osnovi elektronikeleda.elfak.ni.ac.rs/education/elektronika/predavanja/... · 2020. 10. 26. ·...
TRANSCRIPT
-
Osnovi elektronikedr Srđan Đorđević, docent
1
-
Osnovi elektronike
Literatura:Основна литература:
1. Презентација са предавањаhttp://leda.elfak.ni.ac.rs/?page=education/elektronika/elektronika.htm
2. В. Литовски, Основи електронике, Академска мисао, 2006, ISBN: 86-7466-227-7
3. В. Павловић, et. al., Практикум лабораторијских вежби из Основа електронике, Електронски факултет Ниш, 2012.
2
-
Osnovi elektronike
Literatura:Додатна литература:
1. A. Sedra, K. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, New York, Oxford 2004, ISBN 0-19-514252-7.
2. Behzad Razavi, Fundamentals of Microelectronics, Wiley, New York, 2013. ISBN: 978-1-118-15632-2.
3. Милош Живанов, Електроника компоненте и појачавачка кола,Универзитет у Новом Саду, Нови Сад, 2001 ISBN 86-499-0087-9
3
-
Osnovi elektronike
Predispitne obaveze:
Redovno pohađanje nastave (predavanja+vežbe) 10%
Odbranjene laboratorijske vežbe 10%
Kolokvijum I 20%
Kolokvijum II 20%
4
Ispit:Zadaci 20%
Teorija 20%
-
Osnovi elektronike
Svako predavanje završava se slajdovima na kojima su
navedena:
Tri Osnovna pitanja
Do deset ispitnih pitanja
Po završetku svih predavanja spisak svih pitanja biće dostupan
na sajtu leda.elfak.ni.ac.rs/education
5
-
Osnovi elektronike
Konsultacije:
ponedeljak, četvrtak, petak 11-12h kabinet 336
najbolje da se najavite preko preko e-mail adrese:
6
-
Sadržaj predmeta
1. Uvod (Osnovi pojačavačke tehnike)
2. Kola sa diodama
3. Kola sa bipolarnim tranzistorima
4. Kola sa MOSFET tranzistorima
5. Višestepeni pojačavači
6. Pojačavači sa direktnom spregom
7. Frekvencijski odziv pojačavača
8. Operacioni pojačavači
9. Pojačavači snage
10.Negativna povratna sprega
11. Oscilatori
12. Stabilizatori napona7
-
8
Sadržaj
1. Uvod a. Tipovi signala, izvori signala
b. Zavisni generatori
c. Četvoropoli
d. Uloga i simbol pojačavača
e. Ekvivaletna kola pojačavača
f. Tipovi pojačavača prema tipu signala
g. Frekvencijske karakteristike i linearna
izobličenja
h. Prenosna karakteristika i nelinearna
izobličenja
i. Klasifikacija pojačavača
-
9
Pojačanje signala
Tipovi signalaSignali koje elektronska kola obrađuju prema načinu predstavljanjainformacija mogu biti:Analogni signali - kontinualno promenjive veličineDigitalni signali - signali sa jednim ili više diskretnih nivoa
Analogni signali Digitalni signali
-
10
Pojačanje signala
Tipovi signalaU praksi se najviše pojavljuje binarni digitalni signal koji ima dvadiskretna amplitudska nivoa, koji se nazivaju logička nula i logičkajedinica.Analogni signal obično predstavlja veličine kao što su temperatura, pritisak, vlažnost, intenzitet svetlosti, intenzitet zvuka. Najčešće je neophodno povećati nivo signala na izlazu transdjusera.
Analogni signali Digitalni signali
-
11
Pojačanje signalaTipovi signala
Signali koji se pojavljuju u prirodi su analogni jer mogu da uzmubilo koje vrednosti u određenom opsegu.
Analogni signali su komplikovani za obradu jer su osetljivi našumove i izobličenja u elektronskim kolima. Pored toga memorisanjeanalogih električnih signala je veoma komplikovano.
Digitalni signali su mnogo otporniji na šumove i izobličenja. Poredtoga memorisanje digitalnih signala je mnogo jednostavnijerealizovati.
Da bi se omogućila obrada signala u digitalnom domenu potrebno jeelektrični signal dobijen na senzorima najpre obraditi u analognomdomenu a nakon toga analogno-digitalnim konvertorom konvertovatisignal iz analogonog u digitalni domen.
-
12
Pojačanje signala
Da bi bila moguća obrada ili prenos informacija sadržanih u
različitim fizičkim veličinama kao što su svetlost, zvuk,
temperatura, pritisak itsl. potrebno je konvertovati neelektrične
veličine u električne.
Konvertori neelektričnih veličina u električne nazivaju se
transdjuseri (transducers).
Nakon obrade signala u elektronskom kolu on se ponovo može
konvertovati u istu ili neku drugu fizičku veličinu.
