F1:13. 2 minutersövningar 2010 F1:30 F1:22. För att inte förlora signal kan följade göras: Analog elektronik Bertil Larsson

Transkript

1 F1:13 2 minutersövningar 2010 Analog elektronik Bertil Larsson För att inte förlora signal kan följade göras: Kodning Generera sekvenser som kan lagas vid bortfall (digitalt) Använda mer bandbredd Öka signalstyrkan Hjälper bara som ln[(s+n)/n] Minska bruset Skärmning Kylning F1:22 Överst från vänster: Strömkälla, spänningskälla och [resistor, spole kondensator] Nedre raden från vänster: Kortslutning, avbrott I den tomma rutan diskuteras vad en punkt i origo skulle betyda. Det kan vara en norator dvs en strömlös kortslutning. Dvs. ingången på Nullorn som visas i föreläsning 2 Övre bilden: R i << Rg ger i i = i g R o >> R L ger i L = A i i i Undre bilden: R i >> R g ger v i = v g R o << R L ger v L = A i v i F1:30

2 F2:9 Ingångdämpning, summation i samma punkt, för enkel modell Allt vi gör är modeller, det är endast skillnad på komplexiteten F2:13 A = g (i gv i ) Q g= vg, Q i = v i, Q c = i (genom den styrda strömgeneratorn) och Q L = i L F2:17 At =Ainf*(-Ab/(1-Ab)) = 10*[-(-9)/(1-(-9))] = 9 F2:20 Eftersom nullorn ät ideal med föoändlig förstärkning blir Ab oändlig dvs diskrepansfaktorn blir 1 Ej definierad vi/ii och båda är noll Ej definierat, kan anta alla värden i och v Alltså måste negativ återkoppling gälla om de ska få värden

3 F2:25 F2:29 Mätning i serie och addition parallellt alltså ström till ström Med nullor blir slingförstärkningen oändlig Utnyttja definitionen av ingången på nullorn, v i och i i = 0. A tinf = 1+R2/R1 F1:22 Överst från vänster: Strömkälla, spänningskälla och [resistor, spole kondensator] Nedre raden från vänster: Kortslutning, avbrott I den tomma rutan diskuteras vad en punkt i origo skulle betyda. Det kan vara en norator dvs en strömlös kortslutning. Dvs. ingången på Nullorn som visas i föreläsning 2 Övre bilden: R i << Rg ger i i = i g R o >> R L ger i L = A i i i Undre bilden: R i >> R g ger v i = v g R o << R L ger v L = A i v i F1:30

4 F3:5 Vad är det som rör sig i en koppartråd när det går en ström genom den? Fria elektroner (Yttre skalet är inte fullt) Varför går det ingen ström i en isolator? Inga fria elektroner F3:16 Vilken sorts källa beskriver bäst diodens beteende då v AK är positiv? Spänningskälla Vilka olika typer av dioder finns det och vad kan man använda dem till? Kiseldioder (likriktning, modulering), Schottkydioder (likriktning), Zenerdioder (spänningsreferenser), Gunndioder (högfrekvensmodulering), m.fl. F4:3 F:21 Skissa bipolärtransistorns utsignal i C om insignalen är en sinus i C Blir beteendet annorlunda för fälteffekttransistorn? Nej, men annan nivå då transistorn börjar leda. t Vad är utspänningens begränsningar? v i v o v i v o I C *R o oändlig i figuren ovan -V CE

5 F5:3 Ge förslag på hur man kan separera biassignalen från informationssignalen (småsignalen)? Frekvensuppdelad bias då man använder högpassfilter för att ta bort bias och lågpass för att ta bort signalen Tidsuppdelad Balansering (AS-steget) F5:8 Föreslå ett passivt nät som adderar småsignalen och biassignalen (antag DC) till en totalsignal. Kondensator i serie med v i och spole i serie med V I Föreläsning 5 2 F5:16 Härled GK-steget från GE-steget genom att realisera en spänningsföljare med ett GE-steg F5:18 Härled GB-steget från GE-steget genom att realisera en strömföljare med ett GE-steg Föreläsning 5 3 Föreläsning 5 4

6 F6:6 Bygg en transadmittansförstärkare med hjälp av en nullor Förstärkningen = (-)10mA/V Rf= 100 Använd tecken på nullorns portar för att påvisa negativ återkoppling F6:9 Gör en småsignalmodell för transimpedansförstärkaren på förra bilden Rf Föreläsning 6 1 Föreläsning 6 2 F6:14 Teckna slingförstärkningen för vår transimpedansförstärkare (slide 8 och 9) A=-g m *R f /(R f +r +R s )*r =- f *R f /(R f +r +R s ) Hur kan vi påverka slingförstärkningen? Genom att ändra r dvs öka strömmen I C Hur stor kan den maximala slingförstärkningen bli? A- f? Lägg till fler steg eller byt till bättre transistor Beräkna A. i s går även i utgången dvs i s = i L. Det är en strömföljare Förenkla kopplingen och realisera nullorn med ett steg R F6:15 Ställ upp lågfrekvensslingförstärkningen A(0) A=-g m *r =- f Ställ upp ett uttryck för slingpolen Ej aktuellt i föreläsning 6 Föreläsning 6 3 Föreläsning 6 4

