Narysować model pasmowy półprzewodnika domieszkowego typu p. Podać nazwy poszczególnych pasm.

pasmo przewodnictwa - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne uwolnione z atomu, będące wówczas nośnikami swobodnymi w ciele stałym. Analogicznie do półprzewodników typu n, jeżeli wprowadzimy pierwiastek grupy 13 to tuż powyżej pasma walencyjnego pojawia się wolny poziom, zwany akceptorowym. Spontaniczne przejście elektronów na ten poziom powoduje powstawanie dziur, które są nośnikiem dominującym.

Wyjaśnić podstawowa różnice pomiędzy półprzewodnikiem samoistnym i domieszkowym.

Półprzewodniki samoistne

Opisane zjawisko przewodzenia prądu przez czysty półprzewodnik pod wpływem ogrzewania lub naświetlania nosi nazwę przewodnictwa samoistnego. Przewodnictwo samoistne - to przewodnictwo elektryczne w półprzewodnikach nieuwarunkowane występowaniem zakłóceń atomowych sieci krystalicznej, lecz powstające na skutek pobudzenia cieplnego lub pod wpływem pola elektrycznego. Występuje we wszystkich półprzewodnikach, lecz zwykle jest bardzo małe w porównaniu z przewodnictwem niesamoistnym. Półprzewodnik samoistny jest to półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej. Koncentracja wolnych elektronów w półprzewodniku samoistnym jest równa koncentracji dziur. Przyjmuje się, że w temperaturze 0 kelwinów w paśmie przewodnictwa nie ma elektronów, natomiast w T>0K ma miejsce generacja par elektron-dziura; im wyższa temperatura, tym więcej takich par powstaje. Półprzewodniki samoistne nie posiadają zbyt wielu elektronów swobodnych (co objawia się dużym oporem właściwym, czyli małą przewodnością właściwą), dlatego też stosuje się domieszkowanie. Materiały uzyskane przez domieszkowanie nazywają się półprzewodnikami niesamoistnymi lub półprzewodnikami domieszkowanymi. Domieszkowanie polega na wprowadzeniu do struktury kryształu dodatkowych atomów pierwiastka, który nie wchodzi w skład półprzewodnika samoistnego. Na przykład domieszka krzemu (Si) w arsenku galu (GaAs). Ponieważ w wiązaniach kowalencyjnych bierze udział ustalona liczba elektronów, zamiana któregoś z jonów na atom domieszki powoduje wystąpienie nadmiaru lub niedoboru elektronów. Wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu n, domieszka taka zaś nazywana jest domieszką donorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom donorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko dna pasma przewodnictwa, lub w samym paśmie przewodnictwa. Nadmiar elektronów jest uwalniany do pasma przewodnictwa (prawie pustego w przypadku półprzewodników samoistnych) w postaci elektronów swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie elektronowym, lub przewodnictwie typu n (z ang. negative - ujemny). Wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu p, domieszka taka zaś nazywana jest domieszką akceptorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom akceptorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko wierzchołka pasma walencyjnego, lub w samym paśmie walencyjnym. Poziomy takie wiążą elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym (prawie zapełnionym w przypadku półprzewodników samoistnych) powodując powstanie w nim wolnych miejsc. Takie wolne miejsce nazwano dziurą elektronową. Zachowuje się ona jak swobodna cząstka o ładunku dodatnim i jest zdolna do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie dziurowym, lub przewodnictwie typu p (z ang. positive - dodatni). Dziury, ze względu na swoją masę efektywną, zwykle większą od masy efektywnej elektronów, mają mniejszą ruchliwość a przez to oporność materiałów typu p jest z reguły większa niż materiałów typu n. Rolę domieszki może pełnić również atom międzywęzłowy (atom umiejscowiony poza węzłami sieci) oraz wakans (puste miejsce w węźle sieci w którym powinien znajdować się atom).

Narysować symbol, podać nazwy poszczególnych elektrod oraz narysować charakterystykę

prądowo - napięciową diody półprzewodnikowej.

Rys. 1. Charakterystyka napięciowo- prądowa złącza p-n.

Na Rys. 1 przedstawiona jest charakterystyka diody ID=ID(UAK). Jak widać już przy bardzo małych napięciach UAK (jest to napięcie na diodzie) prąd płynący przez diodę ID (prąd przewodzenia) bardzo mocno wzrasta do dużych wartości. Tak jak każdy element dioda ma również swoje parametry graniczne, których nie można przekroczyć bez jej uszkodzenia. Dlatego prąd przewodzenia diody nie może przekroczyć jej prądu maksymalnego IFmax. Napięcie przewodzenia diody UF określa się przy prądzie przewodzenia IF=0,1·IFmax. Dla diody germanowej Ge (diody mogą być zbudowane z różnych półprzewodników) napięcie to zawiera się w zakresie od 0,2V do 0,4V, a dla diody krzemowej Si - od 0,5V do 0,8V.