-
13
Pojačanje signala
Mikrofon konvertuje zvučni signal u električni
(transdjuseri - transducers)
Za nas je to realni IZVOR SIGNALA:
Generator +
konačna izlazna otpornost
-
14
Pojačanje signalaSignal dolazi iz izvora – generatora signala može da se predstave kao
1) generator napona 2) generator struje
Svaki realni generator električnog signala može se predstaviti ekvivalentim:
1) naponskim generatorom 2) strujnim generatorom.
Realni generator = idealni + unutrašnja otpornost
-
15
Pojačanje signala
)()( tvtv so =
0)( =tio 0)( =tvo)()( titi sio =
Tevenenova teorema Nortonova teorema
vo je napon praznog hoda io je struja kratkog spoja
-
16
Pojačanje signala
Primer 1.2: Merenjem je utvrđeno da je napon
praznog hoda generatora vio=10mV i da je struja
kratkog spoja iik=10µµµµA .
Odrediti vrednosti parametara modela ekvivalentnog
Tevenenovog generatora.
0=−− ioioss viRviov
0=ioi
=sv mV10=iov
0=− ios vv
0
-
17
Pojačanje signala
Primer 1.2: Merenjem je utvrđeno da je napon
praznog hoda generatora vio=10mV i da je struja
kratkog spoja iik=10µµµµA .
Odrediti vrednosti parametara modela ekvivalentnog
Tevenenovog generatora.
)(
)(
)(
)(
ti
tv
ti
tvR
ik
io
ik
ss == Ωk1==
A
mV
µ10
10
iki
0=ikv
0=−− ikikss viRv
0
0=− ikss iRv
-
18
Pojačanje signala
Primer 1.3: Merenjem je utvrđeno da je napon
praznog hoda generatora vio=10mV i da je struja
kratkog spoja iik=10µµµµA .
Odrediti vrednosti parametara modela ekvivalentnog
Nortonovog generatora.
)(
)(
ti
tvR
S
ios = Ωk1==
A
mV
µ10
10
0=− ioss viRiov
0=ioi
si
-
19
Pojačanje signala
Primer 1.3: Merenjem je utvrđeno da je napon
praznog hoda generatora vio=10mV i da je struja
kratkog spoja iik=10µµµµA .
Odrediti vrednosti parametara modela ekvivalentnog
Nortonovog generatora.
=si A10µ=ikisik ii =
Ω=== kA
mV
ti
tvR
S
ios 110
10
)(
)(
µ
-
20
Pojačanje signalaDa li je iz ovog primera jasno da svaki generatorsignala može da se predstavi kao generator napona iligenerator struje?
Svaki realni generator električnog signala, bilo koja dvaizvoda, na kojima može da se izmere napon praznoghoda i struja kratkog spoja može se predstaviti ekvivalentim
Naponskim (Tevenen) ili Strujnim (Norton) generatorom.
Realni generator = idealni + unutrašnja otpornost
-
21
Pojačanje signala
Simbol pojačavača :
Uzemljenje, masa, referentni čvor!!!
umesto
ulaz izlaz
Simbol 1
ili ulaz izlaz
Simbol 2
-
22
Pojačanje signala
Uloga pojačavača:
Da pojača ulazni signal(napon, struja)
BEZ IZOBLIČENJA!
Kakve karakteristike treba da ima da bi obavio tu ulogu?
-
23
Pojačanje signala
Da pojača ulazni signal BEZ IZOBLIČENJA
Talasni oblik signala je isti ali uvećan A puta.
vu(t)vi(t)
)()( tvAtv ui ⋅=
Pojačanje A = const.
Uloga pojačavača:
-
24
Kontrolisani generatori
U modeliima elektronskih komponenata često se koristezavisni ili kontrolisani generatori.
Kontrolisani generatori su elementi sa dva pristupa kojise na izlaznom pristupu ponašaju kao idealni generatori(naponski ili strujni) dok je ulazni pristup otvoren ilikratkospojen. Vrednost generatora na izlaznom pristupusrazmerna je naponu ili struji na ulaznom pristupu.Postoje četiri tipa kontrolisanih generatora:
-
25
Kontrolisani generatori
Naponom kontrolisani naponski
Izlazni napon kontrolisana jeulaznim naponom. Parametar µ jenaponsko pojačanje.
Naponom kontrolisani strujni
Izlazna struja kontrolisana jeulaznim naponom. Parametar gmje prenosna provodnost ilitranskonduktansa.
-
26
Kontrolisani generatori
Strujom kontrolisani strujni
Izlazna struja kontrolisana jeulaznom strujom. Parametar β jestrujno pojačanje.
Strujom kontrolisani naponski
Izlazni napon kontrolisan jeulaznom strujom. Parametar rm jeprenosna otpornost ilitransrezistansa.
