Κεφάλαιο 1 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Ενισχυτές 2

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Κεφάλαιο 1 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Ενισχυτές 2"

Ανάκλητος Γεωργίου
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Ενισχτές Κεφάλαιο ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας VSI Technlgy and Cmputer rchtecture ab ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση. Ενισχτές 2. Κέρδος τάσης, ρεύματος, ισχύος 3. Κορεσμός Πόλωση ενισχτή 4. Μοντέλα ενισχτών 5. Απόκριση σχνότητας 6. Δίκτα μονής σταθεράς χρόνο Ενισχτές 2

2 Σήματα Σήμα: πληροφορία πο αφορά τη δραστηριότητα το φσικού κόσμο. Σνήθως, τα σήματα μετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα (τάσεις ή/και ρεύματα) με χρήση κατάλληλων μετατροπέων ώστε να καταστεί δνατή η επεξεργασία τος από ηλεκτρονικά σστήματα. s s s s Πηγή σήματος κατά Thevenn Πηγή σήματος κατά Nrtn Ενισχτές 3 Φάσμα Σχνοτήτων Το φάσμα σχνοτήτων αποτελεί μία περιγραφή ενός σήματος στο πεδίο των σχνοτήτων. Επιτγχάνεται μέσω μαθηματικών εργαλείων (σειρά και μετασχηματισμός Furer). Ειδικότερα, η σειρά Furer επιτρέπει την έκφραση ενός σήματος, πο είναι περιοδική σνάρτηση το χρόνο, ως το άθροισμα ενός άπειρο αριθμού ημιτόνων των οποίων οι σχνότητες έχον αρμονική σχέση μεταξύ τος. V V Τετραγωνικός Παλμός T ω 0 =2π/Τ 4V ( t) sn0t sn30t sn50t Σειρά Furer t 4V 4V 3 Φάσμα Σχνοτήτων 4V 5 4V 7... ω ο 3ω ο 5ω ο 7ω ο ω(rad/s) Ενισχτές 4 2

3 Ενισχτές Γενικά Ενισχτής Δίθρο Δικτύωμα (t) (t) ( t) (t) Γραμμικός Ενισχτής = Κέρδος Ενίσχσης (t) (t) (t) (t) B 2 (t)... Μη Γραμμική Παραμόρφωση Ενισχτές Τάσης: ενισχύον το πλάτος το σήματος. Ενισχτές Ισχύος: αποδίδον κέρδος ρεύματος. Ενισχτές 5 Κέρδος Τάσης, Ρεύματος και Ισχύος Ο Κέρδος Τάσης I (t) I O Ο (t) 0 I Κέρδος Ρεύματος db 20lg0 db Χαρακτηριστική Εισόδο Εξόδο db db p 20lg 0lg 0 0 p db db p P P I Κέρδος Ισχύος Ενισχτές 6 3

4 Τροφοδοσία Ενισχτή V I V I V Ο V V V I Ο I 2 V 2 V 2 P V I V I P dc P P P Ενισχ. dc 2 2 P dc = κατανάλωση από την τροφοδοσία P Ενισχ. = εσωτερική κατανάλωση ενισχτή Αποδοτικότητα: P η P dc 00 Ενισχτές 7 Κορεσμός Ενισχτή Ο Ψαλιδισμός Χαρακτηριστική Εισόδο ΕξόδοΕξόδο V V V Κματομορφές Εξόδο t / t Διακύμανση σήματος εισόδο προς αποφγή ψαλιδισμού: V V V Κματομορφές Εισόδο t Ενισχτές 8 4

5 Πόλωση Κκλώματος V Σημείο Λειτοργίας (Πόλωσης Ηρεμίας) Ι (t) =V I (t) (t) ~ I Ο (t) = V O ο (t) Κλίση = Α V I Τάση Πόλωσης V I (t) (t) d d Q Βέλτιστο σημείο πόλωσης είναι ατό πο αντιστοιχεί στο μέσο της γραμμικής περιοχής λειτοργίας το ενισχτή, ώστε να πετύχομε το μέγιστο εύρος για τη διακύμανση της τάσης Ενισχτές εισόδο! 9 = αντίσταση εισόδο s Μοντέλο Ενισχτή Τάσης (Ι) Α ο = κέρδος τάσης ανοικτού κκλώματος Κκλωματικό Μοντέλο ο = αντίσταση εξόδο s Κύριο δομικό στοιχείο το μοντέλο (δίθρο δικτύωμα) είναι μια πηγή τάσης ελεγχόμενη από τάση. Η έχει σαν αποτέλεσμα να εμφανίζεται στην έξοδο μόνο ένα ποσοστό της. Ο διαιρέτης τάσης δίνει: Έτσι το κέρδος τάσης είναι: Ενισχτής τάσης (ΕΤ) με σήμα και φορτίο Ζητούμενο <<. Ιδανικά =0. Ενισχτές 0 5