7 F7:2 Din kompis har byggt följande förstärkare Vad är din kommentar? F7:5 Realisera antiseriekopplingen med GE-steg av NPN-typ Kortsluten återkoppling, R2 jordad V-V och I-I måste ha ett steg utan sammakoppling mellan in- och utgång Båda är TVÅPORTAR men sammankopplingen blir också en tvåport Steget blir inverterande såsom det är ritat Föreläsning 7 1 Föreläsning 7 2 F7:7 F7:9 Rita en småsignalmodell för AS-steget realiserad med 2 GE-steg Identifiera förhållandet mellan g m samt r och g m samt r för de enskilda GE-stegen Ledtråd Använd strukturen från 2-minutaren på bild 7 g m = gm/2; r = 2 r gm samma, men vi -> vi/2 så det upplevda g m = gm/2 Föreläsning 7 3 Föreläsning 7 4

8 F7:10 Rita en strömförstärkare realiserad med en nullor Se L2:29 Realisera nullorn med ett NPN-AS-steg. Beräkna slingförstärkningen A (R s A=-g m*r 1 /(R 1 +r +R 2 )*r =- f *R 1 /(R 1 +r +R 2 ) Vilken biasström (I C ) krävs i respektive transistor r =2 r = 2 f *V T /I C => I C = f *V T / (r /2) R 2 R 1 F7:14 - Diskussionsuppgift Kopplingen är en biaserad förstärkare Identifiera återkopplingen 100k Vilken överföring har förstärkaren? I->V Rita småsignalschemat (AC-schemat) Vilken strömförbrukning i vila? 2mA totalt i transistorerna, 0,5mA i spänningsdelaren Max utström? VB=5V, VC1=10-1mA*4,5k=5,5V, VB1=5,5V-5μA*100k = 5V = VB2 Max i: IL=(10-5,5)/(4,5+RL) Max utspänning? Max v: VL=(10-5,5)/(4,5+RL)*RL 4,5k 100k 2,2k 10k k R L Föreläsning 7 5 Föreläsning 7 6 F8:4 Identifiera förstärkande steg i strömförstärkaren och ge dem namn AS, GB, GE, GK Kontrollera att återkopplingen är negativ Negativ återkoppling finns. AS-inv, GB-icke inv, GE-inv och GK-icke inv. F8:7 Realisera en strömföljare med ett AS-steg följt av ett GE-steg Rita småsignalschema Beräkna A A=-g m*r *g m =-g m* f Föreläsning 7 1 Föreläsning 7 2

9 F8:17 Vilken parameter är den viktigaste för att motverka olinjäriteter? Slingförstärkning Vilka steg maximerar denna parameter? oåterkopplade F8:22 Du behöver bygga en transimpedansförstärkare med A större än 250 f är ca 200 för dina BJT Hur många steg väljer du i din förstärkare? Minst 2. Max A är f per steg. Kan du vara säker på att ditt val av antal steg ger A > 250? Nej, ty ofördelaktig dämpning i återkopplingsnätet kan förekomma Föreläsning 7 3 Föreläsning 7 4 F9:12 Antag att du känner I C för en BJT Vad blir g m = I C /V T Vad blir r = f V T /I C F9:17 Identifiera förstärkande steg i strömförstärkaren och ge dem namn AS, GB, GE, GK Kontrollera att återkopplingen är negativ Negativ återkoppling finns. AS-inv, GB-icke inv, GE-inv och GK-icke inv. Föreläsning 9 1 Föreläsning 7 2

10 F9:19 Du ska bygga en 2-stegs V I förstärkare Vilka steg väljer du? Motivera! AS+GE, ej GE-GE ty det går ej att få både invertering och gemensam nod för återkopplingsnätet Vad blir den teoretiskt maximala slingförstärkning? Antag att du har BJT att tillgå Abeta < (beta-f)^2 Vilken biasström påverkar A? Ingångsstegets bias ingår enskilt i Abeta A=-; beta=rf rrf+rg+r Abeta=(beta-f)^2* Rf/(Rf+Rg+r F10:11 Z 1 = 1 + j2 och Z 2 = 2 - j2 Beräkna följande: Z 1 och Z 2 z1 =sqrt(1+4)=sqrt(5), z2 =sqrt(8) Z 1 * Z 2 z1*z2 = 2-2j+4j+4 =sqrt(36+4)=sqrt(40)= sqrt(5)*sqrt(8) arg(z 2 ) Arg(z2)=arctan(-2/2) = arctan(-1) = -arctan(1) = - /4 Skriv Z 2 på polär form Z2=sqrt(8)e^(-/4) Föreläsning 9 3 Föreläsning 10 1 F10:15 Beräkna överföringsfunktionen från v i till v o Identifiera systemets poler och nollställe R1 R R 1 2 (1 (1 sr2c) R1R 2 s C) R R Nollställe -1/R 2 C Pol -1/(R 1 R 2 /(R 1 +R 2 )C) 1 2 F10:18 Skissa stegsvaret till polplaceringarna Stabila Exponentiellt mot oändligheten Föreläsning 10 2 Föreläsning 10 3