-
27
Zadatak: Izračunati ukupno naponsko i pojačanje snage
trostepenog pojačavača sa slike pobuđenog izvorom čija
je izlazna otpornost 100k i opterećenog potrošačem od
100ΩΩΩΩ.
Pojačanje signala
(743,6 V/V; 57,4 dB; 66,9 108 W/W; 98,3dB)
vu1
10vu1
vu2
100vu2
vu3
1vu3
-
28
Modeli četvoropola
Četvoropol je električna mreža sa dva pristupa, ulaznim iizlaznim. Kada se četvoropol poveže u električno kolo na njemuse mogu izmereti četiri veličine: ulazni naponon v1, ulazna strujaJ1, izlazni napon v2, izlazna struja J2. Ukoliko se zadaju dve odove četiri veličine preostale dve zavise samo od električne mrežečetvoropola. Zavisno od toga koje su dve promenjive odabranekao nezavisne četvorоpol se može okarakterisati sa h, y, z, gparametrima.
-
29
Modeli četvoropola
2221212
2121111
vyvyJ
vyvyJ
⋅+⋅=
⋅+⋅=
Ukoliko su nezavisno promenjive naponi na pristupimačetvoropol je okarakterisan y parametrima. U tom slučajujednačine četvoropola su:
y11 je ulazni parametar jer povezuje ulazne veličine v1 i J1.y12 je povratni parametar jer daje zavisnost ulazne veličine J1od izlazne veličine v2.y21 je prenosni parametar jer daje zavisnost izlazne veličine J2od ulazne veličine v1.y22 je izlazni parametar jer povezuje izlazne veličine v2 i J2.
-
28.9.2020. Uvod 30
Modeli četvoropola
Parametri četvoropola se određuju tako što se na pristupimavežu nezavisni generatori koji stvaraju zadate napone ili struje.
-
31
Modeli četvoropola
2221212
2121111
vhJhJ
vhJhv
⋅+⋅=
⋅+⋅=
Ukoliko su nezavisno promenjive ulazna struja, J1, i izlazninapon, v2, četvoropol je okarakterisan hibridnim “h”parametrima. U tom slučaju jednačine četvoropola su:
h11 je ulazni parametar jer povezuje ulazne veličine v1 i J1. Ima dimenije otpornosti.h12 je povratni parametar jer daje zavisnost ulazne veličine J1od izlazne veličine v2. Nema dimenzije jer je odnos dva napona.h21 je prenosni parametar jer daje zavisnost izlazne veličine J2od ulazne veličine v1. Nema dimenzije jer je odnos dve struje.h22 je izlazni parametar jer povezuje izlazne veličine v2 i J2. Ima dimenzije odvodnosti
-
32
Modeli četvoropola
Parametri četvoropola se određuju tako što se na pristupimavežu nezavisni generatori koji stvaraju zadate napone ili struje.
-
33
Veličina koji se analizira na ulazu ili izlazu pojačavača može biti:
-Struja ili
- Napon.
Koja će od ove dve veličine biti analizirana na ulazu a koja na izlazu zavisi od unutrašnje otpornosti izvora signala i od ulazne i izlazne otpornosti pojačavača.
Pojačanje signala
STRUJA
NAPON
IZLAZNI ULAZNI
-
34
Pojačavač napona
Pojačanje signala
Pojačavač struje
)(
)(
tv
tvAA
i
оv ==
Pojačanje napona
)(
)(
ti
tiA
i
оs =
Pojačanje struje
STRUJA
IZLAZ ULAZ
STRUJA
NAPON
IZLAZ ULAZ
NAPON
-
35
Transkonduktansni
Pojačanje signala
Transrezistantni
)(
)(
tv
tiG
i
оm =
Pojačanje napona u struju
)(
)(
ti
tvR
i
оm =
Pojačanje struje u napon
NAPON
IZLAZ ULAZ
NAPON STRUJA
IZLAZ ULAZ
STUJA
-
36
Naponski: Vi Vo
Idealni
�� = ��� = ����
Klasifikacija pojačavača prema tipu signala
Realni
��� = ���� � � = 0 Naponsko pojačanjeotvorenog kola
Ri Ulazna otpornost
RO Izlazna otpornost
� ↗ ∞�� = �Daje maksimalno pojačanje napona.
