Ηλεκτρονική. Ενότητα 1: Εισαγωγή. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Transcript

1 Ηλεκτρονική Ενότητα : Εισαγωγή Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

2 Περιεχόμενα ενότητας Ανασκόπηση των βασικών εννοιών, κανόνων και θεωρημάτων των γραμμικών δικτυωμάτων: κανόνες Kichhoff, θεώρημα Thevenin, θεώρημα Noton, θεώρημα επαλληλίας, θεώρημα μέγιστης μεταφοράς ισχύος, βασικά δίθυρατετράπολα Αναλογικά και ψηφιακά σήματα Συμβολισμοί Βασικά χαρακτηριστικά των ενισχυτών (απόδοση ισχύος, απολαβή-ενίσχυση, γραμμικότητα) Ενότητα : Εισαγωγή

3 Tι είναι η ηλεκτρονική; Ενότητα : Εισαγωγή 3

4 Αρχιτεκτονική Ενότητα : Εισαγωγή 4

5 Ηλεκτρονική Ενότητα : Εισαγωγή 5

6 Ο κόσμος της Ηλεκτρονικής Δίκτυα Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές Κινητά τηλέφωνα Τηλεπικοινωνίες Ιατρική Ενέργεια Διασκέδαση Βιομηχανία Ενότητα : Εισαγωγή 6

7 Tι περιέχουν οι ηλεκτρονικές συσκευές; Το δισκίο πυριτίου Το ολοκληρωμένο κύκλωμα Η κάρτα της ηλεκτρονικής συσκευής

8 Από τι αποτελούνται τα ολοκληρωμένα κυκλώματα; Το τρανζίστορ Το ηλεκτρονικό κύκλωμα Το φυσικό σχέδιο του ΟΚ Ενότητα : Εισαγωγή 8

9 H πόλη και το κύκλωμα Satelite image of Buenos Aies Photogaph of 8088 micopocesso Ενότητα : Εισαγωγή 9

10 Pentium 9.5 million tansistos 0.5 micon technolog Ενότητα : Εισαγωγή 0

11 Pentium 4 > 4 εκατομμύρια τρανζίστορς 0.3 micon technolog (50 φορές μικρότερο από το κύτταρο του αίματος) 3. GHz ρολόι (το φως διανύει μόλις 0 εκατοστά Ενότητα : Εισαγωγή

12 Ιntel CoeTM i Επεξεργαστής Ενότητα : Εισαγωγή

13 Ο Νόμος του Mooe «Ο αριθμός των τρανζίστορ ανά ψηφίδα διπλασιάζεται κάθε 8 μήνες». Ίσχυσε τα τελευταία 40 χρόνια. Ενότητα : Εισαγωγή 3

14 Πυκνότητα Ολοκλήρωσης Μικρότερα σχήματα οδηγούν σε μεγαλύτερο αριθμό τρανζίστορ ανά μονάδα επιφανείας (υψηλότερη πυκνότητα) και υψηλότερη ταχύτητα. Ενότητα : Εισαγωγή 4

15 Μέχρι τώρα είδαμε Η Ηλεκτρονική είναι παντού Αποτελεί ένα εξαιρετικά ανταγωνιστικό πεδίο με ταχύτατο ρυθμό προόδου Στην αιχμή της τεχνολογίας Πιέζει στα άκρα τα όρια της ταχύτητας, του βαθμού ολοκλήρωσης, των αυτοματισμών Ενότητα : Εισαγωγή 5

16 Μεθοδολογία αντιμετώπισης του αντικειμένου της Ηλεκτρονικής Υλικά Διατάξεις Κυκλώματα Γνωστές Διατάξεις: Αντιστάσεις, Πυκνωτές, Πηνία Διατάξεις που θα μελετηθούν: Δίοδοι, Διπολικά Τρανζίστορ (BJT), Τρανζίστορ Πεδίου (FET) Χρήση των Διατάξεων για τη σχεδίαση και την ανάπτυξη Κυκλωμάτων Ενότητα : Εισαγωγή 6