Anoda, Katoda

Narysować tranzystor bipolarny w układzie OE, OB i OC.

Układ ze wspólnym emiterem OE (WE)

    W układzie WE (OE):

Układ ze wspólną bazą OB. (WB)

W układzie WB (OB):

Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC)

W układzie WK (OC):

Narysować rodzinę charakterystyk wyjściowych oraz wejściowych tranzystora bipolarnego.

Narysować symbol oraz temperaturowa charakterystykę rezystancji termistora NTC.

- termistor

Wyjaśnić, na czym polega sprzężenie zwrotne oraz jaka jest podstawowa różnica pomiędzy

sprzężeniem zwrotnym dodatnim i ujemnym.

Dodatnie sprzężenie zwrotne

    Sprzężenie zwrotne nazywamy dodatnim, gdy faza napięcia zwrotnego doprowadzonego z wyjścia do wejścia układu jest zgodna z fazą napięcia wejściowego. Przy zgodności faz obu sygnałów sterujących wzmacniacz, efektywny sygnał sterujący ulega zwiększeniu. Oznacza to, że współczynnik β - określający jaka część napięcia wyjściowego zostaje doprowadzona na wejście - jest dodatni.

Wzmocnienie układu z dodatnim sprzężeniem zwrotnym wyraża się zależnością (rys 4a):

Rys. 4 Sprzężenie zwrotne dodatnie i ujemne - wzorki

    Analizując wzór a) dochodzimy do wniosku, że wzrost wartości współczynnika β w przedziale (0, 1/K) powoduje wzrost wzmocnienia K_UF.

Przykład: K = 20, β = 0,025 , wtedy wzmocnienie przy zamkniętej pętli wyniesie K_UF = 40.

    Gdy współczynnik β dalej wzrasta i iloczyn β K zbliża się do jedności, wzmocnienie dąży do nieskończoności. Taki wniosek wynika z zależności matematycznej, fizycznie jednak omawiany przypadek jest niemożliwy. W układzie wystąpi generacja drgań, a nieskończone wzmocnienie oznacza, że generator sam dostarcza na wejście sygnał podtrzymujący drgania. Sygnał wyjściowy zostanie ograniczony do pewnej wartości określonej przez układ - nie może ona być jednak wyższa niż napięcie zasilające wzmacniacz.

    Dodatnie sprzężenie zwrotne jest podstawą działania generatorów, przy czym warunki generacji można wyrazić następująco: układ działa jak generator, gdy sprzężenie zwrotne jest dodatnie i dostatecznie silne (β K = l), aby podtrzymywać drgania. Jeżeli β K < l, w układzie następuje tylko wzrost wzmocnienia. Tego rodzaju dodatnie sprzężenie zwrotne, zwane również sprzężeniem regeneracyjnym lub niekiedy reakcją, stosuje się bardzo rzadko (m.in. ze względu na wzrost zniekształceń).

Ujemne sprzężenie zwrotne

    Sprzężenie zwrotne nazywamy ujemnym, gdy faza napięcia zwrotnego doprowadzonego z wyjścia do wejścia układu jest przeciwna w porównaniu z fazą napięcia wejściowego.

    Ujemne sprzężenie zwrotne powoduje zmniejszenie wzmocnienia wzmacniacza. Wynika to z faktu, że w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym doprowadzona na wejście część napięcia wyjściowego ma przeciwną fazę niż napięcie wejściowe, a więc odejmuje się od napięcia wejściowego. W rezultacie na wejściu wzmacniacza występuje mniejsze napięcie niż w przypadku braku ujemnego sprzężenia zwrotnego. Przy mniejszym napięciu wejściowym również napięcie wyjściowe ma mniejszą wartość. Ze względu na to, że źródło sygnału nie jest objęte pętlą sprzężenia zwrotnego, przy tym samym napięciu źródła otrzymujemy mniejsze napięcie wyjściowe, a zatem wzmocnienie układu ulega zredukowaniu.

Przykład: Przykład: K = 100, β = 0,1 , wtedy wzmocnienie przy zamkniętej pętli wyniesie K_UF = 9,09. Jeżeli wzmacniacz będzie posiadał bardzo duże wzmocnienie K - > nieskończoności, 1/K -> 0, to współczynnik wzmocnienia całego układu wyniesie:

K_UF = 1/β

Omówić wpływ rodzaju sprzężenia zwrotnego na wzmocnienie układu.