-
37
Strujni: ii io
Idealni
Klasifikacija pojačavača prema tipu signala
�� = �� = ���
Realni
�� = ��� = �� � �� = 0 Strujno pojačanjekratkospojenog kola
Ri Ulazna otpornost
RO Izlazna otpornost
�� = ��� ↗ ∞
-
38
Klasifikacija pojačavača prema tipu signala
Transkonduktansni: vi io (napon u struju)
Idealni
Realni
�� = ��� = ���� �� = 0 Transkonduktansakratkospojenog kola
Ri Ulazna otpornost
RO Izlazna otpornost
�� = ��� = ��� �� ↗ ∞�� ↗ ∞
-
28.9.2020. Uvod 39
Naponski pojačavač Transkonduktansni pojačavač
Transrezistansni pojačavač Strujni pojačavač
Modeli pojačavača
-
40
Transrezistansni: Iu Vi (struja u napon)
Idealni
Klasifikacija pojačavača prema tipu signala
Realni
�� = ��� = ��� � � = 0 Transrezistansaotvorenog kola
Ri Ulazna otpornost
RO Izlazna otpornost
�� = ��� = ��� �� = ��� = 0
-
17. oktobar 2019. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
41
Svi prikazani modeli su unilateralni: prenose signal samo u jednom pravcu - sa ulaza prema izlazu.
Pojačanje signala
ulaz izlaz ulaz izlaz
-
17. oktobar 2019. Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/
42
Svi navedeni modeli mogu ravnopravno da se koriste za modelovanje realnog pojačavača!
Primer:
Pojačanje signala
-
43
Svi navedeni modeli mogu ravnopravno da se koriste za modelovanje realnog pojačavača! Jedan model može se konvertovati u drugi.
Pojačanje signala
pi
u
u
is
u
pi
uu
pip
ii
uuu
u
uu
pi
p
ui
RR
RA
I
IA
IRR
RAV
RR
A
R
VI
IRVR
VI
RR
RVAV
+
⋅==
⋅+
⋅=⋅
+==
⋅=⇒=
+⋅⋅=
( )
s
upi
p
u
i
u
us
pi
pipi
u
us
pi
us
pi
i
ARRR
Ri
R
V
VA
R
VA
RR
iR
RIRV
R
VA
RR
iR
IARR
iR
I
⋅⋅+
==
⋅
+==
⋅
+=⋅
+=
1
-
44
Idealni naponski pojačavač opterećen i pobuđen iz realnog izvora
Pojačanje signala
-
45
Idealni naponski pojačavač opterećen i pobuđen iz realnog izvora
Pojačanje signala
svvu = vov A
sv
pvA ==
Ukupno pojačanje
NE ZAVISI od Rs i Rp !!!
Zašto je ONO važno?
-
46
Realni naponski pojačavač opterećen i pobuđen iz realnog izvora
Pojačanje signala
sRiR
iR
svvu +⋅=
0оRpR
pRA
uv
vv
p
+⋅=
0
RpR
pR
sRiR
iRA
sv
pv
o+
⋅+
⋅=
Ukupno pojačanjeZAVISI od Rs i Rp !!!
Zašto je ONO važno?
-
47
Pojačanje signala
sRuR
uR
svvu +⋅=
Realni naponski pojačavač se ponaša kao idealni ukoliko je ulazna otpornost izvora signala Rs mnogo veća od unutrašnje otpornosti pojačavača Ri kao i izlazna otpornost pojačavača R0 mnogo manja od otpornosti potrošača Rp.
svsv
sRiR
iR
sv
vRiR
us ≈⋅
+=⇒>>
vovop A
oRpR
pRA
иvpv
RR 0 ≈+
⋅=⇒>>
0 vAsv
vARpRRiR
uvos ≈=⇒>>>>
Ovo praktično znači da će naposko pojačanje zavisiti samo od pojačavača i neće se menjati sa promenom spoljnih elemenata (izvora signala i potrošača).
-
48
Pojačanje signala
Uslov da se na potrošaču razvije maksimalna snaga može se odrediti diferenciranjem izraza za snagu po otpornosti potrošača Rp.
Maksimalna snaga na potrošaču dobija se kada je otpornost potrošača Rp jednaka izlaznoj otpornosti pojačivača R0.
( )
)0(2
220
RpR
pRvA
R
vivP
ivo
poo
+
⋅===
0
RpR
pR
sRiR
iRA
sv
pv
vo+
⋅+
⋅=
R0 o=⇒= pp
RdR
dP
-
49
Zadatak: Izmereno je da napon na izlazu pojačavača
opadne za 20% kada mu se priključi potrošač od 1k.
Kolika je izlazna otpornost pojačavača?