6 Μοντέλο Ενισχτή Τάσης (ΙΙ) Κκλωματικό Μοντέλο Η έχει σαν αποτέλεσμα μόνο ένα μέρος της s να φτάνει στος ακροδέκτες το ενισχτή. Ο διαιρέτης τάσης δίνει: s s s s Ενισχτής τάσης (ΕΤ) με σήμα και φορτίο Ζητούμενο >> s. Ιδανικά =. Σνολικό κέρδος τάσης: s s Ενισχτές Μοντέλο ET και g Παράμετροι g 22 g g 2 g 2 ο g Αγωγιμότητα Εισόδο g 2 Κέρδος (Απολαβή) Τάσης (Ανοικτού Κκλώματος) g 2 0 Αντίστροφη Ενίσχση Ρεύματος g 22 Αντίσταση Εξόδο Ενισχτές 2 6

7 Παράδειγμα (I) 00KΩ s Πηγή Στάδιο Στάδιο 2 Στάδιο 3 Φορτίο ο ΚΩ ΜΩ 2 KΩ 00KΩ 3 0KΩ 0Ω Ω Ενισχτής Ενισχτής Ενισχτής Τάσης Τάσης Τάσης Ζητάμε τον πολογισμό το σνολικού κέρδος τάσης ( = / s ), κέρδος ρεύματος και κέρδος ισχύος P. Ενισχτές 3 Παράδειγμα (II) Διαιρέτης Πηγή Στάδιο Στάδιο 2 Στάδιο 3 Φορτίο Τάσης ο ΚΩ KΩ 0Ω 00KΩ ΜΩ 2 00KΩ 3 0KΩ 00Ω s Το μέρος το σήματος s πο φτάνει στην είσοδο το ενισχτή είναι: s ΜΩ ΜΩ 00ΚΩ Σντελεστής απώλειας σήματος στην είσοδο σύμφωνα με το διαιρέτη τάσης πο δημιοργείται στην είσοδο το κκλώματος. Ενισχτές 4 7

8 Διαιρέτης Πηγή Στάδιο Τάσης Στάδιο 2 Στάδιο 3 Φορτίο 00KΩ s Παράδειγμα (III) ο ΚΩ KΩ 0Ω ΜΩ 2 00KΩ 3 0KΩ 00Ω Το κέρδος τάσης κλειστού βρόχο το ο σταδίο βρίσκεται αν θεωρηθεί η αντίσταση εισόδο το 2 ο σταδίο ως φόρτος το ο σταδίο. Από το διαιρέτη τάσης πο προκύπτει, θα ισχύει: 2 00KΩ KΩ ΚΩ Ενισχτές 5 Παράδειγμα (IV) Πηγή Στάδιο Στάδιο 2 Στάδιο 3 Φορτίο ο ΚΩ KΩ 0Ω 00KΩ ΜΩ 2 00KΩ 3 0KΩ s Ω Παρόμοια, το κέρδος τάσης κλειστού βρόχο 2 το 2 ο σταδίο βρίσκεται αν θεωρηθεί η αντίσταση εισόδο το 3 ο σταδίο ως ςφόρτος το 2 ο KΩ KΩ ΚΩ Ενισχτές 6 8

9 Παράδειγμα (V) Πηγή Στάδιο Στάδιο 2 Στάδιο 3 Φορτίο ο ΚΩ KΩ 0Ω 00KΩ ΜΩ 2 00KΩ 3 0KΩ s Ω Τέλος, το κέρδος τάσης 3 το 3 ο σταδίο πολογίζεται ως ακολούθως: Ω Ω 0Ω Ενισχτές 7 Παράδειγμα (VI) Το σνολικό κέρδος τάσης των τριών εν σειρά σταδίων θα είναι: Το κέρδος τάσης από τη πηγή στο φορτίο ( / s ) θα δίδεται πολλαπλασιάζοντας το με το σντελεστή απώλειας σήματος στην είσοδο. s s s ή 57.4 db Το κέρδος ρεύματος θα είναι: 00 M ή 38.3 db Ενισχτές 8 9

