Zagadnienia szczegółowe na egzamin z elektroniki

1. Model pasmowy półprzewodnika

Teoria pasmowa - jest to teoria kwantowa opisująca stany energetyczne elektronów w krysztale. W odróżnieniu od atomów, w których dozwolone stany energetyczne elektronów stanowią zbiór poziomów dyskretnych, dozwolone elektronowe stany energetyczne w kryształach mają charakter pasm o szerokości kilku elektronowoltów.

Elektronowolt (eV) jest to energia, jaką uzyskuje elektron w wyniku zmiany swojego potencjału o 1 V.

Półprzewodniki charakteryzują się rezystywnością od 10^-4 do 10^-7 Ωm. Większą rezystywność mają dielektryki (izolatory), a mniejszą nadprzewodniki.

Innym, częściej stosowanym parametrem, głębiej ujmującym istotę fizyczną, jest szerokość pasma zabronionego W_g. Gdy szerokość tego pasma jest większa niż - umownie przyjęta - 2 eV (elektronowolt) wtedy materiał jest dielektrykiem, a dla przewodników W_g = 0.

2. Co to jest termoemisja, fotoemisja, fotoprzewodnictwo?

Termoemisja - emisja elektronów przez rozgrzane ciała, w wyniku cieplnego pobudzenia elektronów. Dla większości ciał emisja termoelektronowa zachodzi w temperaturach powyżej 1000 kelwinów, a dla trudnotopliwych metali w temperaturach powyżej 2000K.

Zjawisko znalazło szerokie zastosowanie w lampach elektronowych.

Rozgrzany metal lub tlenek metalu emituje elektrony. Gęstość prądu (J) emisji określona jest wzorem:

Gdzie A zwana stałą Richardsona określona jest wzorem:

• 
  T jest temperaturą w skali w kelwinach,

• W jest pracą wyjścia elektronu z metalu,

• k jest stałą Boltzmana,

• m i e to masa i ładunek elektronu,

• h to stała Plancka.

Fotoemisja - zjawisko fizyczne polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (tzw. efekt zewnętrzny) lub na przeniesieniu nośników ładunku elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi (tzw. efekt wewnętrzny), po naświetleniu jej promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju przedmiotu. Emitowane w ten sposób elektrony nazywa się czasem fotoelektronami.

Fotoprzewodnictwo polega na zwiększaniu przewodnictwa elektrycznego pod wpływem energii promienistej powodującej jonizacje atomów w danym ciele, wskutek czego zwiększa się liczba swobodnych elektronów powstających w tym ciele.

3. Jakie parametry charakteryzują impuls elektryczny?

• czas trwania,

• częstotliwość powtarzania (repetycji),

• wartość szczytowa (amplituda),

• czas narastania,

• kształt przebiegu.

Czas trwania impulsu określa się zwykle na poziomie od powiadającym połowie wysokości (amplitudy) impulsu. Częstotliwość powtarzania impulsów określa wartości szczytowe oraz średnią i skuteczną określa się tak samo jak dla przebiegu sinusoidalnego, z tym - oczywiście - wzajemne powiązania liczbowe są różne, zależnie od parametrów impulsów.

4. Opisać wpływ stałej czasowej τ na kształt przebiegu zróżniczkowanego i scałkowanego.

5. Charakterystyki częstotliwości filtru dolno- i górnoprzepustowego.

Filtr dolnoprzepustowy - układ elektroniczny, optyczny, akustyczny lub inny element przetwarzający sygnał (np. odpowiedni algorytm) przepuszczający częstotliwości sygnału poniżej ustalonej częstotliwości granicznej, tłumi składowe widma leżące w górnej jego części. Układ elektroniczny zbudowany jest zazwyczaj z cewki lub opornika i kondensatora. Ma jedno pasmo przepustowe i jedno tłumiące. Filtr dolnoprzepustowy jest układem całkującym stratnym. Wielkością charakteryzującą taki układ jest transmitancja, określana jako stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego. Często zapisuje się ją w postaci operatorowej. G(s)=K/(Ts+1), gdzie T - stała czasowa R*C, s - operator Laplace'a.