Pojačanje signala
(250ΩΩΩΩ)
Za vežbu 2.1
( ) Ω===⇒+⋅=
=+
⇒⋅=+
=
25025.08.0
2.08.0
8.08.0 00
ppipip
pi
pii
pi
pi
RRRRRR
RR
RVV
RR
RV
-
50
Primer 1: Mikrofon koji daje na izlazu napon efektivne vrednosti od
10mV i ima izlaznu otpornost od 600Ω Ω Ω Ω treba priključiti na potrošač od
8ΩΩΩΩ. Izračunati naponsko i pojačanje snage kada se priključi:
a) direktno
b) preko pojačavača koji daje 100 puta veći napon
na izlazu (Ao=100V/V), sa Ru=∞ i Riz=1MΩΩΩΩ
c) preko pojačavača koji daje 100 puta veći napon
na izlazu (Ao=100V/V), sa Ru=10ΩΩΩΩ i Riz=1MΩΩΩΩ
d) preko baferskog pojačavača koji ima
Ao=1, Ru=1MΩΩΩΩ i Riz=10ΩΩΩΩ
Pojačanje signala
-
51
Primer 2.1: Mikrofon koji daje na izlazu napon efektivne vrednosti od
10mV i ima izlaznu otpornost od 600Ω Ω Ω Ω treba priključiti na potrošač od
8ΩΩΩΩ. Izračunati naponsko i pojačanje snage kada se priključi:
a) direktno
Pojačanje signala
-
52
a) direktno
Pojačanje signala
130µµµµV
10mV
-
53
a) direktno Pojačanje signala
130µµµµV
10mV
-
54
Primer 2.1: Mikrofon koji daje na izlazu napon efektivne vrednosti
od 10mV i ima izlaznu otpornost od 600Ω Ω Ω Ω treba priključiti na
potrošač od 8ΩΩΩΩ. Izračunati naponsko i pojačanje snage kada se
priključi:
b) preko pojačavača koji daje 100 puta veći napon
na izlazu Ao=100V/V, Ru=∞ i Riz=10MΩΩΩΩ
Pojačanje signala
-
( )
⋅
+⋅⋅
+=
=⋅⋅+
=
so
uop
v
uR
sR
uR
A
pR
izR
pR
vA
pR
izR
pR
v
55
b) preko pojačavača (Ao=100, Ru=∞ i Riz=1MΩ)Ω)Ω)Ω)
Pojačanje signala
RuvsRs Aovu Rp
vu vp
Riz
vu= vs =10mV
[V/V] 00131.010mV
V1.13
V1.1310610
8000
10600
10100
8000,000,1
86
===
=⋅
≈⋅+
⋅⋅+
=
µ
µ
sv
pv
A
vv sp 10mV =7,999936µV≈8µV
0,008
Napon oslabljen!!! iako je pojačanje 100 puta!!!
Zašto??? Zašto???
-
56
b) preko pojačavača (Ao=100, Ru=∞ i Riz=1MΩ)Ω)Ω)Ω)
Pojačanje signala
-
57
a) i b)
Pojačanje signala
130µµµµV8µµµµV
-
58
Primer 2.1: Mikrofon koji daje na izlazu napon efektivne vrednosti
od 10mV i ima izlaznu otpornost od 600Ω Ω Ω Ω treba priključiti na
potrošač od 8ΩΩΩΩ. Izračunati naponsko i pojačanje snage kada se
priključi:
c) preko pojačavača koji daje 100 puta veći napon
na izlazu Ao=100V/V, Ru=10ΩΩΩΩ i Riz=1MΩΩΩΩ
Pojačanje signala
-
( )
⋅
+⋅⋅
+=
=⋅⋅+
=
so
uop
v
uR
sR
uR
A
pR
izR
pR
vA
pR
izR
pR
v
59
c) preko pojačavača (Ao=100, Ru=10ΩΩΩΩ i Riz=1MΩ)Ω)Ω)Ω)
Pojačanje signala
Napon još više oslabljen!!!
iako je pojačanje 100 puta!!!
Zašto???Šta je sa snagom?
vs RuRs Aovu Rp
vu vp
( )163.9nW
610
101023
=≈⋅
=+
⋅=⋅=−
uR
sR
sv
sv
si
sv
sP
( )pW4.21
8
101.1326
2
≈⋅
==−
pR
pv
Pp
W/W109.130nW9.163
pW4.21 6−⋅===s
P
pP
Ap
na ulazu
na izlazu
pojačanje
su v
uR
sR
uR
v ⋅+
= =0,164mV
[V/V] 00131.010mV
V1.13
V1.1310610
8000
10600
10100
8000,000,1
86
===
=⋅
≈⋅+
⋅⋅+
=
µ
µ
sv
pv
A
vv sp =0,13µV
=0,000013 [V/V]
-
60
b) i c)
Pojačanje signala
10mV0,164mV
-
61
b) i c)
Pojačanje signala
8µµµµV0,131µµµµV
-
62
Primer 2.1: Mikrofon koji daje na izlazu napon efektivne vrednosti
od 10mV i ima izlaznu otpornost od 600Ω Ω Ω Ω treba priključiti na
potrošač od 8ΩΩΩΩ. Izračunati naponsko i pojačanje snage kada se
priključi:
d) preko baferskog pojačavača koji ima
Ao=1, Ru=1MΩΩΩΩ i Riz=10ΩΩΩΩ
Pojačanje signala
-
63
d) preko baferskog pojačavača (Ao=1, Ru=1MΩΩΩΩ i Riz=10Ω)Ω)Ω)Ω)
Pojačanje signala
Šta je sa snagom?