11 F10:23 Härled brytfrekvensen för ett system med en pol 1 H() s k 1 s p = p 1 1 F11:7 Realisera en transimpedansförstärkare med ett GE-steg Antag R g = L Rita småsignalschema (med frekvensberoende) Beräkna slingförstärkningen A = - f /(1+sr C ) Bestäm poler och nollställen i A Pol = -1/(r C ), inga nollställen. Föreläsning 10 4 Föreläsning 11 1 F11:19 En förstärkare har 2 slingpoler vid - 1krad/s och -10krad/s Nollställen saknas A (0) är -9 Beräkna LP-produkten LP = (1-(-9))(-10 3 )(-10 4 ) = 10 8 Skatta maximal bandbredd = sqrt(lp)= 10 4 F11:23 Förstärkaren ska klara att processa en signal på 1kHz 1MHz. Förstärkaren har en slingpol p 1 = -5kHz Bestäm minsta A (0) för att klara kravet = LP= (1- A (0))(- 5*10 3 ) = 10 6, A (0) = -200 Kan ett en-poligt system ha en icke-dominant pol? Nej Föreläsning 11 2 Föreläsning 11 3

12 F12:11 Antag två slingpoler vid -1rad/s och -3rad/s Rita rotorten F12:21 Estimera faktorn E för en pole-splitkompensering p 1 = p 2 = -1rad/s, A(0) = -99 Beräkna i ordning 0, rita rotorten LP = (1-(-99))(-1)(-1) = 10 2 ; 0 = 10; p 1, p 2 = 10/sqrt(2)(-1 j) = -7 7j g= -7 E ; (p) = (p ) = -14 = p 1 /E + p 2 2 E; E=14 Föreläsning 12 1 Föreläsning 12 2 F13:11 Du vill kompensera förstärkaren med ett fantomnollställe Systemet ska ha reella poler (dubbelpol) Var placerar du fantomnollan? p =-2 0 p =2*/t=1.05e7 rad/s n = - p /2=-5.24 Mrad/s F13:14 Föreslå en impedans vars absolutbelopp minskar för ökande frekvens Använd en resistor och en reaktans Resistor parallellt med kondensator Föreslå en impedans vars absolutbelopp ökar för ökande frekvens Använd en resistor och en reaktans Resistor i serie med induktans Föreläsning 13 1 Föreläsning 13 2

13 F13:18 Visa två (eller fler) sätt att implementera en fantomnolla i kopplingen Ledtråd: teckna Z som funktion av För 1 fantomnolla: 1)I återkopplingsnätet: resistor i serie med C1 kapacitans parallellt med C2 ingen effekt! 2) På ingången: inte möjligt 3) På utgången: resistans i serie med lasten, CL Spole istället för resistor ger två fantomnollor F14:7 Hur stor kan utspänningen blir från ett ASsteg? Teoretiskt oändlig, V o ökar med R o Finns det några begränsande faktorer? I praktiken begränsar transistorns genombrottsspänning, V CEBR, och implementeringen av I C -strömkällan Föreläsning 13 3 Föreläsning 14 1 F14:13 Du och din kompis har byggt en förstärkare med A = -89 Förstärkaren har ett vanligt GK-steg på utgången Plötsligt får du en snilleblixt och ersätter GKsteget med ett komplementärt parallellt GK-steg Vad händer med A? Fall klass B: inget. Antingen jobbar den ena eller den andra. Samma småsignalmodelll för både NPN- och PNP. (Fall klass AB: inget händer här heller. r, C och gm* v parallellkopplas ) F14:16 Antag att din förstärkare ska driva en högtalare (8 ) Max uteffekt ska vara 10W Ange nödvändig arbetspunkt (I C, V CE ) för följande utgångssteg GE-steg i klass A CP-steg i klass AB 10W = U 2 /R = RI 2 -> U > 9 Vrms = 9*1,4 = 12,6Vpeak och I > 1,1Arms = 1,6Apeak GE Klipper i ström och spänning Vo = [-Vo, IoRo] och Io = [-Vo/Ro, Io] dvs Vo = [-12,6;1,6*8(=12,8)] och Io = [-12,6/8(=1,6);1,6] CP Klipper endast i spänning Vo = [-Vo, Vo] och Io = [-Vo/Ro, Vo/Ro] dvs Vo = [-12,6;12,6)] och Io = [-12,6/8;12,6/8] Föreläsning 14 2 Föreläsning 14 3

14 F14:18 Vad händer med slingförstärkningen när en Välj ett alternativ 1. A klippning 2. A klippning = A ingen klippning 3. A klippning 1 är rätt alternativ ty A=0 Föreläsning 14 4