Begrippen

Topic: analoge informatieverwerking

Begrippen

• versterken: waarom ?– om steeds voldoende boven de ruis uit te komen

• vb. signaal van geostationaire satelliet

– om voldoende vermogen te kunnen leveren om een actuator aan te sturen

• vb. motoren

• lineariseren– na niet-lineaire omzetting

• de spanning of stroom uit de sensor is niet altijd evenredig met de te meten grootheid die de sensor opmeet

• filteren– selecteren van bepaald deelspectrum

• vb. ontvangst van radio

– corrigeren van spectrum

• beslissen

versterkers (veelal opamps) + R, L, C componenten


Overzicht:de 3 acties in analoge elektronica

• waarnemen (sensor), of controleren (actuator):

– types– bereik, domein, gevoeligheid, DCT (DC transferfunctie)

– spectrum, bandbreedte– impedantie (Thévenin)

• overbrengen via transmissiemedium– bandbreedte– ruis– impedantie

• conditioneren of verwerken (versterkers)– definitie, types, I/O model– A(), () lineaire vervorming– ruis– ingang- en uitgangsimpedantie– niet-lineaire vervorming

• getrouwheid van overbrenging


Transducers

• sensor: niet elektrisch (primaire) signaal naar elektrisch (secundaire) signaal– vb. microfoon

• actuator: omgekeerde– vb. luidspreker

• types– directe sensoren: omzetting in

• meetbare open-klemspanning– spanningstype, kleine Rs

• meetbare korstsluitstroom– stroomtype, grote Rs

– indirecte sensoren: impedantie is een functie van primaire signaal

+-g

e0=f(g)

Rsv g

i0=f(g) Rs

i

g Z=f(g)

i

v


Transducers

• begrippen– DC-transferfunctie (DCT)

• statisch verband tussen de 2 grootheden

• evenwicht in ieder punt

– bereik (range)• toegelaten waarden primaire grootheid

– gevoeligheid (sensitivity)• dE/dg(g0) met E secundaire grootheid


Transducers

• voorbeelden– thermokoppel: directe sensor vh spanningstype

• 2 juncties van metalen op temperatuur (vb. ijzer - constantaan)

• e over voltmeter evenredig met verschil absolute T tussen twee thermokoppels (3 en 4 op dezelfde T !!!)

• e is zeer klein versterking nodig

te observeren T1

referentie T2

+-

-+

v1

v2

voltmeter R=

v3, T3

v4, T3-

+

+-

+-

T1

e0= (T1-T2)

Rsv1

T2

V ruis+

Ri+-

1000 v1

-

RLR00

versterker

0 = -v1+v3+e-v4+v2, v3 = v4e = v1-v2 = (T1-T2)


Transducers

• voorbeelden– fotodiode: directe sensor vh stroomtype

• pn junctie waarop fotonen invallen– foton wordt geabsorbeerd en genereert electron-gat paar, die een

stroom doet vloeien– fotostroom evenredig met fotonenstroom en dus met de lichtsterkte– vrijwel oneindige Rs

• zonnecel (100 W/m2)• LED: Light Emitting Diode: ‘rode puntlichtje’• laserdiodes: in optische netwerken


Transducers

• voorbeelden– elektrodynamische microfoon: directe sensor vh

spanningstype– vereist egalisatie

• geluid = drukvariatie in de tijd• beweging membraan verandert magnetische flux• veranderlijke magnetische flux geeft spanning (wet van

Faraday-Lenz)e(t) = K dp/dt of E = K jP

• TRAAGHEID VAN MEMBRAAN: tijdsconstante van membraan-veer-demper systeem: AC transferkarakteristiek

H = E/P = K j/(1+j)• versterking

Av = A(1+j)/j

vraagje1. Bewijs de formule voor e(t) !