( )
⋅
+⋅⋅
+=
=⋅⋅+
=
so
uop
v
uR
sR
uR
A
pR
izR
pR
vA
pR
izR
pR
v
Napon oslabljen, samo 44% od vs
vs RuRs Aovu Rp
vu vp
su v
uR
sR
uR
v ⋅+
=
na ulazu ( ) pW;10M1
mV 10 2≈
Ω≈
+⋅=
sR
uR
sv
svPS
[V/V] 44.010mV
.4mV4
mV4.410mV600,000,1
000,000,1
18
810mV
000,000,1600
000,000,11
810
8
===
=⋅⋅=⋅+
⋅⋅+
=
sv
pv
A
vp
( )μW 42.2
8
mV 4.4 22
=Ω
==
pR
pv
Ppna izlazu [W/W] 10242
pW10
μW42.2 3⋅===s
P
pP
Ap
Pojačanje snage
Zašto? Kako?
-
64
a) i d)
Pojačanje signala
10mV 130µµµµV 10mV 4,4mV
-
65
a), b), c) i d)
Pojačanje signala
4,4mV
0,13µµµµV
8µµµµV
130µµµµV
-
66
a), b), c), d) i 1.1b) Pojačanje signala
4,4mV
0,13µµµµV
8µµµµV
130µµµµV
450mV
-
67
Pojačanje signala
)(
)(
tv
tvA
i
оv =
Pojačanje napona – odnos izlaznog i ulaznog napona
)(
)(
ti
tiA
i
оs =
Pojačanje struje – odnos izlazne i ulazne struje
)(
)(
tP
tPA
i
оp =
Pojačanje snage – odnos izlazne i ulazne snage
Za pojačavač se mogu definisati
ivii
ооp AA
iv
ivA ==
-
68
Pojačanje signala
dB
i
о
v
vA =
Izražavanje pojačanja u decibelima
i
оs
i
iA =
i
оP
P
PA =
Da bi prikaz pojačanja koje se kreću u velikom opsegu biopregledniji koristi se logaritamska skala, odnosno pojačanje seizražava u decibelima. Ovakav prikaz zasniva se na činjenici daje logaritam monotono rastuća funkcija.
ss
v
Aa
Aa
log20
log20
=
=
log10 PP Aa ⋅=
dB
-
69
Pojačanje signala
Uloga pojačavača:
Da pojača ulazni signal BEZ IZOBLIČENJA
Uzroci izobličenja pojačavača:
1. Različito pojačanje na različitim frekvencijama
(amplitudska karakteristika)
2. Različito kašnjenje na različitim frekvencijama
(fazna karakteristika)
3. Različito pojačanje malih i velikih ulaznih signala (prenosna
karakteristika)
-
70
Linearna izobličenja
Furijeova analiza omogućava da se proizvoljni kontinualnisignal izrazi kao zbir sinusnih signala različite frekvencije.Svaka od ovih sinusoidalnih komponenti okarakterisna je sa:• Frekvencijom• Amplitudom• Početna fazom
Primenom Furijeove transformacije signal se iz vremenskogdomena prikazuje u frekvencijskom domenu.
V=Vmsin (ωt+ϕ)
-
17. oktobar 2019. Uvod 71
Linearna izobličenja
Spektar signala je skup harmonskih (sinusnih) komponenata kojesačinjavaju signal sa specifičnim vrednostima frekvencija,amplituda i početnih faza.
Pojačavači pojačavaju signal u određenom opsegu frekvencija.Zato je bitno utvrditi frekvencijski opseg koji zauzima spektarsignala koji se pojačava.
-
17. oktobar 2019.Uvod
72
Frekvencijske karakteristike (veoma važno)
Vremenski domen Frekvencijski domen
Spektar periodičnog signala nije kontinualan već diskretan jer sadrži isključivokomponente čije su frekencije umnošci frekvencije signala.Neperiodični signali imaju kontinualni spektar (bezbroj sinusnih funkcija).
-
73
Linearna izobličenja
Frekvencijske karakteristikeOdnos Furijeove transformacije signala na izlazu vo(t) iFurijeove transformacije signala na ulazu vi(t) je prenosna funkcija pojačavačaT(jω).
Očigledno da se radi o kompleksnoj veličini za koju se može definisati moduo i argument.
( ))(
)(
ω
ωω
jV
jVјТ
i
o=
( ) ( ) ( )ωϕωω јејТјТ =
-
74
( ) ( ))(
)(
ω
ωωω
jV
jVјТA
i
o==
( ) ( )( )
==)(
)(argarg
ω
ωωωϕ
jV
jVjT
i
o
Moduo prenosne funkcije je amplitudska karakeristika i ona namgovori o tome koliko su se promenile amplitude pojedinih komponentispektra.
Argument prenosne funkcije je fazna karakteristika.