17 Γενικές Γνώσεις

18 Βασικοί Νόμοι και Θεωρήματα NOMO (ΚΑΝΟΝΕΣ) ΤΟΥ KCHHOFF Κόμβος σε ένα κύκλωμα είναι ένα σημείο στο οποίο συναντώνται τρεις ή περισσότεροι αγωγοί. Βρόχος είναι οποιοσδήποτε κλειστός αγώγιμος δρόμος. ος Κανόνας (των κόμβων): Τo αλγεβρικό άθροισμα των ρευμάτων σε ένα κόμβο είναι ίσο με μηδέν. ΣΙ = 0 (για κάθε κόμβο) ος Κανόνας (των βρόχων): To αλγεβρικό άθροισμα των τάσεων κατά μήκος οποιουδήποτε βρόχου είναι ίσο με μηδέν. Σ = 0 (για κάθε βρόχο) [Συμβάσεις για τα πρόσημα και την εφαρμογή των κανόνων] Ενότητα : Εισαγωγή 8

19 Παράδειγμα Θεωρούμε γνωστά τα E,,, και. Να υπολογιστούν τα, και E. Ενότητα : Εισαγωγή 9

20 Άσκηση Θεωρούμε γνωστά τα και. Να υπολογιστούν τα i, eq και ab. Ενότητα : Εισαγωγή 0

21 Διαιρέτες Τάσης - Ρεύματος Διαιρέτης Τάσης Διαιρέτης Ρεύματος o s s Ενότητα : Εισαγωγή

22 Θεώρημα της Επαλληλίας Η απόκριση ενός κυκλώματος είναι ανάλογη της διέγερσης που την προκαλεί. Σε ένα γραμμικό δικτύωμα με δύο ή περισσότερες πηγές, το ρεύμα που διαρρέει οποιοδήποτε παθητικό στοιχείο ή η τάση στα άκρα του μπορεί να υπολογιστεί σαν το αλγεβρικό άθροισμα των επί μέρους ρευμάτων ή τάσεων που οφείλονται σε καθεμιά από τις ανεξάρτητες πηγές όταν αυτή δρα χωριστά, με όλες τις άλλες ανεξάρτητες πηγές απενεργοποιημένες. Ενότητα : Εισαγωγή

23 3 Ενότητα : Εισαγωγή Παράδειγμα Να υπολογιστεί το ρεύμα i '' ' '' ' v i i i A A i i A A i s s

24 Θεώρημα Thevenin Οποιοδήποτε γραμμικό κύκλωμα μπορεί να αντικατασταθεί από μία πηγή τάσης σε σειρά με μία αντίσταση. Η τάση, th, υπολογίζεται ώστε να δημιουργεί το ίδιο ρεύμα που εμφανίζει το δικτύωμα. Η αντίσταση, th, ισούται με την αντίσταση που εμφανίζει το δικτύωμα με τις πηγές βραχυκυκλωμένες. th th Ενότητα : Εισαγωγή 4

25 Θεώρημα Noton Οποιοδήποτε γραμμικό κύκλωμα μπορεί να αντικατασταθεί από μία πηγή ρεύματος παράλληλα με μία αντίσταση. Το ρεύμα, N, ισούται με το ρεύμα βραχυκύκλωσης των ακροδεκτών και η αντίσταση, Ν, όπως και στο θεώρημα Thevenin. N N Ενότητα : Εισαγωγή 5

26 Θεώρημα Thevenin-Noton Ενότητα : Εισαγωγή 6

27 Θεώρημα μέγιστης μεταφοράς ισχύος Μια αντίσταση φόρτου δέχεται τη μέγιστη ισχύ από ένα γραμμικό κύκλωμα αν ισούται με την αντίσταση Thevenin του κυκλώματος αυτού. Στην περίπτωση αυτή L = TH, out = TH / και P out = TH/4 TH. TH TH L Ενότητα : Εισαγωγή 7

