U

wy

U

we

I

1

I

;

1

1

R

U

I

we



dt

dU

C

I

wy





dt

dU

C

R

U

wy

we





1

we

wy

U

CR

dt

dU

1

1





 

 

0

1

1

U

dt

t

U

CR

t

U

we

wy









U

0

– wartość początkowego napięcia w chwili początkowej t = 0.

C

R

j

Z

Z

k

u

1

1

2

1











C

R

j

R

R

k

u

2

1

2

1







Zastosowanie układów całkujących.
Układy całkujące stosujemy przede wszystkim:
- w generatorach, do kształtowania przebiegu liniowego, trójkątnego i piłokształtnego,
- w filtrach,
- w układach wyznaczania wartości średniej.

Układy pracy

Układy elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

2

1

Z

Z

k

u





U

we

C

R

2

R

1

U

wy

I

c

I

gdzie

1

2

R

Z 

C

j

Z



1

1



C

R

j

k

u

1







I

I

C



dt

dU

C

I

we

C



1

R

U

I

wy





1

R

U

dt

dU

C

wy

we





 

 

 

t

d

t

dU

CR

t

U

we

wy

1





5. WZMACNIACZ RÓŻNICZKUJĄCY

Układy pracy

Układy elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

we

wy

U

U





R

U

we

U

wy

6. WTÓRNIK NAPIĘCIOWY

Wtórnik napięciowy uzyskuje się we wzmacniaczu
nieodwracającym przy zastosowaniu rezystora R o nieskończonej
wartości.

Układy pracy

Układy elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

Układ przetwarzający sygnał prądowy na sygnał napięciowy

U

we

R

U

wy

I

Układ ten charakteryzuje się małą rezystancją
wejściową. Może on współpracować tylko ze
źródłami

prądowymi

o

dużej

rezystancji

wewnętrznej, ponieważ jego wejście stanowi
masę pozorną. Wartość prądu wejściowego I nie
zależy

wówczas

od

parametrów

układu

konwertera, ale od źródła sygnału wejściowego.

IR

U

wy





7. Konwerter prąd-napięcie

8. Przesuwnik fazy

we

wy

U

CR

j

CR

j

U

2

2

1

1













2

2

2

2

2

1

2

ctg

R

C

CR

ar











R

1

R

1

R

2

U

wy

U

1

I

1

I

2

I

4

I

3

C

Zmieniając wartość rezystancji R2
(rezystor regulowany) od 0 do



(przy stałej częstotliwości napięcia
wejściowego), uzyskuje się w
układzie przesunięcie fazowe od -
180

 do - 360.

Układy pracy

Układy elektroniczne

Filtry

Podział filtrów:

Z uwagi na zastosowanie:
- filtry dolnoprzepustowe,
- filtry górnoprzepustowe,
- filtry środkowoprzepustowe (pasmowoprzepustowe),
- filtry środkowo zaporowe (pasmowozaporowe),
- filtry wszechprzepustowe,

Z uwagi na konstrukcję:
- filtry RC
- filtry LC
- filtry RLC
- filtry bierne
- filtry aktywne
-filtry z przełączanymi pojemnościami (filtry SC),

Układy elektroniczne

Filtry RC





RC

RC

k

o

1

;

1

1

2















RC

RC

k

o

1

;

1

1

1

2















RC

arctg

RC

tg

















;

RC

arctg

RC

tg









1

;

1





Filtr
dolnoprzepustowy

Filtr
górnoprzepustowy

Charakterysty
ka

amplitudowa

Charakterysty
ka
fazowa

RC

f

f







2

1

2

0

0





Układy elektroniczne

Filtry LC

Filtr
dolnoprzepustowy

Filtr
górnoprzepustowy

L

L

LC

f

f







2

1

2

0

0





Filtr środkowo-przepustowy – filtr Wiena

wy

U

f

0

f

f



dB

U

U

wy

wy

3

log

20

max



max

wy

U

. .

. .

.

.

.

.

Układy elektroniczne

Filtry aktywne

Filtr Butterwortha

o maksymalnie płaskiej charakterystyce amplitudowej

Filtr Czebyszewa

o maksymalnej ostrości załamania
charakterystyki amplitudowej w
obszarze przejściowym

Filtr Bessela

o maksymalnie płaskiej charakterystyce czasu opóźnienia

Układy elektroniczne

Generatory

Generatory to układy elektroniczne, które przetwarzają energię źródła
przebiegu stałego na energię przebiegu zmiennego wyjściowego
(impulsowego lub okresowego)

I Podział:
- impulsowe,
- sinusoidalne,
- przebiegu prostokątnego,
- przebiegu liniowego (trójkątnego, piłokształtnego).

