Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Elektroniikan perusteet

6,643 views

Published on

TKK:n kurssin S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op) kertausluennon kalvot vuodelta 2007, jolloin toimin kurssin luennoitsijana.

Published in: Education
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Elektroniikan perusteet

  1. 1. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Transistorit Suodattimet Verkkolaitteet S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op) Kertauskalvot Vesa Linja-aho 1. elokuuta 2007 Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  2. 2. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Transistorit Suodattimet Verkkolaitteet 1 Operaatiovahvistinpiirit Peruslait Operaatiovahvistin Diodi Kondensaattori Positiivinen takaisinkytkent¨ a 2 Transistorit Bipolaaritransistori Kanavatransistorit 3 Suodattimet Alip¨¨st¨suodatin aa o Ylip¨¨st¨suodatin aa o Mitoitus ja taajuusmuunnokset N¨in mitoitan suodattimen a 4 Verkkolaitteet Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  3. 3. Sis¨lt¨ a o Peruslait Operaatiovahvistinpiirit Operaatiovahvistin Transistorit Diodi Suodattimet Kondensaattori Verkkolaitteet Positiivinen takaisinkytkent¨ a Virtapiirien peruslait Ydinasiat Kirchhoffin virta- ja j¨nnitelaki a Ekstrat Tikapuupiirin ratkaiseminen Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  4. 4. Sis¨lt¨ a o Peruslait Operaatiovahvistinpiirit Operaatiovahvistin Transistorit Diodi Suodattimet Kondensaattori Verkkolaitteet Positiivinen takaisinkytkent¨ a Virtapiirien peruslait Ydinasiat Kirchhoffin virta- ja j¨nnitelaki a J¨nnitteenjakos¨¨nt¨ a aa o Ekstrat Tikapuupiirin ratkaiseminen Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  5. 5. Sis¨lt¨ a o Peruslait Operaatiovahvistinpiirit Operaatiovahvistin Transistorit Diodi Suodattimet Kondensaattori Verkkolaitteet Positiivinen takaisinkytkent¨ a Operaatiovahvistin Uout = A(U+ − U− ) K¨ytt¨j¨nnite asettaa rajoitukset a oa Negatiivinen takaisinkytkent¨ pakottaa U+ = U− a Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  6. 6. Sis¨lt¨ a o Peruslait Operaatiovahvistinpiirit Operaatiovahvistin Transistorit Diodi Suodattimet Kondensaattori Verkkolaitteet Positiivinen takaisinkytkent¨ a Negatiivisen takaisinkytkenn¨n sovelluksia a J¨nnitteenseuraaja a Ei-invertoiva vahvistin Invertoiva vahvistin Invertoiva summain Erovahvistin Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  7. 7. Sis¨lt¨ a o Peruslait Operaatiovahvistinpiirit Operaatiovahvistin Transistorit Diodi Suodattimet Kondensaattori Verkkolaitteet Positiivinen takaisinkytkent¨ a Diodi ja zenerdiodi Ominaisk¨yr¨ on jyrkk¨ eksponenttik¨yr¨ a a a a a K¨sinlaskennassa k¨ytet¨¨n 0,7 voltin kynnysj¨nnitett¨ a a aa a a Virta kulkee vain, jos j¨nnite p¨¨st¨suuntaan a aa o Zenerdiodi voi johtaa my¨s estosuuntaan o Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  8. 8. Sis¨lt¨ a o Peruslait Operaatiovahvistinpiirit Operaatiovahvistin Transistorit Diodi Suodattimet Kondensaattori Verkkolaitteet Positiivinen takaisinkytkent¨ a Diodipiirien laskutekniikkaa Ensin selvitet¨¨n, mi(t)k¨ diodeista johtaa aa a Sitten lasketaan tutuilla s¨¨nn¨ill¨ aa o a Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  9. 