ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ;cgi.di.uoa.gr › ~arapogia › ile1.pdf · Ο κόσμος της Ηλεκτρονικής Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ;

Ο κόσμος της Ηλεκτρονικής

Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές Κινητά τηλέφωνα

Τηλεπικοινωνίες

Ιατρική

Ενέργεια

Βιομηχανία Διασκέδαση

Δίκτυα

ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ

Τι περιέχουν οι ηλεκτρονικές συσκευές;

Το ολοκληρωμένο κύκλωμα Η κάρτα της ηλεκτρονικής συσκευής

Το δισκίο πυριτίου

Η ΠΟΛΗ ΚΑΙ ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

Από τι αποτελούνται τα ολοκληρωμένα κυκλώματα;

Το τρανζίστορ Το ηλεκτρονικό κύκλωμα Το φυσικό σχέδιο του ΟΚ

Ο Νόμος του

Moore:

«Ο αριθμός των

τρανζίστορ

ανά ψηφίδα

διπλασιάζεται

κάθε 18 μήνες».

Ίσχυσε τα τελευταία

40 χρόνια.

Μικρότερα σχήματα

οδηγούν σε

μεγαλύτερο αριθμό

τρανζίστορ ανά

μονάδα επιφανείας

(υψηλότερη πυκνότητα)

και υψηλότερη ταχύτητα.

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

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

Γενικές Γνώσεις

Βασικοί Νόμοι και Θεωρήματα

NOMOI (ΚΑΝΟΝΕΣ) ΤΟΥ KIRCHHOFF

Κόμβος σε ένα κύκλωμα είναι ένα σημείο στο οποίο συναντώνται τρεις ή

περισσότεροι αγωγοί.

Βρόχος είναι οποιοσδήποτε κλειστός αγώγιμος δρόμος.

• 1ος Κανόνας (των κόμβων): Τo αλγεβρικό άθροισμα των

ρευμάτων σε ένα κόμβο είναι ίσο με μηδέν.

ΣΙ = 0 (για κάθε κόμβο)

• 2ος Κανόνας (των βρόχων): To αλγεβρικό άθροισμα των τάσεων

κατά μήκος οποιουδήποτε βρόχου είναι ίσο με μηδέν.

ΣV = 0 (για κάθε βρόχο)

[Συμβάσεις για τα πρόσημα και την εφαρμογή των κανόνων]

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Θεωρούμε γνωστά τα E1, r2, R, Ir2 και IR. Να υπολογιστούν τα Ir1, r1 και E2.

b

Ε2

Ε1

R

r2

r1

a

Άσκηση: Θεωρούμε γνωστά τα V και R. Να υπολογιστούν τα Ii, Req και Vab.

V a b

I R

R

R

R 2R

ΔΙΑΙΡΕΤΗΣ ΤΑΣΗΣ

ΔΙΑΙΡΕΤΗΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

s

21

2 VRR

RVo

sIRR

RI

21

21

ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΕΠΑΛΛΗΛΙΑΣ

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.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Να υπολογιστεί το ρεύμα i2

'''

''

'

222

21

12

21

2

3

42

48

8

4

1

48

3v

iii

AAiRR

Ri

AARR

i

s

s

Θεώρημα Thevenin: Οποιοδήποτε γραμμικό κύκλωμα μπορεί να

αντικατασταθεί από μία πηγή τάσης σε σειρά με μία αντίσταση. Η τάση, Vth,

υπολογίζεται ώστε να δημιουργεί το ίδιο ρεύμα που εμφανίζει το δικτύωμα. Η

αντίσταση, Rth, ισούται με την αντίσταση που εμφανίζει το δικτύωμα με τις πηγές

βραχυκυκλωμένες.

Θεώρημα Norton: Οποιοδήποτε γραμμικό κύκλωμα μπορεί να αντικατασταθεί

από μία πηγή ρεύματος παράλληλα με μία αντίσταση. Το ρεύμα, IN, ισούται με το

ρεύμα βραχυκύκλωσης των ακροδεκτών και η αντίσταση, RΝ, όπως και στο

θεώρημα Thevenin.