Częstotliwość graniczna przedstawionego układu filtra wynosi:

Co jest równoważne pulsacji:

Filtr górnoprzepustowy - układ elektroniczny bądź algorytm, który przepuszcza częstotliwości sygnału powyżej ustalonej częstotliwości granicznej, a tłumi składowe leżące poniżej.

W zależności od konstrukcji filtr taki zbudowany jest jako:

1. reaktancyjne L, C, zbudowane z cewek i kondensatorów,

2. pojedyncza cewka bądź kondensator,

3. bezindukcyjne, pasywne R, C,

4. piezoceramiczne,

5. aktywne - zawierające wzmacniacze,

6. cyfrowe.

Dla filtra RC częstotliwość graniczna określona jest wzorem

gdzie f - częstotliwość w hercach, R - opór rezystora w omach, i C - pojemność kondensatora faradach.

6. Układ pracy tranzystora jako czwórnika.

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)

Tranzystor pracujący w układzie OE charakteryzuje się:

• dużym wzmocnieniem prądowym (β=I_C/I_B),

• dużym wzmocnieniem napięciowym,

• dużym wzmocnieniem mocy.

Napięcie wyjściowe w układzie OE jest odwrócone w fazie o 180° w stosunku do napięcia wejściowego.

Tranzystor pracujący w układzie OB charakteryzuje się:

• małą rezystancją wejściową,

• bardzo dużą rezystancją wyjściową,

• wzmocnienie prądowe blisko jedności (α=I_C/I_E).

• Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych.

Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się:

• dużą rezystancją wejściową - co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości,

• wzmocnieniem napięciowym równym jedności,

• dużym wzmocnieniem prądowym (β+1=I_E/I_B)

7. Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego w układzie OE

Przesunięcie charakterystyk wejściowych względem siebie jest związane z modulacją szerokości bazy, natomiast przesunięcie charakterystyk wyjściowych jest spowodowane oddziaływaniem prądu bazy na prąd kolektora. Podobnie jak w układzie OB. Charakterystyki osiągają nasycenie, a ich nachylenie nie jest stałe, ale rośnie. Jest większe niż w układzie OB, gdyż część napięcia UCE polaryzuje złącze emiter - baza.

Charakterystyka przejściowa jest linią prostą o nachyleniu b - współczynnik wzmocnienia prądowego. Charakterystyki zwrotne są podobne do charakterystyk zwrotnych w układzie OB.

8. Klasy pracy A, B, C tranzystora

Klasa pracy wzmacniacza	Klasa A	Klasa AB	Klasa B	Klasa C
Sprawność	mała	średnia	duża	największa
Zniekształcenia	małe	niezbyt duże	duże	największe
Zastosowanie	wzm. napięcia  prądu stałego i zmiennego, wzmacniacze mocy.	wzmacniacze mocy - przeciwsobne	wzmacniacze mocy -  przeciwsobne	wzm. mocy w generatorach i nadajnikach
Amplituda sygnałów wejściowych ze względu na zniekształcenia	mała	dość duża	duża	największa

9. 
   Schemat blokowy prostownika

10. Prostownik jednopołówkowy i dwupołówkowy

Najprostszym prostownikiem jednopołówkowym jest pojedyncza dioda prostownicza wpięta w układ napięcia przemiennego. Pomimo prostoty takiego układu jest on bardzo rzadko stosowany z uwagi na występowanie dużego tętnienia napięcia wyjściowego. Dodatkowo, energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu - podczas drugiej połowy okresu napięcie jest po prostu blokowane i prąd w układzie nie płynie. Wprowadza to niesymetrię obciążenia układu prądu przemiennego, co jest niekorzystne dla sieci prądu przemiennego. Z powyższych powodów rozwiązanie stosowane tylko w układach niewielkiej mocy.