Impedancja wyjściowa
Rezystancja wejściowa układu ze sprzężeniem zwrotnym jest zależna od sposobu pobierania sygnału sprzężenia zwrotnego z wyjścia układu.
W układzie ze sprzężeniem napięciowym (rys. 5 i 6), wskutek równoległego dołączenia do wyjścia obwodu pętli sprzężenia zwrotnego, rezystancja (impedancja) wyjściowa jest mniejsza (1+β K) razy niż w układzie bez sprzężenia zwrotnego.
W układzie ze sprzężeniem prądowym (rys. 7 i 8), przy szeregowym dołączeniu do wyjścia obwodu pętli sprzężenia zwrotnego, rezystancja (impedancja) wyjściowa jest większa niż w układzie bez sprzężenia zwrotnego (1+β K) razy.

impedancja wejściowa
Sprzężenie szeregowe zwiększa impedancję wejściową układu z otwartą pętlą (1+β K) razy, natomiast sprzężenie równoległe zmniejsza ją tyle samo razy.

Przykład: Obliczenie jak zmieni się impedancja wejściowa układu z szeregową pętlą sprzężenia zwrotnego - rys. 9:

Rys. 9 Impedancja wejściowa układu objętego pętlą sprzężenia zwrotnego.

Tabela 1. Wpływ sprzężenia zwrotnego na parametry wzmacniacza

Rodzaj sprzężenia	Wzmocnienie napięciowe	Wzmocnienie prądowe	Impedancja wejściowa	Impedancja wyjściowa
Napięciowe-szeregowe	maleje	nie zmienia się	rośnie	maleje
Napięciowe-równoległe	nie zmienia się	maleje	maleje	maleje
Prądowe-równoległe	nie zmienia się	maleje	maleje	rośnie
Prądowe-szeregowe	maleje	nie zmienia się	rośnie	rośnie

Wyjaśnić, co to jest wzmocnienie napięciowe i wzmocnienie mocy układu.

Wzmocnienie napięciowe – jeden z parametrów (oznaczany zazwyczaj K_u) charakteryzujących elektroniczne układy wzmacniające. Wzmocnienie napięciowe jest to stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego układu, jest wielkością bezwymiarową, ale dla podkreślenia rodzaju współczynnika wyrażany jest w woltach na wolt [V/V]:

lub częściej w decybelach [dB]:

Wzmocnienie jest oznaczane dużą literą G (od ang. słowa Gain).

Wzmocnienie jest najczęściej wyrażane w decybelach (dB), choć może być wyrażane również jako V/V, A/A, W/W (lub stosunki odpowiednich jednostek wtórnych), przy czym w przypadku niestosowania definicji logarytmicznej podawanie jednostki nie jest konieczne. W przypadku definicji wzmocnienia z użyciem logarytmu naturalnego jednostką jest Neper.

Wzmocnienie mocy w decybelach, jest definiowane jako:

gdzie P_we i P_wy są mocami odpowiednio na wejściu i wyjściu mierzonego obwodu.

Zaś wzmocnienie mocy w watach na wat:

Czasami można spotkać się z innymi definicjami wzmocnienia mocy, mającymi inaczej przyjęte moce wejściowe i wyjściowe (np. w układach RF).

Wzmocnienie mocy średniej

Wzmocnienie mocy średniej (z ang. Avarage Power Gain) dwuwrotnika (np. wzmacniacza mocy) jest definiowane jako:

gdzie

• P_obc jest mocą średnią wydzieloną w obciążeniu

• P_we jest mocą średnią dostarczoną ze źródła do dwuwrotnika.

Używając parametrów macierzy rozproszenia można je przedstawić jako:

gdzie

• S_xy są elementami macierzy rozproszenia dwuwrotnika

• Γ_L jest współczynnikiem odbicia mocy obciążenia

• Δ_s = S₁₁S₂₂ − S₁₂S₂₁

Wzmocnienie mocy przetwornika

Wzmocnienie mocy przetwornika (z ang. Transducer Power Gain) jest definiowane jako:

gdzie

• P_obc jest mocą średnią wydzieloną w obciążeniu

• P_zr,maks jest dysponowaną mocą dostarczoną ze źródła do dwuwrotnika.

Źródło sygnału dostarcza do dwuwrotnika moc dysponowaną wtedy, gdy impedancja źródła równa się sprzężonej impedancji widzianej z wrót wejściowych dwuwrotnika.

Ta definicja wzmocnienia jest bardzo często stosowana w układach RF.

Dysponowane wzmocnienie mocy

Dysponowane wzmocnienie mocy( z ang. Available Power Gain lub Maximum Available Gain (MAG)) definiowane jest jako:

gdzie

• P_obc,maks jest dysponowaną mocą wydzieloną w obciążeniu

• P_zr,maks jest dysponowaną mocą dostarczoną ze źródła do dwuwrotnika.