28 Άσκηση Για το κύκλωμα του σχήματος, να υπολογιστεί η αντίσταση φόρτου L για την οποία επιτυγχάνεται μέγιστη μεταφορά ισχύος στον φόρτο. Να υπολογιστεί επίσης η μέγιστη αυτή ισχύς, P L. Υπόδειξη: Να αντικατασταθεί το κύκλωμα μεταξύ των ακροδεκτών α και β (χωρίς την L ) από το ισοδύναμό του κατά Thevenin και να υπολογιστούν η τάση Thevenin th και η αντίσταση Thevenin th. Ενότητα : Εισαγωγή 8

29 Άσκηση 3 a) Υπολογίστε την τάση ab. b) Αν βραχυκυκλωθούν μεταξύ τους τα σημεία a και b, υπολογίστε τα ρεύματα που διαρρέουν τους τρεις κλάδους του κυκλώματος χρησιμοποιώντας την αρχή της επαλληλίας. Ενότητα : Εισαγωγή 9

30 30 Ενότητα : Εισαγωγή Δίθυρα ή Τετράπολα Δικτυώματα (a) (b) z z z z (c) h h h h (d) g g g g

31 Ισοδύναμα Κυκλώματα για τα αντίστοιχα δίθυρα ( από ) z z z z Ενότητα : Εισαγωγή 3

32 Ισοδύναμα Κυκλώματα για τα αντίστοιχα δίθυρα ( από ) h h h h g g g g Ενότητα : Εισαγωγή 3

33 Αντιστοιχία μεταξύ των παραμέτρων Αν γνωρίζουμε τις παραμέτρους ενός τετραπόλου μπορούμε να υπολογίσουμε τις h παραμέτρους. Απόδειξη Εφ όσον οι παράμετροι και h αφορούν το ίδιο τετράπολο θα πρέπει τα αντίστοιχα δικτυώματα να είναι ισοδύναμα μεταξύ τους. h h h h Ενότητα : Εισαγωγή 33

34 Αντιστοιχία μεταξύ των παραμέτρων (συνέχεια απόδειξης) ( ) ( ) h h h h Γενικά: Αν γνωρίζουμε ένα είδος παραμέτρων μπορούμε με τον τρόπο αυτό να υπολογίσουμε οποιοδήποτε άλλο. Ενότητα : Εισαγωγή 34

35 Παράδειγμα ( από ) Υπολογίστε τις τιμές των z παραμέτρων του κυκλώματος Ενότητα : Εισαγωγή 35

36 36 Ενότητα : Εισαγωγή Παράδειγμα ( από ) ) ( ) ( z z ) ( ) ( z z

37 Άσκηση 4 Υπολογίστε τις τιμές των h παραμέτρων του παρακάτω κυκλώματος. ά : h 4 5.6k h.50 h 00 h 0 h h h h h h h ie h fe e oe Ενότητα : Εισαγωγή x g 0 m g // 0 m 0 37

38 Λύση ( από 6) Το h υβριδικό ισοδύναμο ενός τετραπόλου (γενικά) h h h h Ενότητα : Εισαγωγή 38

39 Λύση ( από 6) Το h υβριδικό για το διπολικό τρανζίστορ κοινού εκπομπού (ειδικά) i b B be h ie h e ce h i fe b hoe i C C ce i c be h h fe ie i b i b h h oe e ce ce E Ενότητα : Εισαγωγή 39

40 Λύση (3 από 6) i b B be h ie h e ce h i fe b hoe i C C ce E h h h be ie 0 ce ib h c fe 0 ce ib i 0 0 be i b ( x // ) h ie x //.6k Ενότητα : Εισαγωγή 40

41 4 Ενότητα : Εισαγωγή Λύση (4 από 6) 00 g ) g )( // ( // ) g ( // // i i h // i ) g ( // // ) g ( g i i, // // 0, i, i g i i m m x be m x be 0 b c fe x be b m x be m m c x be 0 ce m c ce 0 0