10 Παράδειγμα (VII) Το κέρδος ισχύος P θα είναι: P P P I ή 98.3 db Παρατηρήστε ότι ισχύει: P (db) (db) (db) 2 end Ενισχτές 9 = αντίσταση εισόδο Μοντέλο Ενισχτή Ρεύματος (Ι) Α s = κέρδος ρεύματος βραχκκλώματος s Κκλωματικό Μοντέλο ο = αντίσταση εξόδο s s s Κύριο δομικό στοιχείο το μοντέλο είναι μια πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από ρεύμα. Η έχει σαν αποτέλεσμα να εμφανίζεται στην έξοδο μόνο ένα ποσοστό το ρεύματος s. Ο διαιρέτης ρεύματος δίνει: s Έτσι το κέρδος ρεύματος είναι: s Ενισχτής ρεύματος (ΕΡ) με σήμα και φορτίο Ζητούμενο >>. Ιδανικά =. Ενισχτές 20 0

11 Μοντέλο Ενισχτή Ρεύματος (ΙΙ) s Κκλωματικό Μοντέλο s s s Η έχει σαν αποτέλεσμα μόνο ένα μέρος το s να φτάνει στην είσοδο το ενισχτή. Ο διαιρέτης ρεύματος δίνει: s s Ζητούμενο << s. Ιδανικά =0. s Ενισχτής ρεύματος (ΕΡ) με σήμα και φορτίο Ενισχτές 2 Μοντέλο ΕΡ και h Παράμετροι h ο h 2 h 2 h 22 h Αντίσταση Εισόδο h 2 s Κέρδος (Απολαβή) Ρεύματος (Βραχκκλώματος) h 2 0 Αντίστροφη Ενίσχση Τάσης h 22 Αγωγιμότητα Εξόδο Ενισχτές 22

12 Μοντέλο Ενισχτή Διαγωγιμότητας = αντίσταση εισόδο G m = διαγωγιμότητα βραχκκλώματος Gm Κκλωματικό Μοντέλο ο = αντίσταση εξόδο Κύριο δομικό στοιχείο το μοντέλο είναι μια πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση. Η παράμετρος κέρδος είναι: Gm Ζητούμενο >>. Ιδανικά =. (τιμές αγωγιμότητας) s s Gm Ζητούμενο >> s. Ιδανικά =. Ενισχτής διαγωγιμότητας με σήμα και φορτίο Χρήση y παραμέτρων! Ενισχτές 23 s Μοντέλο Ενισχτή Διαντίστασης m = διαντίσταση ανοικτού κκλώματος = αντίσταση εισόδο s m Κκλωματικό Μοντέλο m ο = αντίσταση εξόδο Κύριο δομικό στοιχείο το μοντέλο είναι μια πηγή τάσης ελεγχόμενη από ρεύμα. Η παράμετρος κέρδος είναι: m Ζητούμενο <<. Ιδανικά =0. (τιμές αντίστασης) Ζητούμενο << s. Ιδανικά = 0. Ενισχτής διαντίστασης με σήμα και φορτίο Χρήση z παραμέτρων! Ενισχτές 24 2

13 Τύποι Μοντέλα Ενισχτών (Ι) Τύπος Μοντέλο Κκλώματος Παράμετρος Κέρδος Ιδεατά Χαρακτηριστικά Ενισχτής Τάσης Κέρδος Τάσης Ανοικτού Κκλώματος ο 0 (V / V) 0 Ενισχτής Ρεύματος s Κέρδος Ρεύματος Βραχκκλώματος s 0 ( /) 0 Μονόπλερα Μοντέλα (δεν ανάδραση από την έξοδο στην είσοδο) Ενισχτές 25 Τύποι Μοντέλα Ενισχτών (ΙΙ) Τύπος Μοντέλο Κκλώματος Παράμετρος Κέρδος Ιδεατά Χαρακτηριστικά Ενισχτής Διαγωγιμότητας G m Διαγωγιμότητα Βραχκκλώματος G m 0 (Α / V) Ενισχτής Διαντίστασης m Διαντίσταση Ανοικτού Κκλώματος m 0 (V / ) 0 0 Μονόπλερα Μοντέλα Για την μοντελοποίηση ενός ενισχτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε από τα προηγούμενα μοντέλα! Ενισχτές 26 3