Na obciążeniu wydziela się moc dysponowana wtedy, gdy impedancja obciążenia równa się sprzężonej impedancji widzianej z wrót wyjściowych dwuwrotnika.

Wzmocnienie napięcia

Wzmocnienie napięcia w decybelach wyraża się wzorem:

lub równoważnym mu:

gdzie:

• V_wy jest napięciem na wyjściowych zaciskach układu

• V_we jest napięciem na wejściowych zaciskach układu

Moc można zapisać wzorem: P=V ²/R. Zgodnie z tym, wzór na wzmocnienie mocy można zapisać jako:

W przypadku gdy wejściowa i wyjściowa impedancja R_we i R_wy są sobie równe, wzór powyższy upraszcza się do podanej definicji wzmocnienia napięcia. Wynika z tego, że w przypadku równości podanych impedancji wzmocnienie napięciowe jest równe wzmocnieniu mocy (gdy oba wzmocnienia są podane w decybelach).

Wzmocnienie (natężenia) prądu

Wzmocnienie prądu w decybelach wyraża się wzorem:

lub równoważnym mu:

gdzie:

• I_wy jest natężeniem prądu na wyjściu układu

• I_we jest natężeniem prądu na wejściu układu

Analogicznie jak uprzednio moc można zapisać wzorem: P=I ²R. Zgodnie z tym, wzór na wzmocnienie mocy można zapisać jako:

W przypadku gdy wejściowa i wyjściowa impedancja R_we i R_wy są sobie równe, wzór powyższy upraszcza się do podanej definicji wzmocnienia prądu. Wynika z tego, że w przypadku równości podanych impedancji wzmocnienie prądowe jest równe wzmocnieniu mocy (gdy oba wzmocnienia są podane w decybelach).

Narysować charakterystykę częstotliwościową wzmacniacza RC. Zaznaczyć na charakterystyce pasmo przenoszenia wzmacniacza.

Narysować układ różniczkujący oraz całkujący. Określić wpływ stałej czasowej τ na

kształt przebiegu zróżniczkowanego i scałkowanego.

Układ różniczkujący – układ elektroniczny którego napięcie wyjściowe było proporcjonalne do szybkości zmian napięcia wejściowego. Układy różniczkujące buduje się jako aktywne i pasywne. Układ różniczkujący składa się z kondensatorów i rezystorów (rzadziej z cewek i rezystorów). Działanie układu opiera się na relacji pomiędzy prądem i napięciem na kondensatorze.

,

Prąd płynący przez kondensator jest proporcjonalny do pochodnej napięcia wejściowego po czasie. Prąd ten płynie przez rezystor. Napięcie na rezystorze, równe napięciu wyjściowemu, określa prawo Ohma:

,

,

co potwierdza, że napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do pochodnej napięcia wejściowego.

gdzie:

• I - prąd płynący przez kondensator,

• C – pojemność,

• U – napięcie na kondensatorze,

• R - rezystancja opornika,

• U_wy - napięcie wyjściowe równe napięciu na rezystorze,

• U_we - napięcie wejściowe, w przybliżeniu równe napięciu na kondensatorze.

Układy różniczkowe są używane głównie w filtrach górnoprzepustowych, w systemach automatyki do przetwarzania sygnału. Były stosowane w pierwszej połowie XX w w maszynach analogowych do symulacji elektrycznej rozwiązań równań różniczkowych.

Pasywny układ różniczkujący

Aktywny układ różniczkujący

Integrator - ogólnie urządzenie do całkowania numerycznego lub graficznego (zob. integraf, integrometr); we współczesnym słownictwie technicznym raczej rodzaj całkującego układu elektronicznego (obwód prądu zmiennego, w którym napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do całki oznaczonej z napięcia wejściowego).

Układ całkujący zbudowany przy pomocy wzmacniacza operacyjnego.

Idealny układ całkujący odpowiada na sygnał wejściowy u(t) sygnałem y(t) według zależności:

Odpowiedzią idealnego układu całkującego na impuls Diraca jest skok jednostkowy. Odpowiedzią idealnego układu całkującego na wartość stałą jest funkcja liniowo zmienna.

Dobrym przybliżeniem układu całkującego jest układ ze wzmacniaczem operacyjnym, pokazany na rysunku.

Układ inercyjny RC pierwszego rzędu

W żargonie elektronicznym układem całkującym bywa nazywany układ inercyjny pierwszego rzędu złożony z rezystora i kondensatora. W rzeczywistości, napięcie na wyjściu układu (napięcie na kondensatorze) jest opisane równaniem całkowym:

Układ RC zachowuje się zatem jak układ całkujący jedynie w sytuacji gdy kondensator jest rozładowany , czyli gdy v_out(t) = 0.