Rth

Vth

IN

RN

Θεώρημα Thevenin-Norton:

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 RL= RTH, Vout=VTH/2 και

Pout=V2TH/4RTH.

RL

RTH

VTH

Άσκηση 1: Για το κύκλωμα του σχήματος, να υπολογιστεί η αντίσταση φόρτου RL

για την οποία επιτυγχάνεται μέγιστη μεταφορά ισχύος στον φόρτο. Να υπολογιστεί

επίσης η μέγιστη αυτή ισχύς, PL.

Υπόδειξη: Να αντικατασταθεί το κύκλωμα μεταξύ των ακροδεκτών α και β (χωρίς

την RL) από το ισοδύναμό του κατά Thevenin και να υπολογιστούν η τάση

Thevenin Vth και η αντίσταση Thevenin Rth.

+

V2= 15V

-

+ V1= 10V

-

R1=4Ω

RL R2=6Ω

α

β

Άσκηση 2: α) Υπολογίστε την τάση Vab. β) Αν βραχυκυκλωθούν μεταξύ τους

τα σημεία a και b, υπολογίστε τα ρεύματα που διαρρέουν τους τρεις κλάδους

του κυκλώματος χρησιμοποιώντας την αρχή της επαλληλίας.

Vab a

b

5Ω 8Ω

10Ω

2Ω

9Ω

30V

100V

20V

Άσκηση 3: Να υπολογιστούν και να σχεδιαστούν τα ισοδύναμα κατά

Thevenin και κατά Norton του παρακάτω κυκλώματος, με χρήση της αρχής της

επαλληλίας.

300Ω 100Ω

50Ω 25V

0,5Α

a

b

Δίθυρα ή Τετράπολα Δικτυώματα

(a)

2221212

2121111

VyVyI

VyVyI

(c)

2221212

2121111

VhIhI

VhIhV

(b)

2221212

2121111

IzIzV

IzIzV

(d)

2221212

2121111

IgVgV

IgVgI

Ισοδύναμα Κυκλώματα για τα αντίστοιχα δίθυρα

2221212

2121111

VyVyI

VyVyI

2221212

2121111

IzIzV

IzIzV

2221212

2121111

VhIhI

VhIhV

2221212

2121111

IgVgV

IgVgI

Αντιστοιχία μεταξύ των παραμέτρων:Αν γνωρίζουμε τις y παραμέτρους ενός

τετραπόλου μπορούμε να υπολογίσουμε τις h παραμέτρους.

Εφ’ όσον οι παράμετροι y και h αφορούν το ίδιο τετράπολο θα πρέπει τα αντίστοιχα

δικτυώματα να είναι ισοδύναμα μεταξύ τους.

Απόδειξη

1I

1V

2I

2V

1I

1V

2I

2V2221212

2121111

VyVyI

VyVyI

2221212

2121111

VhIhI

VhIhV

2

11

2112221

11

212

2

11

12

11

11

2222

11

12

11

1212

2

11

12

11

11

2221212

2121111

V)y

yyy(I

y

yI

Vy

y

y

IV

Vy)Vy

y

y

I(yI

Vy

y

y

IV

VyVyI

VyVyI

11

21122222

11

2121

11

1212

11

11y

yyyh

y

yh

y

yh

y

1h

Γενικά:Αν γνωρίζουμε ένα είδος παραμέτρων μπορούμε με τον τρόπο αυτό να

υπολογίσουμε οποιοδήποτε άλλο.

Παράδειγμα: Υπολογίστε τις τιμές των z

παραμέτρων του κυκλώματος.