II Podział:

- wyzwalane. Generatory, w których pojawienie się na wyjściu impulsu
zadanego kształtu lub ciągu impulsów jest uwarunkowane wcześniejszą
obecnością na wejściu impulsu wyzwalającego.
- synchronizowane. Wytwarzają one przebieg o zadanym kształcie bez
względu na to co jest na wejściu tzn. czy są impulsy pobudzające czy też
nie. Impulsy te służą do ustawienia fazy generowanego sygnału.
- sterowane. Generatory w których częstotliwość jest zależna od wartości
napięcia lub prądu sygnału wejściowego.

Układy elektroniczne

Generatory

u

k

U

wy

U

we

Warunki powstawania drgań we wzmacniaczu

f



Schemat funkcjonalny wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym (generatora sprzężeniowego).

+

wy

f

we

U

U









wy

f

we

u

wy

U

U

k

U







wy

f

U



u

k





wy

f

we

f

wy

U

U

k

U







u

f

u

we

wy

uf

k

k

U

U

k









1

uf

k

- wzmocnienie układu ze sprzężeniem
zwrotnym

amplitudowy warunek powstawania drgań.

fazowy warunek powstawania
drgań.

 

 

1

0

0





f

f

k

f

u



a warunek fazy przybiera postać:

 

 













360

0

0

0

n

f

f

K







.

Jeśli chcemy otrzymać drgania
sinusoidalne, to warunki te muszą być
łącznie spełnione dla jednej określonej
częstotliwości (f

0

).

Wtedy warunek amplitudy ma postać:

1



f

u

k















360

0

n

K







Układy elektroniczne

Generatory drgań
sinusoidalnych

Generator LC Colpitts’a

Cechą charakterystyczną
generatora Colpittsa jest
pojemnościowy dzielnik
napięcia C1, C2 określający
wartość napięcia sprzężenia
zwrotnego dodatniego. Od
pojemności zastępczej
kondensatorów C1 i C2
połączonych szeregowo i
indukcyjności L12 zależy
częstotliwość drgań

Układy elektroniczne

Generatory drgań
sinusoidalnych

Generator LC Meissnera

W generatorze Meissnera sprzężenie
zwrotne jest realizowane za pomocą
transformatora, którego uzwojenie
wtórne o indukcyjności L

2

wraz z

kondensatorem C

2

tworzy obwód

rezonansowy. Parametry tego obwodu
określają częstotliwość drgań

.

2

2

0

2

1

C

L

f





Generator LC Hartley’a

W generatorze tym transformator
zastąpiono cewką z dzielonym
uzwojeniem (L1, L2). Indukcyjność tej
cewki L = L1 + L2 wraz z
kondensatorem C12 dołączonym
równolegle określają częstotliwość
drgań

Układy elektroniczne

Generatory drgań
sinusoidalnych

Generatory z mostkiem
Wiena należą do generatorów
częstotliwości akustycznych i
ponadakustycznych, tzn.
generują drgania sinusoidalnie
zmienne w zakresie od kilku Hz
do ok. 1 MHz.

Generator RC z mostkiem
Wiena

Stan równowagi mostka występuje przy pulsacji

2

2

1

1

0

1

C

R

C

R





Warunek amplitudy wyraża się zależnością:

1

2

2

1

4

3

C

C

R

R

R

R





Układy elektroniczne

Układy zasilające

Napięcie stałe jest wytwarzane przez układ elektroniczny zwany zasilaczem.
Zasilacz przetwarza napięcie przemienne sieci zasilającej na napięcie stałe o
ustabilizowanej wartości.

Sie
ć

Transf

or-

mator

Prosto

- wnik

Filtr

Stabili
- zator

U

0

R

0

U

2

U

1

Schemat funkcjonalny zasilacza napięcia stałego.

Symbol transformatora powietrznego:

                                                                                                 

Symbol transformatora z rdzeniem ferromagnetycznym:

                                                                                                   

Układy elektroniczne

Zasilacz prądu stałego

Transformator

Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym)
podłączone jest do źródła prądu
przemiennego.

Przemienny prąd wywołuje powstanie
zmiennego pola magnetycznego, pole to
przenika przez pozostałe cewki (zwane
wtórnymi) i w wyniku indukcji
elektromagnetycznej powstanie w nich
zmiennej siły elektromotorycznej
(napięcia).

Dla transformatora idealnego obowiązuje
wzór:

  
.

