Elektriska kretsar och fält - några exempel på tillämpningar

Transkript

1 Elektriska kretsar och fält - några exempel på tillämpningar Professor Per Larsson-Edefors VLSI Research Group Chalmers tekniska högskola perla@chalmers.se Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 1

2 Ström och spänning grunden för elektroniksystem Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 2

3 Föreläsningsöversikt Samkonstruktion mjuk- och hårdvara. Tid och frekvens. Radioteknik. Linjär förstärkning. Nätanalys alla elektroniksystems moder. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 3

4 Samkonstruktion hårdvara/mjukvara Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 4

5 MP3; tids- och frekvensdomän Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 5

6 Sinusvåg vid 1 khz Frekvensspektrum 1 khz 10 khz Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 6

7 MP3-komprimering i Komprimeringen är baserad på hur örat hör f(hz) I frekvensdomänen Sedan följer förlustfri komprimering av Huffman-typ t(s) men också i tidsdomänen Digital audio Analysis filterbank Quantization and coding Bitstream encoding Bitstream Perceptual model Spatial domain Frequency domain Data compression Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 7

8 MP3-avkodning (spelare) Scale factors Huffman table Bitstream Synchronization CRC Check Huffman tables Scalefactors Huffman Decoding Huffman Decoding Requantize Requantize Reordering Reordering Stereo Decoding Alias Reconstruction IMDCT Frequency Inversion Synthesis Snthesis Polyphase Filter Bank Right PCM Channel Alias Reconstruction IMDCT Frequency FFrequency Inversion Synthesis y Polyphase Filter Bank Left PCM Channel Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 8

9 Mjukvaru-MP3 på FPGA Bilder från Xilinx Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 9

10 Allt i mjukvara? Bilder från Xilinx Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 10

11 MULT + DCT som hårdvara Bilder från Xilinx Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 11

12 Olika grader av acceleration 100MHz MicroBlaze, pure software only = 290 seconds 1X Logic 100MHz MicroBlaze SW + IMDCT = 190 seconds 1.5X Hardware 100 MicroBlaze SW+DCT = 170 seconds 1.7X Custom 100MHz MicroBlaze SW+LL 64bit MAC = 35 seconds 8.2X 100MHz MicroBlaze SW +DCT + IMDCT + LL MAC + LL MAC = 7 seconds 41X Improvement Xilinx Inc 1x 2x 8x 10x 40x 100x 250x Performance Improvement Bilder från Xilinx Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 12

13 Accelerator för skräddarsydd, inbyggd processor Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 13

14 Dedicerad d hårdvara kan ge effektivare beräkning Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 14

15 Accelerator: CRC-krets Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 15

16 Layout av FlexCoreprocessor Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 16

17 Layout av dataväg Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 17

18 Layout multiplikator [Dig_o_Dat] Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 18

19 Kretslayout t heladderare (för transistorkrets, kolla Dig_o_Dat) Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 19

20 Elektroniksystem Effektiva elektroniksystem kräver samverkan mellan mjukvara och hårdvara. smarta kretsar. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 20

21 Radioteknik Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 21

22 Radio på nära håll Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 22

23 AM-radio (lång/mellan/kortvåg) g) Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 23

24 Kristallmottagaren Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 24

25 Hushålls radion Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 25

26 Hobbyistens FM-sändare Ett kretsschema och en cykeltur till ELFA. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 26

27 En radiomottagare - superheterodynen En lågbrusig förstärkare (LNA) krävs! Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 27

28 CAD-kretsschema för LNA Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 28

29 Förstärkning utsignal Linjaritet: hur rät är den blå linjen? Förstärkande block t Brant lutning => stor förstärkning t insignali Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 29

30 Den enklaste förstärkaren resistans på R ohm insignal utsignal transistor Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 30

31 Vi behöver icke-linjära komponenter I D V GS I D V GS Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 31

32 för då kan vi få hög förstärkning! utsig gnal [i Vo olt] FALL 1 FALL 1 insignal i [i Volt] l] Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 32

33 Simulering i av FALL 1 Insignal: en sinus som slår från 1,0 till 1,4 V. Utsignal: hygglig. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 33

34 Större transistor => större förstärkning utsig gnal [i Volt] FALL 2 FALL 2 insignal i [i Volt] l] Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 34

35 Simulering i av FALL 2 Insignal: en sinus som slår från 1,0 till 1,4 V. Utsignal: KATASTROF. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 35

36 Lyssna själv! FALL 1 FALL 2 Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 36

37 Vad hände i FALL 1? FALL 1 En begränsad signalamplitud medför bättre linjaritet. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 37

38 Vad hände i FALL 2? FALL 2 Den röda linjen är det ideala, helt linjära fallet. FALL 2 är helt misslyckat. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 38

39 Konstruktion kräver analys! Ström I Spänning (V DS ) Var ligger insignalens spänning? Vilket R? Hur stor transistor? Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 39

40 Nätanalys Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 40

41 Nätanalys julgransljus på 230 V. 2. Seriekoppling. Vad är spänningen per lampa? Resultat: Cirka 14 V per lampa. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 41

42 Nätanalys Lågpassfilter Analys med avseende på DC = likströmmar och likspänningar. + V in - R C + V ut - AC = växelströmmar och växelspänningar. Låt oss kolla kretsen till vänster hur förhåller sig V ut till V in? Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 42

43 Nätanalys Lågpassfilter För en likström är en kondensator ett avbrott. + V in - R C + V ut - För en växelström upplevs inte kondensatorn som ett omöjligt hinder. Ju högre frekvens, desto bättre leder kondensatorn. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 43

44 Nätanalys Lågpassfilter + V in - R C + V ut - Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 44

45 Lågpassfiltrets bandbredd + V in - R C + V ut - Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 45

46 Tillämpning av nätanalys 1(2) 1. DC: Etablera en s.k. arbetspunkt (spänning) kring vilken en ljudsignal kan svänga. 2. AC: Studera hur ljudsignalen från mikrofonen tar sig fram genom kretsen. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 46

47 Tillämpning av nätanalys 2(2) Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 47

48 Summering nätanalys 1. Med j -metoden har vi samma analysmetodik för DC och AC. 2. DC-analys och AC-analys kan kombineras linjära system tillåter superposition av signaler. I j -metoden anger vinkelfrekvensen för en sinusvåg (där = 2 f ). Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 48

49 Sammanfattning Elektriska kretsar och fält ger träning i elementär nätanalys och fältteori. ger insikt i metoder för att arbeta med elektronikkomponenter och ledningar. ger förutsättningar för konstruktion av effektiva elektroniksystem, från mjukvara till kretsar. Elektriska kretsar och fält, , Per Larsson-Edefors Sida 49