321

3123120

2

222

)()(

1 RRR

RRRRRR

I

Vz I

321

3213210

1

111

)()(

2 RRR

RRRRRR

I

Vz I

1

321

1

2I

RRR

RIR

2

321

2

1I

RRR

RIR

2

321

2111 1

IRRR

RRRIV R

1

321

2122 2

IRRR

RRRIV R

321

210

1

221 2 RRR

RR

I

Vz I

321

210

2

112 1 RRR

RR

I

Vz I

Άσκηση: Υπολογίστε τις τιμές των h παραμέτρων του παρακάτω κυκλώματος.

15

2221

4

1211 102h100h1052hk62h ..Απάντηση:

0

m

0

oe22

re12

mfe21

xie11

r

1

rr

1rg

r

1hh

0rr

rhh

rghh

r//rrhh

2221212

2121111

VhIhI

VhIhV

Λύση

1I 2I

1V 2V )2(

)2()1(

)1(

1I2I11h

212Vh 121Ih22h1V

2V

Το h υβριδικό ισοδύναμο ενός τετραπόλου (γενικά)

Το h υβριδικό για το διπολικό τρανζίστορ κοινού εκπομπού (ειδικά)

C

biCiieh

cereh bfeih oehbe

B

E

ce ceoebfec

cerebiebe

hihi

hih

0

b

c0V

1

2fe21 ce2 i

i

I

Ihh

k6.2r//rrh)r//rr(i xiexbbe0

b

be0V

1

1ie11 ce2 iI

Vhh

E

C

biCiieh

cereh bfeih oehbe

B

E

ce

100rg)r

1g)(r//r(

r//rr

)r

1g(

r//rr

r//r

i

ih

r//rri

)r

1g(

r//rr

r//r)

r

1g(

rgi

ri,

r//rr

r//r,0

ri,igii

mm

x

be

m

x

be

0

b

cfe

x

beb

m

x

bemmc

r

x

be

0

cerrmrc

ce

00

Λύση (συνέχεια)

0i

ce

be0I

2

1re12 b1V

Vhh

0i

ce

c0I

2

2oe21 b1

i

V

Ihh

4

re

cebe

15.2k5.2M10

k5.2

rr

rh

rr

r

1513

m

0

oe

m

0

ce

m

0

cecece

cem

0

cec

ceπce

m

0

cec

10210100

2

10

100

k100

1

)15.240(10k5.2

1

k100

1)1rg(

rr

1

r

1h

]rr

1

rr

rg

r

1[

)]1rr

r(

r

1

rr

rg

r

1[

rrr

r

rrr

rg

ri

rr

r,

rg

ri

Λύση (συνέχεια)

tsin(t) V

Σήματα

Τυχαίο, αναλογικό σήμα τάσης

Ημιτονικό σήμα τάσης,

πλάτους Vα,

συχνότητας f=1/T και

γωνιακής συχνότητας ω=2πf.