9. Sis¨lt¨ a o Peruslait Operaatiovahvistinpiirit Operaatiovahvistin Transistorit Diodi Suodattimet Kondensaattori Verkkolaitteet Positiivinen takaisinkytkent¨ a Diodi ja operaatiovahvistin Diodeilla voidaan ”valita”, mik¨ vastus tulee a takaisinkytkent¨silmukkaan a Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  10. 10. Sis¨lt¨ a o Peruslait Operaatiovahvistinpiirit Operaatiovahvistin Transistorit Diodi Suodattimet Kondensaattori Verkkolaitteet Positiivinen takaisinkytkent¨ a Kondensaattori i = C du dt J¨nnite ei voi muuttua yht¨kki¨ (vaatisi ¨¨rett¨m¨n tehon) a a a aa o a t Muutosilmi¨: u(t) = k1 + k2 e − RC o 1 1 Kompleksilukulaskenta: Z = sC = jωC Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  11. 11. Sis¨lt¨ a o Peruslait Operaatiovahvistinpiirit Operaatiovahvistin Transistorit Diodi Suodattimet Kondensaattori Verkkolaitteet Positiivinen takaisinkytkent¨ a Positiivinen takaisinkytkent¨ a Operaatiovahvistimen l¨ht¨j¨nnite ajautuu aina toiseen a oa ¨¨rilaitaan aa Muutos tapahtuu, kun molemmissa tulonavoissa sama j¨nnite a Ratkaisutekniikka: Valitaan l¨ht¨¨n joko maksimi- tai minimil¨ht¨j¨nnite a oo a oa Lasketaan, mik¨ j¨nnite tulee ei-invertoivaan tuloon a a Lasketaan, mik¨ j¨nnitteen Uin tulee olla, jotta invertoivassa a a tulossa olisi sama j¨nnite a Piirret¨¨n hystereesissilmukka ja p¨¨tell¨¨n nuolien ja aa aa aa ”h¨ntien”suunta a Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  12. 12. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Bipolaaritransistori Transistorit Kanavatransistorit Suodattimet Verkkolaitteet Bipolaaritransistori Tyypit NPN ja PNP Kannan ja emitterin v¨lill¨ on diodiliitos (UBE ≈ 0,7 V) a a Estotila, aktiivitila, saturaatiotila ja zenertila Kalvoilla esitetyt j¨nnitteet kertovat NPN-transistorin a toiminnasta — PNP:ll¨ virtojen ja j¨nnitteiden suunnat ovat a a p¨invastaiset a Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  13. 13. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Bipolaaritransistori Transistorit Kanavatransistorit Suodattimet Verkkolaitteet Estotila Jos kanta-emitteridiodi ei johda, niin transistorissa ei kulje virtaa miss¨¨n aa Piiri k¨ytt¨ytyy kuten transistoria ei olisi koko piiriss¨ a a a Jos ei ole varma, johtaako transistori, sen voi ”irrottaa”piirist¨ a ja tutkia, tuleeko kannan ja emitterin v¨lille yli 0,7 voltin a j¨nnite a Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  14. 14. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Bipolaaritransistori Transistorit Kanavatransistorit Suodattimet Verkkolaitteet Aktiivitila UBE = 0,7 V ja IC = βIB Laskujen lopuksi pit¨¨ tarkistaa, ett¨ onhan UCE ≥ 0,2 V aa a Fysikaalisten rajoitusten takia UCE ei voi laskea alle 0,2 voltin (arvio) eik¨ menn¨ miss¨¨n olosuhteissa negatiiviseksi a a aa (muuten tuottaisi tehoa tyhj¨st¨). a a Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  15. 15. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Bipolaaritransistori Transistorit Kanavatransistorit Suodattimet Verkkolaitteet Saturaatio Joutuu saturaatioon, jos ”kantavirta on liian suuri” Saturaatiossa UCE = 0,2 V ja IC < βIB Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  16. 16. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Bipolaaritransistori Transistorit Kanavatransistorit Suodattimet Verkkolaitteet Zenertila Ei-toivottu tila, otettava huomioon suunnittelussa Kanta-emitteridiodi menee zenerpurkaukseen noin 5 V estosuuntaisella j¨nnitteell¨ a a Zenerpurkaus ei saa aikaiseksi kollektorivirtaa! Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  17. 17. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Bipolaaritransistori Transistorit Kanavatransistorit Suodattimet Verkkolaitteet Kanavatransistorit Tyypit MOSFET ja JFET T¨ll¨ kurssilla k¨sitell¨¨n N-kanava JFET ja N-kanavainen a a a aa avaustyyppinen MOSFET - JFET MOSFET Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  18. 18. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Bipolaaritransistori Transistorit Kanavatransistorit Suodattimet Verkkolaitteet JFET Hilalla ei kulje virtaa Hilan ja l¨hteen v¨lisell¨ j¨nnitteell¨ s¨¨dell¨¨n nieluvirtaa a a a a a aa aa Jos UGS = 0 V, niin ID = IDSS , miss¨ IDSS on a komponenttikohtainen vakio Jos UGS = UP , niin ID = 0. UP on komponenttikohtainen vakio, ja se on negatiivinen, esim. -3 volttia. UGS 2 N¨iden ¨¨rip¨iden v¨lill¨ ID = IDSS (1 − a aa a a a UP ) kun UDS ≥ UGS − UP D G - S JFET Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  19. 19. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Bipolaaritransistori Transistorit Kanavatransistorit Suodattimet Verkkolaitteet MOSFET Kuten JFET: ID = 0 ja UGS s¨¨telee nieluvirtaa aa Hilaj¨nnitteen oltava UT , jotta virta kulkisi a ID = K (UGS − UT )2 , kun UGS ≥ UT ja UDS ≥ UGS − UT UT ja K ovat komponenttikohtaisia vakioita Jos hilaj¨nnite hyvin suuri (luokkaa 10 V), kanava aukeaa a t¨ysin ja n¨ytt¨¨ pienelt¨ resistanssilta RDSon a a aa a D G S MOSFET Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  20. 20. Sis¨lt¨ a o Alip¨¨st¨suodatin aa o Operaatiovahvistinpiirit Ylip¨¨st¨suodatin aa o Transistorit Mitoitus ja taajuusmuunnokset Suodattimet N¨in mitoitan suodattimen a Verkkolaitteet 1. asteen alip¨¨st¨suodatin aa o 1 Yleinen muoto F (s) = s+1 , t¨ll¨in ominaiskulmataajuus a o ω0 = 1. s 1 Sijoittamalla s → ω0 saadaan F (s) = s +1 ω0 Voidaan toteuttaa yksinkertaisella RC-piirill¨, a F (s) = Uout = RCs+1 Uin 1 Vertaamalla siirtofunktiota ja yleist¨ muotoa kesken¨¨n a aa 1 saadaan ω0 = RC Ominaistaajuudella |F (s)| = √1 2 ja vaihekulma −45◦ R Uin C Uout ? ? Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  21. 21. Sis¨lt¨ a o Alip¨¨st¨suodatin aa o Operaatiovahvistinpiirit Ylip¨¨st¨suodatin aa o Transistorit Mitoitus ja taajuusmuunnokset Suodattimet N¨in mitoitan suodattimen a Verkkolaitteet 2. asteen alip¨¨st¨suodatin aa o 1 1 Yleinen muoto s 2 +2Ds+1 → s s ( ω )2 +2D ω +1 0 0 Vaimennusvakio D m¨¨r¨¨ vasteen muodon, ω0 paikan aa aa (kulma)taajuusakselilla Voidaan toteuttaa esim. Sallen-Key -piirill¨ a T¨rke¨¨! Ominaiskulmataajuudella ei v¨ltt¨m¨tt¨ a aa a a a a 1 |F (s)| = √2 Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  22. 22. Sis¨lt¨ a o Alip¨¨st¨suodatin aa o Operaatiovahvistinpiirit Ylip¨¨st¨suodatin aa o Transistorit Mitoitus ja taajuusmuunnokset Suodattimet N¨in mitoitan suodattimen a Verkkolaitteet 1. asteen ylip¨¨st¨suodatin aa o s s ω0 Siirtofunktio s+1 → s +1 ω0 Voidaan toteuttaa RC-piirill¨ a C Uin R Uout ? ? Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  23. 23. Sis¨lt¨ a o Alip¨¨st¨suodatin aa o Operaatiovahvistinpiirit Ylip¨¨st¨suodatin aa o Transistorit Mitoitus ja taajuusmuunnokset Suodattimet N¨in mitoitan suodattimen a Verkkolaitteet 2. asteen ylip¨¨st¨suodatin aa o s ( ω )2 s2 Yleinen muoto s 2 +2Ds+1 → s 2 0 s ( ω ) +2D ω +1 0 0 Voidaan toteuttaa esim. Sallen-Key -piirill¨ a T¨rke¨¨! Ominaiskulmataajuudella ei v¨ltt¨m¨tt¨ a aa a a a a 1 |F (s)| = √2 Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  24. 