Przekładnia
transformatorow
a

Układy elektroniczne

Zasilacz prądu stałego

Prostownik

Prostownik stosuje się przede wszystkim w odniesieniu do układów przekształcających prąd zmienny w prąd stały

Rozróżniamy następujące prostowniki
- półokresowy (dla prądu jednofazowego: jednopołówowy)
- pełnookresowy (dla prądu jednofazowgo: dwupołówkowy)
- wielofazowe (dla prądu np. 3-fazowego: jednopołówowy i dwupołówkowy)

współcześnie prostowniki są budowane niemal wyłącznie z diod krzemowych.

 

                                                                                                                               

t

t

t

t

t

t

Układy elektroniczne

Zasilacz prądu stałego

Prostownik

Układy elektroniczne

Zasilacz prądu stałego

Stabilizator

Stabilizatorem napięcia lub prądu stałego nazywamy układ, którego zadaniem jest
utrzymywania stałej, prawie stałej wartości napięcia lub prądu wyjściowego, przy określonych
granicach zmian napięcia zasilającego, obciążenia oraz czynników zewnętrznych, np.
temperatury, ciśnienia, wilgotności, czasu itd





T

I

U

f

U

wy

we

wy

,

,



Stabilizator

I

w

e

I

wy

U

wy

U

we

Prąd wyjściowy stabilizatora I

wy

stabilizatorów prądu jest funkcją napięcia
wejściowego, napięcia wyjściowego i
temperatury





T

U

U

f

I

wy

we

wy

,

,



Rys. Stabilizator sygnałów stałoprądowych.

Napięcie wyjściowe Uwy
stabilizatorów napięcia jest funkcją
napięcia wejściowego Uwe, prądu
wyjściowego (obciążenia) i
temperatury T

Układy elektroniczne

Zasilacz prądu stałego

we

U

wy

U

R

0

R

Stabilizator z diodą Zenera

I

z

I

wy

I

Układy elektroniczne

Zasilacz prądu stałego

Stabilizator tranzystorowy

wy

B

Z

I

I

I











Stabilizator ze sprzężeniem
zwrotnym

Układ

regulując

y

Układ

porównując

o -

wzmacniają

cy

Układ

pomiarow

y

Źródło

napięcia

odniesienia

U

p

R

o

U

wy

U

we

I

wy

U

o

I

Układ

porównując

o -

wzmacniają

cy

Układ

pomiarow

y

Źródło

napięcia

odniesienia

R

o

U

wy

U

we

I

w

y

I

Układ

regulując

y

I

R

R

S

b)

Rys. Schematy funkcjonalne stabilizatorów o działaniu ciągłym.

a) szeregowego, b) równoległego.

we

U

a)

Układy elektroniczne

Modulacja i
demodulacja

Modulacją nazywamy proces przemieszczania informacji zawartej w

pewnym paśmie częstotliwości do innego pasma częstotliwości.

Demodulacją nazywamy proces dekodowania, czyli przywracania

sygnałowi jego pierwotnego kształtu.

Przebieg, za pomocą którego przesyła się sygnał, nosi nazwę przebiegu

nośnego lub fali nośnej.

Sygnał nazywany jest przebiegiem modulującym lub częstotliwością

modulującą.







 



t

U

u

m

0

0

0

cos







 



t

f

U

u

m

0

0

0

2

cos

Rodzaje modulacji:

- modulacja amplitudy (AM) - amplituda przebiegu nośnego U

0m

jest

zmienna proporcjonalnie do sygnału ;
- modulacja częstotliwości (FM) - proporcjonalnie do sygnału
zmienia się częstotliwość f

0

przebiegu nośnego

- modulacja fazy (PM) - kąt fazowy

 zmienia się proporcjonalnie do

sygnału

sinusoidalny przebieg nośny napięcia

Układy elektroniczne

Modulacja i demodulacja

Modulacja
częstotliwości

Częstotliwość nośna f

0

Częstotliwość modulująca f

s

Amplituda sygnału

modulującego U

sm

Amplituda napięcia modulującego
określa wartość dewiacji
częstotliwości f

d

, czyli jej

odchylenia od częstotliwości nośnej

wskaźnik modulacji:

s

d

f

f

f

m 

Równanie częstotliwości chwilowej f
przebiegu o modulowanej częstotliwości
można zapisać w następujący sposób:

t

f

f

f

f

s

d



2

cos

0





wartość chwilową napięcia:





t

m

t

U

u

s

f

m





sin

cos

0

0









t

m

t

U

u

s

f

m





sin

0

0





.