Układ całkujący napięcie, różniczkujący napięcie

a) Wzmacniacz całkujący (intergrator)

Rys. 12 Wzmacniacz całkujący - schemat układu.

Analiza tak jak w przypadku układu wzmacniacza odwracającego:

1) I₁ + I₂ = 0 (w punkcie A)
2) U_A = 0

Na podstawie 1) i 2) :

gdzie U₀ - jest stałą (jest to napięcie U_WY w chwili t = 0).

Przykład zastosowania:
W szczególnym przypadku, gdy napięcie wejściowe jest stałe (U_WE = const.) oraz U₀ = 0 w chwili t = 0, napięcie wyjściowe układu opisuje zależność:

I tak sterowany wzmacniacz całkujący staje się generatorem liniowo narastającego napięcia.

Rys. 13 Przykładowe przebiegi na wejściu i na wyjściu wzmacniacza całkującego

b) Wzmacniacz różniczkujący

Rys. 14 Wzmacniacz różniczkujący - schemat układu.

Analiza tak jak w przypadku układu wzmacniacza odwracającego:
1) I₁ + I₂ = 0 (w punkcie A)
2) U_A = 0

Na podstawie 1) i 2) :

Po przekształceniu:

Przykład zastosowania:
Rysunek 15 przedstawia pewien analizowany przez wzmacniacz różniczkujący sygnał napięciowy - wejściowy i wyjściowy:

Rys. 15 Przykładowy sygnał napięciowy wejściowy i wyjściowy dla wzmacniacza różniczkowego.

Wyznaczenie położenia i wartości punktu A jest prostsze i dokładniejsze dla przypadku drugiego - sygnału wyjściowego ze wzmacniacza różniczkującego.

Rys. 16 Inne przykładowe przebiegi na wejściu i na wyjściu wzmacniacza różniczkującego.

Wymienić cechy idealnego wzmacniacza operacyjnego.

W poniższej tabeli przedstawiono właściwości, jakie powinien wykazywać idealny oraz cechy, jakie posiada rzeczywisty wzmacniacz operacyjny: (Tabela 1)

    W kolejnej tabeli przedstawiono podstawowe parametry jakimi powinien charakteryzować się wzmacniacz idealny w zestawieniu z parametrami masowo produkowanego i najpowszechniej stosowanego wzmacniacza µA 741 firmy FAIRCHILD (odpowiednik polski ULY 7741N) oraz z typowymi przedziałami wartości parametrów obecnie używanych WO (Tabela 2)

Narysować wzmacniacz operacyjny w układzie odwracającym fazę. Podać, jaką zależnością

jest wyrażone napięcie wyjściowe tego wzmacniacza.

Praca wzmacniacza operacyjnego w układzie odwracającym i nieodwracającym

a) Wzmacniacz odwracający

    Rysunek 4) przedstawia schemat wzmacniacza odwracającego. Sygnał wejściowy przez rezystor R₁ zostaje doprowadzony do wejścia odwracającego. Do tego samego wejścia przez rezystor R₂ doprowadza się z wyjścia napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wejście nieodwracające zostaje uziemione.

Rys. 4 Wzmacniacz odwracający - schemat układu.

   Analiza powyższego układu: 1) Wejście wzmacniacza operacyjnego nie pobiera żadnego prądu (jego impedancja wejściowa jest bardzo duża). Dlatego prąd o natężeniu I₁ płynący przez opornik R₁ musi być kompensowany prądem I₂ płynącym przez opornik R₂:

I₁ + I₂ = 0

2) Wzmacniacz operacyjny jest skonstruowany tak, że jego obwód wyjściowy stara się zrobić wszystko co konieczne, aby różnica napięć pomiędzy wejściami A i B była równa zeru.
-> Jeżeli punkt B dołączony jest do masy, potencjał punktu A jest również zerowy. (punkt A nazywany jest punktem masy pozornej)

U_AB = 0

Na podstawie 1) i 2) mamy:

    Niekorzystną cechą przedstawionego układu - wzmacniacza odwracającego fazę - jest mała wartość impedancji wejściowej równa rezystancji R₁.

Rys. 5 Przykładowe przebiegi na wejściu i na wyjściu wzmacniacza odwracającego

Omówić własności wzmacniaczy mocy pracujących w klasie A.