Prostowniki dwupołówkowe umożliwiają wykorzystanie mocy źródła napięcia przemiennego przez cały okres. Napięcie wyjściowe takiego prostownika charakteryzuje się mniejszymi tętnieniami niż w przypadku prostowników jednopołówkowych. Jedyną wadą jest to, że układ elektryczny jest nieznacznie bardziej skomplikowany. Układ mostkowy, tzw. mostek Graetza, wykorzystuje cztery diody prostownicze, i pozwala na prostowanie napięcia z dowolnego źródła przemiennego. Istnieje również konstrukcja oparta na dwóch diodach, jednak wymaga ona specjalnego zasilania - uzwojenie wtórne transformatora musi być podzielone na dwie jednakowe części. Obecnie układy takie stosuje się niezwykle rzadko, ponieważ koszt dzielonego uzwojenia jest znacznie większy niż koszt diod użytych w układzie mostkowym.

11. Termistor NTC i PTC

Termistor to opornik półprzewodnikowy, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury. Wykonuje się je z tlenków: manganu, niklu, kobaltu, miedzi, glinu, wanadu i litu. Od rodzaju i proporcji użytych tlenków zależą właściwości termistora.

• NTC - o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature coefficient) - wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji;

• PTC - o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. positive temperature coefficient), tak zwany pozystor - wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji;

Podstawowe parametry:

• R - rezystancja nominalna, znormalizowana podawana jest zazwyczaj w temperaturze 25°C jako R25

• a - TWR - Temperaturowy Współczynnik Rezystancji (dla termistorów typu CTR podaje się temperaturę krytyczną)

• P - dopuszczalna moc

• B - stała materiałowa [wyrażona zwykle w kK - kilo Kelwinach

• tolerancja, w zależności od rodzaju wykonania termistora

12. Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza szerokopasmowego, określenie pasma przenoszenia wzmacniacza

Pasmo przenoszenia B jest to zakres częstotliwości wzmacnianych sygnałów, dla których moc wyjściowa wzmacniacza nie zmniejsza się poniżej 50% mocy uzyskanej w środku pasma. Częstotliwości te są nazywane częstotliwościami granicznymi , dolną (f_d) i górną (f_g), a ich różnica wyznacza szerokość pasma przenoszenia B=f_g-f_d.

13. Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza selektywnego, określenie pasma przenoszenia wzmacniacza

14. Pojęcie sprzężenia zwrotnego ujemnego i dodatniego

Sprzężenie zwrotne (ang. feedback) - oddziaływanie sygnałów stanu końcowego (wyjściowego) procesu (systemu, układu), na jego sygnały referencyjne (wejściowe). Polega na otrzymywaniu przez układ (proces, system) informacji o własnym działaniu (o wartości wyjściowej). Matematycznym, jednoznacznym opisem bloku gałezi zwrotnej jest transmitancja. Informacja ta jest modyfikowana przez transmitancję bloku gałęzi zwrotnej lub też nie (w szczególnym idealnym przypadku).

Wyróżnia się sprzężenie zwrotne dodatnie, DSZ - gdy sygnał z gałęzi zwrotnej dodaje się do wartości referencyjnej w węźle sumacyjnym oraz sprzężenie zwrotne ujemne, USZ - gdy sygnał z gałęzi zwrotnej odejmuje się w węźle sumacyjnym od wartości referencyjnej.

Sprzężenie zwrotne ujemne stanowi fundamentalny mechanizm samoregulacyjny. Z cybernetycznego punktu widzenia ma ono za zadanie utrzymanie wartości jakiegoś parametru na zadanym poziomie. Zachodzi ono wtedy, gdy jakiekolwiek zaburzenia powodujące odchylenie wartości parametru od zadanej wartości w którąkolwiek stronę indukują działania prowadzące do zmiany wartości parametru w stronę przeciwną (stąd nazwa "ujemne"), a więc do niwelacji (kompensacji) efektu tego odchylenia.