Τετραγωνικός παλμός τάσης

Φάσμα συχνοτήτων του συμμετρικού τετραγωνικού

παλμού τάσης

Φάσμα συχνοτήτων τυχαίου αναλογικού σήματος

...t5sin5

1t3sin

3

1tsin

4(t) ooo

V

Δειγματοληψία αναλογικού σήματος συνεχούς χρόνου

Σήμα διακριτού χρόνου

Ψηφιακός παλμός

Ενισχυτές

Γραμμικός ενισχυτής τάσης )((t) i tAo

υi : σήμα εισόδου

υo : σήμα εξόδου

A : απολαβή ή ενίσχυση τάσης

Ενισχυτής τάσης με φόρτο αντίσταση RL

Χαρακτηριστική μεταφοράς γραμμικού

ενισχυτή τάσης με απολαβή Αυ

Απολαβή τάσης

Απολαβή ισχύος

Απολαβή ρεύματος

A

i

iA

I

Lp

P εισόδου ισχύς

P φόρτο στον ισχύς

i

iAi

ip AAA

Έκφραση της απολαβής σε decibel

Άσκηση: Αν γνωρίζουμε τις h παραμέτρους του ενισχυτή του σχήματος, να

υπολογιστεί η απολαβή τάσης του: i

0A

SR

LR

0

i

SR

LR

0

i 1V 2V

1I 2I

22h

11h

212Vh

121Ih

)1()R

1h(Ih)h//R(Ih 1

L

2212122L1210

)()( 2hhRIVVhhIRI 012i11S102212111S1i

2112

L

2211S

21

i

0

21

2112

L

2211S

0

i

21

L

2211S

12

0

i

1

L

22121

11S1

0

012i

hh)R

1h)(hR(

hA

h

hh)R

1h)(hR(

h

)R

1h)(hR(

h

)R

1h(Ih

)hR(Ih

)1(

)2(

Ο τελεστικός ενισχυτής «741»

Η τροφοδοσία του ενισχυτή – Απόδοση ισχύος

Ισχύς που προσφέρεται από την τροφοδοσία: 2211 IVIVPdc

PPPP LIdc

100dc

L

P

P

Ισχύς που προσφέρεται από την πηγή σήματος εισόδου: PI

Ισχύς που αποδίδεται στον φόρτο: PL

Ισχύς που καταναλίσκεται στο κύκλωμα: Pκατ

Απόδοση ισχύος του ενισχυτή:

Παράδειγμα: Ενισχυτής τροφοδοτείται με τάσεις 10V και τραβάει ρεύμα 9.5mA

από κάθε τροφοδοτικό. Στην είσοδό του συνδέεται ημιτονικό σήμα που δίνει τάση

πλάτους 1V και ρεύμα πλάτους 0.1mA. Στην έξοδό του ο ενισχυτής δίνει

ημιτονική τάση πλάτους 9V σε φόρτο 1kΩ. Να υπολογιστούν οι απολαβές τάσης,

ρεύματος και ισχύος καθώς και η απόδοση του ενισχυτή.

dB08.199log20A9V1

V9

V

VA

dBU

in

outU

mA9k1

V9

R

VI

L

outout

dB08.3890log20A90mA1.0

mA9

I

IA

dBi

in

outi

08,29810log10A81005.0

5.40A

mW5.40V9mA92

1VI

2

1P

mW05.0V1mA1.02

1VI

2

1P

dBPP

outoutout

ininin

mW55149mW540050190PPPP

mW190mW59102IV2P

outinDC

DCDCDC

.)..(

.

%2110021.0100190

5.40100

P

P

DC

out

k1R

V9V

mA1.0I

V1V

mA5.9I

V10V

L

out

in

in

,DC

,DC

Όρια γραμμικής λειτουργίας του ενισχυτή - Κόρος

Μη γραμμική χαρακτηριστική μεταφοράς – Πόλωση του ενισχυτή

)()( o tVt OO

)()( i tVt II

)((t) i tAo

Qd

dA

Στιγμιαία τιμή της τάσης εισόδου:

Στιγμιαία τιμή της τάσης εξόδου:

Όπου :

Η απολαβή τάσης είναι η κλίση της χαρακτηριστικής στο σημείο λειτουργίας:

Άσκηση: Δίνεται η χαρακτηριστική μεταφοράς ενός ενισχυτή:

Να ευρεθούν τα όρια γραμμικής λειτουργίας του ενισχυτή και η τάση πόλωσης

εισόδου ώστε η τάση εξόδου να είναι ίση με 5V.

3.0010104011eO

40

]10)10ln[(]10)10ln[(40

10)10(1010

11

011

0

11

0

404011

0

UUUU

UeeU

II

UU II

VUVU

VUVU

I

I

673.05

690.03.0

0

0

45.1960Q

IdU

dUA

)(VuI

Συμβολισμοί

φ)ωtsin(IIiIi cCcCC

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.

Άσκηση: Υπολογίστε την απολαβή τάσης Αv του ενισχυτή του σχήματος

(a), αν το ισοδύναμο μικρού σήματος του τελεστικού ενισχυτή δίνεται στο

σχήμα (b).

Us

Rs

(a) (b)