• konfiguracja prądowa końcówki mocy,

• praca w symulowanej klasie A,

• brak globalnego sprzężenia zwrotnego,

• brak elementów indukcyjnych i pojemnościowych na wyjściu,

• wejście typu FET,

• duża szybkość narastania impulsu,

• pełne właściwości wzmacniacza zaraz po załączeniu,

• duża wydajność prądowa zasilacza,

• korekcja kształtu sieciowego prądu zasilającego,

• miękki start,

• mały pobór mocy spoczynkowej,

• możliwość zdalnego załączania

Omówić własności wzmacniaczy mocy pracujących w klasie B.

Klasa B jest definiowana - jako praca z kątem przewodzenia 180^o. Wzmacniacz klasy B produkuje nieakceptowalny poziom zniekształceń przy pracy SSB. W klasie B punkty pracy wybiera się na krańcu liniowej części charakterystyki. W tranzystorze praktycznie punkt pracy znajduje się w charakterystyce I_CEO. Prąd kolektora w tranzystorze i prąd anodowy w lampie płyną we wzmacniaczach kl. B tylko w przybliżeniu przez jeden półokres napięcia anodowego (w stopniach), nazywa się kątem odcięcia przepływu Θ prądu kolektorowego lub anodowego. Kąt przepływu tranzystora lub lampy pracujących w kl. B jest równy Θ =180⁰.

Przeciwsobny wzmacniacz mocy klasy B przez długi okres stanowiły podstawowe układy, dostarczające do obciążenia moc akustyczną. Obecnie, dzięki rozwojowi technologii układów scalonych, zostały prawie całkowicie zastąpione przez scalone wzmacniacze mocy, nie wymagające transformatorów.

Wyjaśnić, na czym polega podstawowa różnica pomiędzy układami cyfrowymi i analogowymi.

Układy cyfrowe to rodzaj układów elektronicznych, w których sygnały napięciowe przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przypisywane są wartości liczbowe. Najczęściej (choć nie zawsze) liczba poziomów napięć jest równa dwa, a poziomom przypisywane są cyfry 0 i 1, wówczas układy cyfrowe realizują operacje zgodnie z algebrą Boola i z tego powodu nazywane są też układami logicznymi. Obecnie układy cyfrowe budowane są w oparciu o bramki logiczne realizujące elementarne operacje znane z algebry Boola: iloczyn logiczny (AND, NAND), sumę logiczną (OR, NOR), negację NOT, różnicę symetryczną (XOR) itp. Ze względu na stopień skomplikowania współczesnych układów wykonuje się je w postaci układów scalonych.

Zalety układów cyfrowych:

• Możliwość bezstratnego kodowania i przesyłania informacji – jest to coś, czego w układach analogowych operujących na nieskończonej liczbie poziomów napięć nie sposób zrealizować.

• Zapis i przechowywanie informacji cyfrowej jest prostsze.

• Mniejsza wrażliwość na zakłócenia elektryczne.

• Możliwość tworzenia układów programowalnych, których działanie określa program komputerowy (patrz: mikroprocesor, koprocesor).

Wady układów cyfrowych:

• Są skomplikowane zarówno na poziomie elektrycznym, jak i logicznym i obecnie ich projektowanie wspomagają komputery (patrz: język opisu sprzętu).

• Chociaż są bardziej odporne na zakłócenia, to wykrywanie przekłamań stanów logicznych, np. pojawienie się liczby 0 zamiast spodziewanej 1, wymaga dodatkowych zabezpieczeń (patrz: kod korekcyjny) i też nie zawsze jest możliwe wykrycie błędu. Jeszcze większy problem stanowi ewentualne odtworzenie oryginalnej informacji.

Klasyfikacja układów cyfrowych

Ze względu na sposób przetwarzania informacji rozróżnia się dwie główne klasy układów logicznych:

• układy sekwencyjne – w których stan wyjść zależy od stanu wejść x oraz od poprzedniego stanu

• układy kombinacyjne – w których sygnały wyjściowe zmieniają się w chwili zmian sygnałów wejściowych

Ze względu na technologie w jakiej wykonano bramki logiczne:

• bipolarne,

  • TTL (ang. Transistor-Transistor Logic),

  • ECL (ang. Emitter Coupled Logic),

  • I²L (ang. Integrated Injection Logic),

• unipolarne,

  • NMOS i PMOS,

  • CMOS (ang. Complementary MOS).

Ostatnimi laty bardzo popularne stały się programowalne układy cyfrowe. W odróżnieniu od programowalnych mikroprocesorów, programowana jest fizyczna struktura układu oparta na:

• matrycach,

  • PLA,

  • PAL,

• komórkach,

  • SPLD,

  • CPLD,

  • FPGA.