Linearna izobličenja
-
75
( ) ( )0ttvAtv oo −⋅=
( ) .constАA ==ω
( ) { } 0)(arg tjT ⋅== ωωωϕ
Da bi signal na izlazu bio identičan signalu na ulazu potrebno je daodziv pojačavača ima sledeći oblik:
gde je A pojačanje a t0 kašnjenje signala na izlazu u odnosu naulazni signal.Ovaj odziv može se postići ukoliko je amplitudska karakteristika imakonstantnu vrednost
a fazna karakteristika je linearna funkcija od frekvencije
Linearna izobličenja
-
76
Linearna izobličenja
Frekvencijski odziv pojačavača je odziv na sinusoidne signalerazličitih frekvencija.Usled prisustva reaktivnih elemenata (kondenzatora, kalemova)kao i usled činjenice da aktivne komponente poseduju parazitnekapacitivnosti pojačanje pojačavača neće biti isto na svimfrekvencijama. Odavde sledi da različite frekvencijskekomponente ulaznog signala neće biti identično pojačane.Izobličenja koja potiču od neidealnosti frekvencijskekarakteristike pojačavača nazivaju se linearna izobličenja jer suposledica prisustva linearnih elemenata. Linearna izobličenja sedele na:• Linearna amplitudska• Linearna fazna izobličenja
-
77
Linearna izobličenja
( ) ( ) constjТА == ωω
( ) ( ) constjТА ≠= ωω
( ) { } πωωωϕ ntjT ±⋅≠= 0)(arg
Idealna amplitudska karakteristika ima konstantnu vrednost unutarfrekvencijskog opsega signala
Amplitudska izobličenja nastaju u pojačavaču čija karakteristika odstupa od idealne.
Fazna izobličenja nasataju u pojačavaču čija fazna karakteristika odstupa odidealne
-
78
Prenosna karakteristika pojačavača
Razmotrimo primer idealizovanog pojačavača sa A=4 koji
treba da pojača složenoperiodični signal
Ulazni signal
Izlaz
)2sin(05.0)sin(1.0 ttvu ωωωωωωωω ⋅+⋅=
( )2sin(05.0)sin(1.04 ttvAv uiz
ωωωωωωωω ⋅+⋅⋅=
=⋅=
-
79
Pojačanje signala
Različito pojačanje na različitim frekvencijama
0 100 200 300 400 500 600 700
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15 Ulazni signal
Izlazni signal
)2sin(05.0)sin(1.0)( tttvu ωωωωωωωωωωωω ⋅+⋅=
( )( ) t)(2sin05.0 2
t)(sin1.0 1t)(
t)(2 2 t)( 1t)(
ωωωω
ωωωωωωωω
ωωωωωωωωωωωω
⋅⋅+
+⋅⋅=
⋅+⋅=
i
uui
v
vvv
Na izalazu linearnog pojačavača koji različito pojačava signale različitih frekvencija javljaju se linearna amplitudska izobličenja. (biće reči i nešto kasnije)
-
80
Pojačanje signala
Različito kašnjenje na različitim frekvencijama
0 100 200 300 400 500 600 700
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15 Ulazni signal
Izlazni signal
)2sin(05.0)sin(1.0 ttvu ωωωωωωωω ⋅+⋅=
( )( ) /4)t(2sin05.0t)(sin1.0 2
/4)t(2 t)( 2
ππππωωωωωωωω
ππππωωωωωωωω
+⋅+⋅⋅=
++⋅=
i
uui
v
vvv
-
viz
vu
dalje
izlaz
ulaz
81
viz
vuRp
Prenosna karakteristika predstavlja grafičku interpretacijuzavisnosti izlazne veličine (struje ili napona) od ulazne veličine(struje ili napona).
Prenosna karakteristika linearnog pojačavača je prava = linearna funkcija
Prenosna karakteristika pojačavača
-
82
Prenosna karakteristika pojačavača
Prenosna karakteristika linearnog pojačavača napona
viz
vu
Zašto je ovo važno?
dalje
∆vu
∆vi1
∆vi2
∆vi3
uv
izvA
∆
∆=
3 2 1 321uv
ivA
uv
ivA
uv
ivA∆
∆=<
∆
∆=<
∆
∆=
Nagib Pojačanje
-
17. oktobar 2019. 83
Prenosna karakteristika pojačavača
Šta ako Prenosna karakteristika nije linearna?
Ulazni signal
Izlazni signal
01
23
45
67
-0.2
-0.1
5
-0.1
-0.0
50
0.0
5
0.1
0.1
5
0.2
0 1 2 3 4 5 6 7-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
vu
vi
Na izalazu pojačavača sa nelinearnom prenosnom karakteristikom javljaju se nelinearna amplitudska izobličenja.
