ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ;
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)