Mówiąc obrazowo: wartość parametru sprzężonego ujemnie zachowuje się jak niewielka kulka na dnie półkulistego zagłębienia: każde wytrącenie jej z równowagi powoduje powtórne staczanie się w kierunku najniższego punktu, pośrodku zagłębienia. W przypadku sprzężenia zwrotnego ujemnego wartość parametru oscyluje więc wokół wartości zadanej.

Sprzężenie zwrotne dodatnie polega na tym, że w sytuacji zakłócenia jakiegoś parametru w układzie, układ ten dąży do zmiany wartości parametru w kierunku zgodnym (stąd - "dodatnie") z kierunkiem, w którym nastąpiło odchylenie od "zadanej" wartości. Sprzężenie zwrotne dodatnie powoduje zatem narastanie odchylenia.

Mówiąc obrazowo: wartość parametru sprzężonego dodatnio zachowuje się jak niewielka kulka na szczycie półkulistego wzniesienia: każde wytrącenie jej z równowagi powoduje coraz szybsze staczanie się w kierunku, w którym nastąpiło wytrącenie, aż do wypadnięcia kulki poza układ (o ile nie zadziała odrębny bodziec hamujący). W sprzężeniu zwrotnym dodatnim wartość parametru odchyla się więc od wartości "zadanej" tym szybciej, im dalej już się od niej znajduje.

15. Właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego

• nieskończenie dużym wzmocnieniem przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (A_O → ∞)

• nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia (od 0 do ∞)

• zerową rezystancją wyjściową (R_O → 0) i nieskończenie dużą rezystancją wejściową (R_I → ∞) przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego

• napięciem wejściowym równym zeru przy zerowej wartości różnicowego napięcia wejściowego , czyli zerowym napięciem niezrównoważenia (U_IO → 0)

16. Wzmacniacz operacyjny nieodwracający i odwracający fazę.

W układzie odwracającym wzmacniany sygnał jest doprowadzany do wejścia odwracającego, wejście nieodwracające jest zaś dołączone do masy układu. Rezystory R₁ i R₂ stanowią obwód sprzężenia zwrotnego (napięcie równoległe). Napięcie wejściowe U_I jest podawane przez rezystor R₁ na wejście odwracające wzmacniacza. Jeżeli rezystancja wejściowa jest bardzo duża, to można przyjąć, że prąd wpływający do wzmacniacza jest równy zeru.


W układzie nieodwracającym sygnał jest doprowadzany jest do wejścia nieodwracającego, do wejścia odwracającego jest zaś podłączony dzielnik napięciowy (rezystory R₁ i R₂) obwodu sprzężenia zwrotnego (napięcie szeregowe).




17. Warunki generowania drgań

Generator drgań (także: oscylator) - układ elektryczny, którego celem jest wytworzenie drgań elektrycznych. Składa się z dwóch podstawowych elementów: wzmacniacza i obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego podającego sygnał z wyjścia wzmacniacza z powrotem na jego wejście. O częstotliwości drgań decyduje obwód sprzężenia zwrotnego, o ich amplitudzie - parametry wzmacniacza.

Aby układ rozpoczął generację muszą zostać spełnione dwa warunki: amplitudy i fazy. Warunek amplitudy mówi o tym, że sygnał na wejściu wzmacniacza podawany z układu sprzężenia zwrotnego musi być na tyle duży, aby na wyjściu wzmacniacza otrzymać sygnał o takim samym lub większym poziomie. Oznacza to, że tłumienie układu sprzężenia zawrotnego nie może być większe niż wzmocnienie wzmacniacza. Warunek fazy oznacza, że chwila maksimum sygnału na wejściu wzmacniacza, po przejściu przez wzmacniacz i układ sprzężenie zwrotnego wypadało zawsze w tym samym momencie. Oznacza to, że przesunięcie fazy całego układu musi być równe wielokrotności 2π (360°).