14 Σχέσεις των Μοντέλων Ενισχτών Η τάση εξόδο ανοικτού κκλώματος στο μοντέλο το ενισχτή τάσης είναι: ο =Α ο. Στο μοντέλο το ενισχτή ρεύματος η τάση εξόδο ανοικτού κκλώματος δίδεται από τη σχέση: ο = s.. Εξισώνοντας τις δύο σχέσεις και λαμβάνοντας π όψιν ότι = / θα ισχύει: s s Παρόμοια ισχύει: G m και m Ενισχτές 27 Παράδειγμα Διπολικό Τρανζίστορ Κκλωματικό Σύμβολο Διπολικού Τρανζίστορ C B b be r π β b c C e Μοντέλο Ενισχτή Ρεύματος B Β BE C E CE B b E g m be c C E be Μοντέλο Ενισχτή Διαγωγιμότητας r π e Ενισχτές 28 E end 4

15 Απόκριση Σχνότητας Ενισχτών Γραμμικός ενισχτής Σνάρτηση Μεταφοράς Τ(ω) =V sn ωt =V sn (ωtφ) T(ω) V (ω) V (ω) κέρδος T(ω) φ φάση 20lg0 T(ω) Το εύρος των σχνοτήτων, για το οποίο το κέρδος το ενισχτή είναι περίπο σταθερό (με διακύμανση μέχρι 3dB), ονομάζεται: Εύρος Ζώνης Απόκριση Μέτρο ή Πλάτος ή Κέρδος Εύρος Ζώνης ω ω 2 ω Ενισχτές 29 Λογαριθμικές Κλίμακες Σχνότητας Στην αναπαράσταση της απόκρισης το κέρδος και της φάσης χρησιμοποιούμε λογαριθμική κλίμακα για τη σχνότητα. Μια τέτοια λογαριθμική κλίμακα δίδεται στο σχήμα πο ακολοθεί. Δεκάδα Οκτάβα f (Hz) lg Μία δεκάδα είναι ένα εύρος σχνοτήτων για τις οποίες ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη είναι 0. Π.χ. το εύρος σχνοτήτων από 2Hz σε 20Hz είναι μία δεκάδα ενώ το εύρος σχνοτήτων από 50Hz σε 5000Hz είναι δύο δεκάδες. Μία οκτάβα είναι ένα εύρος σχνοτήτων για τις οποίες ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη είναι 2. Π.χ. το εύρος σχνοτήτων από 0Hz σε 20Hz είναι μία οκτάβα ενώ το εύρος σχνοτήτων από 2ΚHz σε 6ΚHz είναι τρεις οκτάβες. Ενισχτές 30 5

16 Δίκτα Μονής Σταθεράς Χρόνο Ένα δίκτο μονής σταθεράς χρόνο ΜΣΧ σνίσταται (ή μπορεί να εκφλιστεί σε ένα δικτύωμα πο απαρτίζεται) από ένα παθητικό στοιχείο (πηνίο ή πκνωτή) και μία ωμική αντίσταση. Δίκτο Πκνωτή C Αντίστασης C Σταθερά Χρόνο Δίκτο Πηνίο Αντίστασης Δίκτα Μονής Σταθεράς Χρόνο Πκνωτή Αντίστασης C V C V V V Βαθπερατό Υψιπερατό Ενισχτές 3 Απόκριση Σχνότητας Δικτύων ΜΣΧ Ενισχτές 32 6

17 Απόκριση Βαθπερατών Δικτύων ΜΣΧ Απόκριση Πλάτος Διαγράμματα Bde 20dB / δεκάδα V C V Βαθπερατό Δίκτο Μονής Σταθεράς Χρόνο ω ο τ C Απόκριση Φάσης 45 ο / δεκάδα Ενισχτές 33 Απόκριση Υψιπερατών Δικτύων ΜΣΧ 20dB / δεκάδα Διαγράμματα Bde Απόκριση Πλάτος V C V Υψιπερατό Δίκτο Μονής Σταθεράς Χρόνο ω ο τ C 45 ο / δεκάδα Απόκριση Φάσης Ενισχτές 34 7

18 Δίκτα ΜΣΧ Βαθπερατού Τύπο ω 0 Ζ C = /(jωc) και Z = jω 0 Ενισχτές 35 Δίκτα ΜΣΧ Υψιπερατού Τύπο ω Ζ C = /(jωc) 0 και Z = jω Ενισχτές 36 8

Σχετικά έγγραφα

ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ. Ενισχυτές. Ενισχυτές. ΕνισχυτέςΓ. Τσιατούχας

ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ενισχτές ΕνισχτέςΓ. Τσιατούχας ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ενισχτές 2 Σήµατα Σήµα: πληροφορία πο αφορά τη δραστηριότητα το φσικού κόσµο. Σνήθως, τα σήµατα µετατρέπονται