42 4 Ενότητα : Εισαγωγή Λύση (5 από 6) 0 i ce be 0 e b h h 4 e ce be.5.5k 0M.5k h 0 i ce c 0 oe b i h h

43 43 Ενότητα : Εισαγωγή Λύση (6 από 6) 5 3 m 0 oe m 0 ce m 0 ce ce ce ce m 0 ce c ce π ce m 0 ce c k ).5 ( k 00k ) g ( h ] g [ )] ( g [ g i, g i

44 Σήματα ( από 4) Τυχαίο, αναλογικό σήμα τάσης Ημιτονικό σήμα τάσης, πλάτους α, συχνότητας f=/t και γωνιακής συχνότητας ω=πf. (t) sin t Ενότητα : Εισαγωγή 44

45 Σήματα ( από 4) Τετραγωνικός παλμός 4 (t) sin ot sin 3 ot sin 5 ot Ενότητα : Εισαγωγή 45

46 Σήματα (3 από 4) Φάσμα συχνοτήτων συμμετρικού τετραγωνικού παλμού τάσης Φάσμα συχνοτήτων τυχαίου αναλογικού σήματος Ενότητα : Εισαγωγή 46

47 Σήματα (4 από 4) Δειγματοληψία αναλογικού σήματος συνεχούς χρόνου Σήμα διακριτού χρόνου Ψηφιακός παλμός Ενότητα : Εισαγωγή 47

48 Ενισχυτές (t) o Ai( t) υ i : σήμα εισόδου υ o : σήμα εξόδου A : απολαβή ή ενίσχυση τάσης Γραμμικός ενισχυτής τάσης Ενότητα : Εισαγωγή 48

49 Ενισχυτής τάσης με φόρτο αντίσταση L Απολαβή τάσης Απολαβή ισχύος A A p ισχύς στον φόρτο P ισχύς εισόδου P L i i Απολαβή ρεύματος A i Έκφραση της απολαβής σε decibel i i A A p A i Ενότητα : Εισαγωγή 49

50 Γραμμικός Ενισχυτής Χαρακτηριστική μεταφοράς γραμμικού ενισχυτή τάσης με απολαβή Αυ A A p A i Ενότητα : Εισαγωγή 50

51 Άσκηση 5 ( από ) Αν γνωρίζουμε τις h παραμέτρους του ενισχυτή του σχήματος, να υπολογιστεί η απολαβή τάσης του: A 0 i

52 Άσκηση 5 ( από ) 0 h ( L // h ) h ( h L ) () i S h h 0 ( S h) i h 0 ( ) ( ) () 0 i h ( i S 0 h 0 ( S h ) h( h ) )( h h L ) h L h 0 0 A i h i ( ( S h S h )( h h h )( h L L ) h ) h Ενότητα : Εισαγωγή 5

53 Ο τελεστικός ενισχυτής «74» Ενότητα : Εισαγωγή 53

54 Η τροφοδοσία του ενισχυτή Απόδοση ισχύος Ισχύς που προσφέρεται από την τροφοδοσία: P dc = + Ισχύς που προσφέρεται από την πηγή σήματος εισόδου: P T Ισχύς που αποδίδεται στον φόρτο: P L Ισχύς που καταναλίσκεται στο κύκλωμα: P κατ P dc + P = P L + P κατ Απόδοση ισχύος του ενισχυτή: η P L P dc 00 Ενότητα : Εισαγωγή 54

55 Παράδειγμα (από) Ενισχυτής τροφοδοτείται με τάσεις ±0 και τραβάει ρεύμα 9.5mA από κάθε τροφοδοτικό. Στην είσοδό του συνδέεται ημιτονικό σήμα που δίνει τάση πλάτους και ρεύμα πλάτους 0.mA. Στην έξοδό του ο ενισχυτής δίνει ημιτονική τάση πλάτους 9 σε φόρτο kω. Να υπολογιστούν οι απολαβές τάσης, ρεύματος και ισχύος καθώς και η απόδοση του ενισχυτή. Ενότητα : Εισαγωγή 55