18. Generatory LC (Meissner, Hartley, Colpitts)


Generator Meissnera - jest to elektroniczny generator drgań typu LC, z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego zrealizowaną za pomocą transformatora, zapewniającego przesunięcie fazy równe 180°, dzięki odpowiedniemu połączeniu uzwojeń. Obwód rezonansowy tworzy uzwojenie wtórne o indukcyjności L wraz z kondensatorem C. Częstotliwość drgań tego obwodu określa równanie:


Generator Hartley'a zbudowany jest z jednostopniowego wzmacniacza pracującego w konfiguracji WE (wspólnego emitera) z pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającą obwód rezonansowy L, C1, w którym indukcyjność jest podzielona na dwie części L1 i L2 (stąd nazwa - generator z dzieloną indukcyjnością).





Generator Colpittsa zbudowany jest z jednostopniowego wzmacniacza pracującego w konfiguracji WE (wspólnego emitera) z pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającą obwód rezonansowy L,C1,C2, w którym pojemność jest podzielona na dwie części C1 i C2 (stąd nazwa - generator z dzieloną pojemnością). Punkt B rozdzielający kondensatory połączony jest do masy.




W powyższym układzie, dla częstotliwości rezonansowej:

19. Generatory RC (z przesuwnikiem fazowym, z mostkiem Wiena)

20. Multiwibratory: astabilny, monostabilny, bistabilny

Multiwibrator bistabilny posiada dwa stany stabilne, tj. posiada dwa punkty pracy, w których równowaga układu jest trwała. Przejście z jednego stanu trwałego do drugiego następuje poprzez wprowadzenie impulsu z zewnątrz (w podanym przykładzie poprzez podanie krótkiego impulsu ujemnego na bazę tego tranzystora, który ma zostać wyłączony).


Załóżmy, że w danej chwili tranzystor Q1 przewodzi; wówczas na jego kolektorze napięcie jest bliskie 0, więc poprzez rezystor R3 napięcie na bazie Q2 jest bliskie zero, tranzystor Q2 jest zatkany, napięcie na jego kolektorze jest bliskie napięciu +V, tak więc napięcie na bazie Q1 jest dodatnie i tranzystor przewodzi - stan jest stabilny.

Jeżeli teraz do bazy Q1 (wejście "Reset" na rysunku) doprowadzony zostanie impuls ujemny o amplitudzie i czasie trwania wystarczającym do zatkania tego tranzystora, wówczas napięcie na kolektorze Q1 staje się bliskie napięciu zasilania, co załącza tranzystor Q2, napięcie na jego kolektorze spada do wartości bliskiej zero, co podtrzymuje stan zatkania tranzystora Q2, nawet po zakończeniu impulsu zewnętrznego.

Multiwibrator monostabilny - inaczej uniwibrator, Jest to multiwibrator o jednym stanie równowagi trwałej i jednym nietrwałej.

W stanie równowagi trwałej tranzystor Q2 przewodzi a Q1 jest zatkany.


Jeżeli do bazy Q2 zostanie doprowadzony impuls ujemny, na kolektorze Q2 pojawi się napięcie bliskie +V, które przez rezystor R4 wprowadzi tranzystor Q1 w stan przewodzenia. Napięcie na kolektorze Q1 spadnie do wartości bliskiej zero, a więc jednocześnie spadnie napięcie na bazie Q1 (wynika to z własności kondensatora - napięcie na jego okładkach nie może zmienić się w sposób gwałtowny). Kondensator C1 zaczyna ładować się poprzez rezystor R2; w momencie, gdy napięcie na bazie Q2 jest wystarczające do załączenia tego tranzystora, napięcie na kolektorze Q2 spada do wartości bliskiej 0, tranzystor Q1 zostaje odcięty, kondensator C rozładowuje się poprzez R4, stan przewodzenia Q2 jest utrzymywany przez rezystor R2 - układ powrócił do stanu stabilnego..

Czas trwania stanu przewodzenia Q1, nazywany też czasem regeneracji, jest proporcjonalny do stałej czasowej R2C1.