Ograniczenia techniczne [edytuj]

Przedziały napięć w układzie logicznym

Ze względu na różne czynniki, takie jak wahania napięcia zasilającego, zakłócenia zewnętrzne, rozrzut parametrów itp. sygnały przetwarzane w układach cyfrowych nie mają ściśle określonych wartości, stąd też liczby przypisuje się nie wartościom napięć, ale przedziałom napięć.

W układach logicznych, gdzie są zdefiniowane tylko dwie wartości liczbowe, rozróżnia się dwa przedziały napięć: wysoki (ozn. H, z ang. high) i niski (ozn. L, z ang. low); pomiędzy nimi jest przerwa, dla której nie określa się wartości liczbowej – jeśli napięcie przyjmie wartość z tego przedziału, to stan logiczny układu jest nieokreślony.

Jeśli do napięć wysokich zostanie przyporządkowana logiczna jedynka, a do niskich logiczne zero, wówczas mówi się, że układ pracuje w logice dodatniej (inaczej zwaną pozytywną), w przeciwnym razie mamy do czynienia z logiką ujemną (inaczej zwaną negatywną).

Układy analogowe to układy elektroniczne zbudowane z dyskretnych i scalonych elementów elektronicznych.

Połączenia elektryczne są konstruowane tak, aby pełniły określoną funkcję. W naszych czasach obróbka i przetwarzanie danych w układach elektronicznych odbywa się jedynie na technice cyfrowej.

Jednak operacje matematyczne takie jak całkowanie, dodawanie czy mnożenie odbywają się za pomocą analogowych układów elektronicznych. Do najbardziej znanych układów należą kondensatory, rezystory, cewki czy wzmacniacze operacyjne. Ciekawostką jest to, że przetwarzane analogowy sygnały mogą być stosowane także w układach pneumatyczno-mechanicznych.

Układy analogowe dzielimy na układy liniowe i nieliniowe. Do tych pierwszych (liniowe) zaliczamy funkcje z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Są to układy realizowane w technice dyskretnej i scalonej do których należą wszelkiego rodzaju integratory, sumatory, układy różniczkujące, odejmujące czy też sterowania źródłem prądu i napięcia.

Natomiast drugie (nieliniowe) pełnią bardzo ważną rolę w obróbce sygnałów pomiarowych i sterowalnych. Najważniejsze funkcje, które pełnia układy nieliniowe to ograniczniki napięcia, układy logarytmujące, wykładnicze oraz różnego rodzaju prostowniki.

Układy analogowe są niezbędne do przygotowywania przetworników analogowo-cyfrowych czy też cyfrowo-analogowych. Może być on użyty np. do pomiaru bardzo małych wartości napięcia, a w pneumatyce stosowany jest czasami w urządzeniach zagrożonych wybuchem.

Narysować symbole i podać tablice stanów bramek AND i OR.

Koniunkcja to zdanie złożone mające postać p i q , gdzie p, q są zdaniami. W rachunku zdań koniunkcję zapisuje się symbolicznie jako: . Przez koniunkcję rozumie się też zdanie mające postać p(1) i ... i p(n). Koniunkcję można zdefiniować precyzyjniej jako dwuargumentowe działanie określone w zbiorze zdań, które zdaniom p, q przyporządkowuje zdanie p i q

Działanie to pozostaje w ścisłym związku z działaniem przekroju zbiorów (patrz algebra zbiorów). Dlatego zdanie utworzone z innych zdań za pomocą koniunkcji jest też nazywane iloczynem logicznym. Koniunkcję zdań uznaje się za prawdziwą wtedy i tylko wtedy, gdy oba zdania p, q są prawdziwe.

Uproszczony schemat bramki logicznej AND - iloczynu bitowego

Symbol koniunkcji jako bramki logicznej:

Tablica prawdy (1 oznacza zdanie prawdziwe 0 zaś zdanie fałszywe):

0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Koniunkcja jest operacją dwuargumentową i charakteryzuje się następującymi cechami:

• przemienność

• łączność

Do oznaczenia koniunkcji stosowany jest także angielski spójnik AND (symbol funkcji boolowskiej).