56 56 Ενότητα : Εισαγωγή Παράδειγμα (από) k ma ma L out in in DC DC ,, 9.08dB 0log 9 A 9 9 A db U in out U 9mA k 9 L out out 38.08dB 0log 90 A 90 0.mA 9mA A db i in out i 9,08 0log 80 A A 40.5mW 9 9mA P 0.05mW 0.mA P P db P out out out in in in 49 55mW mw P P P P 90mW 9 5mW 0 P out in DC DC DC DC. ).. (. % P P DC out

57 Όρια γραμμικής λειτουργίας του ενισχυτή - Κόρος Ενότητα : Εισαγωγή 57

58 Μη γραμμική χαρακτηριστική μεταφοράς Πόλωση του ενισχυτή Στιγμιαία τιμή της τάσης εισόδου: ( t) i ( t) ό : ( t ) o( t O ) Στιγμιαία τιμή της τάσης εξόδου: (t) A ( ) o i t O Η απολαβή τάσης είναι η κλίση της χαρακτηριστικής στο σημείο λειτουργίας: A d d Q Ενότητα : Εισαγωγή 58

59 Άσκηση 6 (από) Δίνεται η χαρακτηριστική μεταφοράς ενός ενισχυτή: O 0 0 e Να ευρεθούν τα όρια γραμμικής λειτουργίας του ενισχυτή και η τάση πόλωσης εισόδου ώστε η τάση εξόδου να είναι ίση με 5. Ενότητα : Εισαγωγή 59

60 60 Ενότητα : Εισαγωγή Άσκηση 6 (από) 40 ] )0 ln[(0 ] )0 ln[(0 40 )0 ( U U U U U e e U U U U U U U Q du du A

61 Συμβολισμοί i C C i c C c sin( ωt φ) Ενότητα : Εισαγωγή 6

62 Χρήση γραμμικών δικτυωμάτων για την ανάλυση των ενισχυτών Όταν ένας ενισχυτής έχει πολωθεί σωστά και το σήμα στην είσοδο του κρατείται αρκούντως μικρό, τότε υποθέτουμε ότι λειτουργεί στη γραμμική περιοχή και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τεχνικές ανάλυσης γραμμικών κυκλωμάτων για να μελετήσουμε τη λειτουργία του. Ενότητα : Εισαγωγή 6

63 Άσκηση 7 Υπολογίστε την απολαβή τάσης Αv του ενισχυτή του σχήματος (a), αν το ισοδύναμο μικρού σήματος του τελεστικού ενισχυτή δίνεται στο σχήμα (b). Ενότητα : Εισαγωγή 63

64 Τέλος Ενότητας

65 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. Ενότητα : Εισαγωγή 65

66 Σημειώματα

67 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση.0. Ενότητα : Εισαγωγή 67

68 Σημείωμα Αναφοράς Copight Εθνικόν και Καποδιστριακόν Πανεπιστήμιον Αθηνών, Αραπογιάννη Αγγελική 04. «Ηλεκτρονική. Ενότητα : Εισαγωγή». Έκδοση:.0. Αθήνα 04. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: Ενότητα : Εισαγωγή 68

69 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Ceative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. Ενότητα : Εισαγωγή 69

70 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. Ενότητα : Εισαγωγή 70

71 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνα 0: <Ανακτήθηκε από commons.wikimedia.og>< Ceative Commons Αναφορά προέλευσης 3.0 Μη εισαγόμενη> < Εικόνα : < Ανακτήθηκε από Wikipedia.g ><Άδεια Ceative Commons CC BY-SA 3.0> < Coppemine.jpg > Εικόνα : <Ανακτήθηκε από Wikipedia.g><Άδεια e Ceative Commons Attibution-Shae Alike 3.0 Unpoted> Ενότητα : Εισαγωγή 7