Jest to układ przechodzący cyklicznie z jednego do drugiego stanu równowagi nietrwałej, jest zatem odmianą generatora relaksacyjnego.


Załóżmy, że w danej chwili tranzystor Q1 właśnie się załączył; napięcie na jego kolektorze spada do zera, co za tym idzie napięcie na bazie Q2 spada do zera i Q2 wyłącza się, napięcie na jego kolektorze wzrasta do +V w miarę jak kondensator C2 rozładowuje się poprzez rezystor R4, w tym czasie kondensator C1 ładuje się poprzez rezystor R2 do wartości, która pozwala na załączenie Q2. Gdy to nastąpi, napięcie na kolektorze Q2 spada do zera, co za tym idzie napięcie na bazie Q1 spada do zera i tranzystor ten zatyka się. Kondensator C1 rozładowuje się poprzez rezystor R1, a kondensator C2 ładuje się poprzez rezystor R3 do wartości, która pozwala na załączenie Q1 - cykl powtarza się.

Okres drgań obwodu jest proporcjonalny do sumy stałych czasowych C1R2 i C2R3; przy czym czasy regeneracji obu połówek generatora nie muszą być równe. W praktyce maksymalna asymetria, lub współczynnik wypełnienia, wynosi 1:50.

21. Podstawowe bramki logiczne: AND, OR, NAND, NOR

Bramka AND (iloczyn)

We jście 1	Wejście 2	Wyjście
0 0 1 1	0 1 0 1	0 0 0 1

Bramka ta realizuje tzw. iloczyn logiczny. Na wyjściu stan "1" występuje tylko i wyłącznie wtedy gdy na wszystkich wejściach bramki ustawiony jest również stan logiczny "1". Bramka ta posiada conajmniej dwa wejścia (u nas po lewej stronie) - może jednak posiadać ich więcej - teoretycznie nieskończenie wiele. W praktyce spotyka się bramki posiadające do 8 wejść. Natomiast wyjście wszystkie bramki mają tylko jedno. Bramki AND można znaleźć np. w układzie 7408.

Bramka OR (suma)

We jście 1	Wejście 2	Wyjście
0 0 1 1	0 1 0 1	0 1 1 1

Jest to tzw. bramka sumy logicznej. W przypadku tej bramki wystarczy aby choć na jednym z jej wejść pojawił się stan "1" i wtedy na wyjściu również pojawi się jedynka logiczna "1". Odnośnie ilości możliwych wejść - jak wyżej. Bramki OR znajdują się między innymi w układzie 7432.

Bramka NAND (negacja iloczynu)

Wejście 1	Wejście 2	Wyjście
0 0 1 1	0 1 0 1	1 1 1 0

Bramka ta stanowi jakby połączenie bramki AND i NOT. Zero logiczne "0" na wyjściu jest ustawiane tylko wtedy gdy na obu wejściach jest jedynka logiczna "1". W pozostałych przypadkach na wyjściu zawsze jest stan "1". Widać więc, że jest ona dokładną odwrotnością bramki AND - porównaj tablice prawdy dla obu bramek. Również i ta bramka może mieć wiele wejść i tylko jedno wyjście. Bardzo popularnym układem scalonym jest układ 7400 zawierający cztery bramki NAND.

Bramka NOR (negacja sumy)

Wejście 1	Wejście 2	Wyjście
0 0 1 1	0 1 0 1	1 0 0 0

A ta bramka natomiast jest odwrotnością bramki OR. Zero na wyjściu pojawia się zawsze wtedy, gdy choćby na jednym z wejść jest jedynka logiczna. Tylko wtedy gdy wszystkie wejścia są ustawione w stan "0" na wyjściu pojawia się "1". Bramki te można znaleźć w układzie 7402.

Wejście 1	Wejście 2	Wyjście
				AND	NAND	OR	NOR
0	0	0	1	0	1
0	1	0	1	1	0
1	0	0	1	1	0
1	1	1	0	1	0

---