Układy kombinacyjne i sekwencyjne.
Istotą techniki cyfrowej jest wytwarzanie cyfrowych sygnałów wyjściowych jako odpowiedzi na cyfrowe sygnały wejściowe. Na przykład sumator przetwarza doprowadzone do wejść dwie liczby 16-bitowe na 16-bitową sumę tych liczb oraz bit przeniesienia. Można także zbudować układ do mnożenia dwóch liczb. Są to operacje w rodzaju tych, jakie powinna wykonywać jednostka arytmetyczna komputera. Innym zadaniem może być porównanie dwóch liczb w celu sprawdzenia, która z nich jest większa. Albo porównanie zestawu sygnałów wejściowych z sygnałem pożądanym w celu sprawdzenia, czy wszystkie podzespoły weszły w tryb normalnej pracy. Można również zażądać dołączenia do liczby "bitu parzystości" tak, aby całkowita liczba jedynek w rozbudowanej reprezentacji liczby była parzysta, na przykład przed transmisją przez łącze. Następnie parzystość może być sprawdzona przy odbiorze, co daje prostą kontrolę poprawności transmisji. Innym typowym zadaniem układów cyfrowych jest pobranie pewnych liczb binarnych i ich wyświetlenie, wydrukowanie lub wydziurkowanie jako znaków dziesiętnych. We wszystkich wymienionych zadaniach sygnały (stany) wyjściowe są zdeterminowanymi funkcjami sygnałów (stanów) wejściowych. Zalicza się je do zadań "kombinacyjnych". Wszystkie mogą być wykonane za pomocą urządzeń zwanych bramkami, które realizują działania algebry Boole`a w dziedzinie układów dwustanowych (binarnych).
Istnieje druga klasa zagadnień, które nie mogą być rozwiązane przez utworzenie kombinacyjnych funkcji tylko bieżących stanów wejść, lecz wymagają znajomości poprzednich stanów wejść. Ich rozwiązanie wymaga zastosowania układów "sekwencyjnych". Typowe zadania tego rodzaju to: zamiana szeregowego ciągu bitów (bity następują kolejno jeden po drugim) w równoległy zestaw bitów, zliczanie jedynek w danej sekwencji, rozpoznanie pewnego wzoru w sekwencji, lub też wytworzenie jednego impulsu dla co czwartego impulsu wejściowego. Do realizacji wszystkich wymienionych zadań konieczne jest zastosowanie jakiejś pamięci cyfrowej. Podstawowym urządzeniem pamięciowym jest przerzutnik bistabilny (ang. flip flop lub bistable multivibrator). Zaczniemy od bramek i układów kombinacyjnych, ponieważ są one podstawą wszelkich układów cyfrowych. Technika cyfrowa stanie się bardziej interesująca, kiedy dojdziemy do układów sekwencyjnych, ale zabawa z samymi bramkami również dostarczy nam sporo radości.

Bramka OR
Wyjście bramki OR (czyli LUB) jest w stanie wysokim, jeżeli któreś z wejść (lub oba) jest w stanie wysokim. Można to wyrazić za pomocą "tablicy prawdy", pokazanej na rysunku 8.2. Narysowana bramka to 2-wejściowa bramka OR. W przypadku ogólnym bramki mogą mieć dowolną liczbę wejść, ale typowy układ scalony zawiera zwykle cztery bramki 2-wejściowe, trzy bramki 3-wejściowe lub dwie bramki 4-wejściowe. Na przykład wyjście 4-wejściowej bramki OR będzie w stanie wysokim, jeżeli przynajmniej jedno jej wejście będzie w stanie wysokim.

Rys. 8.2.
W algebrze Boole'a symbolowi OR odpowiada symbol +. "A LUB B" zapisywane jest jako A+B.

Bramka AND.
Wyjście bramki AND (czyli I) jest w stanie wysokim tylko wtedy, gdy oba wejścia są w stanie wysokim. Symbol logiczny tej bramki i tablicę prawdy pokazano na rysunku 8.3. Podobnie jak w przypadku bramek OR, dostępne są bramki AND 3- i 4-wejściowe (czasem o większej liczbie wejść). Na przykład 8-wejściowa bramka AND będzie miała wyjście w stanie wysokim tylko wtedy, gdy wszystkie wejścia będą w stanie wysokim.

Rys. 8.3.

Narysować symbole i podąć tablice stanów bramek NAND i NOR.

Inwerter (funkcja NOT). Często potrzebujemy zmienić stan logiczny na przeciwny (nazywa się to również negowaniem stanu logicznego). Jest to funkcja inwertera, "bramki" o jednym wejściu (rys. 8.4). Boole'owskim odpowiednikiem symbolu NOT (negacji) jest kreska pozioma stawiana nad negowanym elementem, a czasem apostrof ('). "NIE A" jest zapisywane jako A'. Dla wygody składających teksty na oznaczenie

Rys. 8.4.
negacji często zamiast kreski stosuje się symbole /, *, -, '. Tak więc, "NIE A" może być zapisane również następująco: A', -A, *A, /A, A*, A/. W danej publikacji wybiera się zazwyczaj jeden z wymienionych sposobów negacji i konsekwentnie się go stosuje w całym tekście. W naszej używamy notacji A'.

NAND i NOR
Funkcja NOT może być połączona z innymi funkcjami, tworząc NAND i NOR (rys. 8.5).

Rys. 8.5.