 

 





 





 





 





 





 









































t

m

I

t

m

I

t

m

I

t

m

I

t

m

I

t

m

I

t

m

I

U

u

s

f

s

f

s

f

s

f

s

f

s

f

f

m



























3

cos

3

cos

2

cos

2

cos

cos

cos

cos

0

3

0

3

0

2

0

2

0

1

0

1

0

0

0

Układy elektroniczne

Modulacja i demodulacja

Demodulacja

Demodulacja jest procesem odwrotnym do modulacji. Zadaniem demodulatora jest przetworzenie
sygnału podanego na wejście, aby w jego wyniku odzyskać sygnał (modulujący) użyteczny (który
został zakodowany za pomocą modulacji) w zmodulowanym sygnale wejściowym.

Sygnałem wejściowym dla demodulatora AM
powinien być sygnał zmodulowany amplitudowo,
który ma postać:

t

A

u

s

0

cos





przy czym A – wartość chwilowa amplitudy
sygnału zmodulowanego amplitudowo,


0

– pulsacja sygnału nośnego.

0

Demodulator

AM

U

w

y

U

w

e

Rys. Dekoder diodowy

i filtr.

Uwy

A(t)

Układy elektroniczne

Modulacja i demodulacja

.

a) fala nie modulowana, b) fala modulowana.

Modulacja
amplitudy

t

f

U

u

m

0

0

0

2

cos





Przebieg fali
nośnej

Amplituda obwiedni jest
ułamkiem m amplitudy
przebiegu nie
modulowanego.
Ułamek m nazywa się
współczynnikiem
głębokości modulacji lub
krócej głębokością
modulacji i podawany jest
w procentach

t

f

U

u

s

sm

s



2

cos



Przebieg sygnału





om

s

U

t

m



cos

1

Amplituda fali
nośnej

Wartość chwilowa napięcia przebiegu zmodulowanego





t

U

t

m

u

om

s

0

cos

cos

1

















t

f

f

mU

t

f

f

mU

t

f

U

u

s

m

s

m

m











0

0

0

0

0

0

2

cos

2

2

cos

2

2

cos







+

Układy elektroniczne

Modulacja i demodulacja

Demodulacja

Sygnałem wejściowym dla demodulatora
FM powinien być sygnał zmodulowanego
częstotliwościowo, czyli sygnał który ma
powstać:





Ft

U

u

m

s



2

cos

0



przy czy F jest wartością chwilową częstotliwości

F(t
)

)

0

Demodulator

FM

U

wy

U

we

Rys. Demodulator FM.

U

wy

F(t)

Elektronika cyfrowa

1

x

2

x

3

x

n

x

1

y

2

y

3

y

m

y













 

t

t

X

f

Y 





,...

,

,

2

1

t

t

t

t

t

t

X

X

X

f

Y







Układ kombinacyjny
-bramka

Układ sekwencyjny - przerzutnik

Układ
cyfrowy

binarne
sygnały
wejściowe

binarne
sygnały
wyjściowe

Działanie układów cyfrowych związane jest z realizacją
funkcji logicznych w oparciu o algebrę Boole’a

Dowolnie złażoną funkcje logiczną można zrealizować w
oparciu o trzy podstawowe funkcje Boolowskie

x

y

x

x

y

x

x

y











2

1

2

1

Suma (OR)

Iloczyn (AND)

Negacja (NOT)

Układy cyfrowe

Algebra Boole’a

Algebra Boole'a. Prawa Demorgana

y

x

y

x







y

x

y

x







y

x

y

x







y

x

y

x











y

x

y

x

















y

x

y

x













prawo przemienności

prawo łączności

prawo rozdzielności





z

x

y

x

z

y

x













 

 



z

x

y

x

z

y

x













x

x



 0

1

1



x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

























0

1

0

0

 









 

y

x

y

x

x

x

y

x

y

x

x

y

x

x

y

x

y

x

x

x

y

x

y

x































Układy cyfrowe

Cyfrowe układy kombinacyjne

Układy kombinacyjne – układy, w których stan wyjść w każdej chwili jest
jednoznacznie określony przez stan wejść

- funktory logiczne
- multipleksery i demultipleksery
- dekodery i kodery
- sumatory
- komparatory

 

Bramki logiczne są układami cyfrowymi realizującymi funkcje logiczne jednej, dwu
lub wielu zmiennych.

 

Symbole bramek

logicznych                                                                                                                 

Układy cyfrowe

Funktory logiczne - bramki

Tabele prawdy bramek logicznych                                                

suma modulo 2
(ćwierćsumator)

Układy kombinacyjne

Multipleksery i demultipleksery

Multiplekser umożliwia wybór i przesłanie na wyjście Y sygnału z jednego
z N wejść informacyjnych x

k.

Multiplekser realizuje funkcję

wielopołożeniowego przełącznika z cyfrowym wyborem pozycji.

