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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 1
Ström och spänning grunden för elektroniksystem Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 2
Föreläsningsöversikt Samkonstruktion mjuk- och hårdvara. Tid och frekvens. Radioteknik. Linjär förstärkning. Nätanalys alla elektroniksystems moder. Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 3
Samkonstruktion hårdvara/mjukvara Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 4
MP3; tids- och frekvensdomän Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 5
Sinusvåg vid 1 khz Frekvensspektrum 1 khz 10 khz Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 6
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 7
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 8
Mjukvaru-MP3 på FPGA Bilder från Xilinx Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 9
Allt i mjukvara? Bilder från Xilinx Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 10
MULT + DCT som hårdvara Bilder från Xilinx Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 11
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 12
Accelerator för skräddarsydd, inbyggd processor Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 13
Dedicerad d hårdvara kan ge effektivare beräkning Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 14
Accelerator: CRC-krets Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 15
Layout av FlexCoreprocessor Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 16
Layout av dataväg Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 17
Layout multiplikator [Dig_o_Dat] Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 18
Kretslayout t heladderare (för transistorkrets, kolla Dig_o_Dat) Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 19
Elektroniksystem Effektiva elektroniksystem kräver samverkan mellan mjukvara och hårdvara. smarta kretsar. Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 20
Radioteknik Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 21
Radio på nära håll Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 22
AM-radio (lång/mellan/kortvåg) g) Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 23
Kristallmottagaren Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 24
Hushålls radion Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 25
Hobbyistens FM-sändare Ett kretsschema och en cykeltur till ELFA. Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 26
En radiomottagare - superheterodynen En lågbrusig förstärkare (LNA) krävs! Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 27
CAD-kretsschema för LNA Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 28
Förstärkning utsignal Linjaritet: hur rät är den blå linjen? Förstärkande block t Brant lutning => stor förstärkning t insignali Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 29
Den enklaste förstärkaren resistans på R ohm insignal utsignal transistor Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 30
Vi behöver icke-linjära komponenter I D V GS I D V GS Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 31
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 32
Simulering i av FALL 1 Insignal: en sinus som slår från 1,0 till 1,4 V. Utsignal: hygglig. Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 33
Större transistor => större förstärkning utsig gnal [i Volt] FALL 2 FALL 2 insignal i [i Volt] l] Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 34
Simulering i av FALL 2 Insignal: en sinus som slår från 1,0 till 1,4 V. Utsignal: KATASTROF. Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 35
Lyssna själv! FALL 1 FALL 2 Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 36
Vad hände i FALL 1? FALL 1 En begränsad signalamplitud medför bättre linjaritet. Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 37
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 38
Konstruktion kräver analys! Ström I Spänning (V DS ) Var ligger insignalens spänning? Vilket R? Hur stor transistor? Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 39
Nätanalys Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 40
Nätanalys 1. 16 julgransljus på 230 V. 2. Seriekoppling. Vad är spänningen per lampa? Resultat: Cirka 14 V per lampa. Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 41
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 42
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 43
Nätanalys Lågpassfilter + V in - R C + V ut - Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 44
Lågpassfiltrets bandbredd + V in - R C + V ut - Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 45
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 46
Tillämpning av nätanalys 2(2) Elektriska kretsar och fält, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 47
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 48
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, 110321, Per Larsson-Edefors Sida 49