-
84
Prenosna karakteristika pojačavača
Prenosna karakteristika realnih pojačavača je nelinearnaNapajanje i prenosna karakteristika pojačavača
vu
viz
vI=VI + vi(t)vu
VU
vu(t)
vi(t)
L+
L-
Nagib A
VU
)(
)(
tv
tv
dv
dv
v
vA
u
i
u
i
u
i ==∆
∆=
MVI
-
85
Prenosna karakteristika pojačavača
Realna prenosna karakteristika možeda se tretira kao linearna samo zamale signale.
Po pravilu radna tačka se podešavatamo gde je karakteristikanajlinearnija, gde je nagib najveći ato je na sredini prenosnekarakteristike.
Napajanje i prenosna karakteristika pojačavačaviz
vu
-
86
Nelinearnost je veća kada je signal većii radna tačka dalja od sredine prenosnekarakteristike. Tada je signal višeizobličen.
Prenosna karakteristika pojačavača
Kao što je ranije rečeno na izlazu pojačavača sa nelinearnom prenosnom karakteristikom javljaju se nelinearna amplitudska izobličenja.
viz
vu
-
87
12
2211
1.1
)cos()cos(
ωωωωωωωω
ωωωωωωωω
⋅=
+= tVtVv uuu
( )+++= 22212 uuIMi VVA
Vv
f
vi
0 1 2 3
f
vu
0 1 2 3
( )+++ )cos()cos( 2211 tVtVA uu ωωωωωωωω
( ) ++ )2cos(2/ 12
1 tVA u ωωωω
+++ tVAV uu )cos( 2121 ωωωωωωωω
tVAV uu )cos( 2121 ωωωωωωωω −+ harmonijskekomponente
2uuiMi AvAvVv ++=
( ) ++ )2cos(2/ 22
2 tVA u ωωωω
Uticaj nelinearnih izobličenja na složenoperiodični signal
Intermodulacionekomponente
-
88
Pojačanje signala
f
vi
0 1 2 3
Intermodulacionekomponente
Uticaj nelinearnih izobličenja na složenoperiodični signal
Dodatak
U sprektru izlaznog signalapojavljuju se komponente kojihnema u ulaznom signalu.Nelinearna izobličenja se mogupodeliti na:-Harmonijska izobličenja (komponente spektra na frekvencijama koje su umnošci frekvencija ulaznog signala) - Intermodulaciona izobličenja (komponente spektra na frekvencijama koje odgovaraju zbiru ili razlici frevkencija ulaznog signala)
Harmonijske komponente
-
89
Pojačanje signala
Klasifikacija pojačavača
1) Prema tipu signala koji se analizira na ulazu i izlazu pojačavača:
• naponski pojačavači (ulazni i izlazni signal je napon)
• strujni pojačavač (ulazni i izlazni signal je struja)
• transkonduktansni pojačavač (ulazni signal je napon, izlazni signal je struja)
• transrezistansni pojačavač (ulazni signal je struja, izlazni signal je napon)
-
90
Klasifikacija pojačavača2) Prema veličini signala:
• Pojačivači malih signala
• Pojačivači velikih signala
Pojačivači malih signala su uvek linearni, uglavnom su to pojačavači napona.
Pojačavača velikih signala su pojačavači snage. Koriste seobično kao izlazni stepen. Kod njih se mora voditi računa onelinearnim izobličenjima. Pojačivači velikih signala se delezavisno od položaja radne tačke na pojačavače klase A, B,C.. ( o ovome će biti više reči u lekciji pojačavači snage).
-
91
Pojačanje signala
Klasifikacija pojačavača
3) Prema frekvenciji signala:
• Niskofrvkentni ili audio pojačavači
• Visokofrekventni ili RF pojačavači
• Širokopojasni pojačavači ili video pojačavači
Niskofrekventni pojačavači pokrivaju opseg 20 Hz÷20 kHz.Širokopojasni pojačavači pokrivaju opseg od nekoliko hercado nekoliko MHz.Visokovrekventni pojačavači pokrivajuuzani opseg frekvencija pa se zato nazivaju i selektivnipojačavači.
-
92
Elementarna pitanja1. Šta su transdjuseri? Na koji način se modeluje izvor signala?2. Uloga pojačavača i uzroci izobličenja pojačavača.3. Ekvivalentno kolo idealnog i realnog naponskog pojačavača.
Ostala ispitna pitanja1. Kontrolisani generatori.2. Model četvoropola okarakterisan "h " parametrima.3. Ekvivalentna kola idealnog i realnog naponskog i strujnog
pojačavača.4. Ekvivalentna kola idealnog i realnog transkonduktansnog i
transrezistansnog pojačavača. 5. Realni i idealni naponski pojačavač opterećen i pobuđen iz realnog
izvora .6. Linearna izobličenja. Uzrok i posledice. 7. Nelinearna amplitudska izobličenja. Uzrok i posledice. 8. Uticaj nelinearnih izobličenja na složenoperiodičan signal.9. Klasifikacija pojačavača.