24. Sis¨lt¨ a o Alip¨¨st¨suodatin aa o Operaatiovahvistinpiirit Ylip¨¨st¨suodatin aa o Transistorit Mitoitus ja taajuusmuunnokset Suodattimet N¨in mitoitan suodattimen a Verkkolaitteet Mitoitus ja taajuusmuunnokset Haluttu piste ominaisk¨yr¨ll¨ voidaan siirt¨¨ muualle a a a aa fvanha sijoittamalla s → s fuusi Esimerkiksi jos siirtofunktion puolen tehon piste sijaitsee paikassa ω = 42 ja se halutaan taajuudelle f = 500 Hz, 42 sijoitetaan siirtofunktioon jokaisen s:n paikalle s 2π·500 Osoittajan kertominen vakiokertoimella ei vaikuta amplitudivasteen muotoon eik¨ vaiheeseen. a Mitoittamisen l¨ht¨kohtana on nimitt¨j¨polynomi, joka a o aa katsotaan taulukkokirjasta. Esim: Butterworth Bessel Legendre ... Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  25. 25. Sis¨lt¨ a o Alip¨¨st¨suodatin aa o Operaatiovahvistinpiirit Ylip¨¨st¨suodatin aa o Transistorit Mitoitus ja taajuusmuunnokset Suodattimet N¨in mitoitan suodattimen a Verkkolaitteet N¨in mitoitan suodattimen a Esimerkki: Suunnittele toisen asteen Butterworth-alip¨¨st¨suodatin, jonka puolen tehon piste on aa o taajuudella 500 Hz. Toisen asteen Butterworth-polynomi on √ (s 2 + 2s + 1). Ratkaisun kulku: 1 Selvitet¨¨n, mill¨ taajuudella sijaitsee puolen tehon piste aa a alkuper¨isell¨ siirtofunktiolla a a 2 Siirret¨¨n piste taajuudelle 500 Hz aa 3 Ratkaistaan D ja ω0 4 (Rakennetaan piiri) Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  26. 26. Sis¨lt¨ a o Alip¨¨st¨suodatin aa o Operaatiovahvistinpiirit Ylip¨¨st¨suodatin aa o Transistorit Mitoitus ja taajuusmuunnokset Suodattimet N¨in mitoitan suodattimen a Verkkolaitteet Selvitet¨¨n puolen tehon piste ja siirret¨¨n se aa aa Tasaj¨nnitteell¨ (ω = 0) vahvistus on 1, joten puolen tehon a a kulmataajuus on 1 1 √ = √ , s = jω1/2 s 2 + 2s + 1 2 Josta ratkeaa ω1/2 = 1. T¨m¨ piste saadaan siirretty¨ taajuudelle a a a 500 Hz tekem¨ll¨ sijoitus a a 1 s→s 2π · 500 Jolloin siirtofunktioksi saadaan 1 s √ s ( 2π·500 )2 + 2 2π·500 + 1 Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  27. 27. Sis¨lt¨ a o Alip¨¨st¨suodatin aa o Operaatiovahvistinpiirit Ylip¨¨st¨suodatin aa o Transistorit Mitoitus ja taajuusmuunnokset Suodattimet N¨in mitoitan suodattimen a Verkkolaitteet Ratkaistaan ω0 ja D Vertaamalla saatua siirtofunktiota yleiseen muotoon 1 1 √ = s s s ( 2π·500 )2 + s 2 2π·500 +1 ( ω0 )2 + 2D ω0 + 1 1 n¨hd¨¨n ett¨ ω0 = 2π · 500 ≈ 3140 ja D = a aa a √ . 2 Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  28. 28. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Transistorit Suodattimet Verkkolaitteet Verkkolaitteet Verkkolaite muuttaa verkkoj¨nnitteen elektroniikkalaitteelle a sopivaksi pieneksi (tasa)j¨nnitteeksi a Joko hakkuri- tai lineaarinen verkkolaite Lineaarinen verkkolaite koostuu seuraavista osista Sulake Muuntaja Tasasuuntaaja Suodatuskondensaattori Regulaattori Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)
  29. 29. Sis¨lt¨ a o Operaatiovahvistinpiirit Transistorit Suodattimet Verkkolaitteet Kondensaattorin mitoittaminen Mit¨ suurempi kondensaattori, sit¨ pienempi hurinaj¨nnite a a a I ∆t C= ∆U φ 1 ∆t = 360◦ fverkko U +U φ = 90◦ + arcsin Umax +Udiodi(t) min diodi(t) Kertauskalvot Vesa Linja-aho S-87.2113 Elektroniikan perusteet (3 op)

×