0

x

1

x

2

x

3

x

E

1

s

0

s

Y

wejścia
informacyj
ne

wejścia
sterujące

Y

E

1

s

0

s

0

x

1

x

2

x

3

x

Multiplekser 4 x 1

E

- wejście
zezwalające

Układy kombinacyjne

Multipleksery i demultipleksery

Demultiplekser układ realizujący funkcję wybierania, w którym słowo na
wejściach sterujących wybiera jedno z wielu wyjść i na to wyjście kierowana
jest informacja z wejścia

x

E

1

s

0

s

x

wejście
informacyj
ne

wejścia
sterujące

0

Y

E

1

s

0

s

0

x

1

x

2

x

3

x

Demultiplekser 1 x 4

1

Y

2

Y

3

Y

0

Y

1

Y

2

Y

3

Y

E

- wejście
zezwalające

Układy kombinacyjne

Sumatory

Sumator – układ, który dodaje arytmetycznie dwie liczby dwójkowe

Operacja jednopozycyjnego dodawania (dodawania dwóch bitów z wraz z
przeniesieniem) polega na obliczeniu wartości dwóch funkcji y

i

oraz c

i+1

i

i

i

i

c

b

a

y







i

i

i

i

i

i

i

c

b

c

a

b

a

c







1

0

a



0

b

1

c

0

0



c

0

y

Sumator jednobitowy

0

a



0

b

1

c

0

0



c

0

y

1

a



1

b

2

c

1

y

1



n

a



1



n

b

n

c

1



n

y

Iteracyjny sumator n-bitowy

Układy kombinacyjne

Komparatory

Komparator – układ służący do porównania dwóch liczb, w
szczególności zapisanych w kodzie NKB

a

b





B

A





B

A





B

A

w

r

m

Komparator jednobitowy

Układy cyfrowe

Cyfrowe układy sekwencyjne

Synchroniczne układy sekwencyjne

Przerzutniki
synchroniczne

Symbol i wykres czasowy przerzutnika typu D (ang. Data)

D

Q

CLK

Q

Q

D

CLK

Układ nie zmienia swego stanu
aż do momentu pojawienia się
impulsu zegarowego

Układy cyfrowe

Cyfrowe układy sekwencyjne

Synchroniczne układy sekwencyjne

Przerzutniki
synchroniczne

T

Q

CLK

Q

R

Q

CLK

Q

J

Q

CLK

Q

S

K

Q

T

Q

SR

Q

JK

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

00 0

0

0

00 0

0

1

1

1

1

1

1

1

11

1

1

1

1 1

1

1

11

1

1

1

t

Q

1



t

Q

T

1

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

t

Q

1



t

Q

RS

1

1

0

0

1

0

1

0

t

Q

1



t

Q

JK

1

1

0

0

1

0

1

0





0

0

1

1

0

0

0

1

1

0









Tablice
przejść

Tablice
wymusze
ń

t

Q

1



t

Q

-

stan pierwotny

przerzutnika

-

stan następny przerzutnika po przyjściu impulsu

zegarowego

Układy cyfrowe

Cyfrowe układy sekwencyjne

Liczniki

Licznik – układ cyfrowy, który rejestruje liczbę impulsów podanych w
określonym czasie na odpowiednie wejście, oznaczane jako C, CK lub
CLK

Zastosowanie – pomiar czasu i pomiar częstotliwości

CE

C

R

n

Q

CE

C

R

n

Q

Generator zegarowy

E

T

mierzony odcinek czasu

zerowanie

CE

C

impuls zezwalający
na liczenie

zegar

impuls zerujący

R

Stan
licznika

0

1

2

1

... Q

Q

Q

Q

Q

n

n







Układy cyfrowe

Cyfrowe układy sekwencyjne

Rejestry

Rejestr – układ składający się z przerzutników, zwykle wspólnie sterowanych
sygnałem zegarowym i wykonujących podobne funkcje

Rejestr równoległo-
równoległy

PRESET

CLK

CLR

D

Q

Q

0

D

0

Q

D

Q

Q

1

D

1

Q

D

Q

Q

2

D

2

Q

D

Q

Q

3

D

3

Q

Wejścia informacyjne

Wejścia sterujące

i

D

PRESET CLK CLR

Wpis nowej
zawartości na
wejściach
informacyjnych
dokonuje się
sygnałem
zegarowym.

Po podaniu na
wejścia D

i

słowa

bitowego i po
przyjściu impulsu
zegarowego, słowo
zostanie
zapamiętane w tym
rejestrze i pojawi
się ono na
wyjściach Q

i

PRESET

ustawia stan jeden wszystkich
przerzutników