Elektrodynamische microfoon

p1

+ -e(t)

I


Transducers

• voorbeelden– accelerometer: indirecte sensor

– airbag

• gebaseerd op veranderende capaciteit

• zie slides


Transducers

• voorbeelden– uit de micro-mechanica: zie figuur

• als accelerometer of drukmeter (microfoon)

– versnelling of druk verandert C

– in combinatie met sinusoïdale stroombron

» amplitudemodulatie

• als elektrostatische luidspreker (actuator)

– spanningsverschil wekt kracht op

F = 0AV2/2d2

– wijzigende kracht geeft verplaatsing

d = 0AV2/2kd2

» is niet-lineair: nood aan niet-lineaire versterker


Versterkers

• Doel: kleine signalen groot maken zonder vervorming– spreken >< roepen

• idaal:

v0(t) = G vi(t) of v0(t) = rm ii(t)

G = voltage gain, rm = transresistance

– bron vi of ii wordt niet belast

– uitgangsspanning v0 onafhankelijk van RL

• vanuit gebruikersstandpunt


Versterkerslineair model

frequentie onafhankelijk

• spanning - spanning– open klem winst

Av = v0/v1 voor RL=

– versterking GG = v0/vi = Ri/(Ri+Rs) RL/(Rl+R0) Av

– als Rs<<Ri en Ro<< RL

G = v0/vi (1-(Rs/Ri)-(Ro/RL)) Av

+-

Rs

v1

+

Ri

+-

Av v1-

RL

R0

vi

+

-

vo



frequentie onafhankelijk

• stroom - spanning– open klem winst

Av = v0/i1 voor RL=

– versterking GG = v0/ii = Gi/(Gi+Gs) RL/(RL+R0) rm

– als Gs<<Gi en Ro<< RL

G = v0/ii (1-(Rs/Ri)-(Ro/RL)) rm

Gs

+

Gi

+-

rm i1-

RL

R0

ii

i1

vo



frequentie afhankelijk

• transistoren, weerstanden, geleiders met C– RC laagdoorlaat in frequentiedomein– open klem winst

Av = Avo 1/(1+jf/fu) (genoteerd met grote letters in italic)

met fu kantelfrequentie of halfvermogenfrequentie

– versterking GG = V0/Vi = Ri/(Ri+Rs) RL/(Rl+R0) Avo 1/(1+jf/fu)

|G| = Go (1/(1+(f/fu)2)

= -bgtg(f/fu)

GdB = 20 log10(|G|)zie slide

+-

Rs

V1

+

Ri

+-

Av V1-

RL

R0

Vi

+

-

Vo



• bode diagrammaGdB(f<fu) 20 log10(G0)

GdB(f>fu) 20 log10(G0) - 20 log10(f/fu)

– 2 asymptoten• horizontale

• -20 dB per decade

– -3dB bij fu

• bandbreedte B: frequentieband tussen -3 dB versterkingspunten

• lineaire vervorming– frequenties boven fu verzwakt



cascade

• trapwinstenG = V0/Vi = (V0/V2) (V2/Vi) = G2 G1

G1 = V2/Vi = Ri1/(Ri1+Rs)Ri2/(Ri2+R01)Av1 = G10/(1+jf/fu1)

G2 = V0/V2 = RL/(RL+R02)Av2 = G20/(1+jf/fu2)

GdB = G1dB + G2dB

= -bgtg(f/fu1) - bgtg(f/fu2)na 2e kantelpunt -40 dB per decade

• eenheidswinstbandbreedte f0

– frequentie waarbij de totale winst 1 (0 dB) is

• fasespeling – verschil tussen fase bij f0 en -180° (stabiliteit)

• zie slide

+-

Rs

V1

+

Ri1

+-

Av1 V1-

Ri2

V2

R01

Vi

+

-

+

+-

Av2V1-

RL

V0

R02

trap 1 trap 2



AC-gekoppeld

– geen DC nodig• telefonie: 200 Hz - 4.5 kHz• muziek: 16 Hz - 16 kHz

– drift (vb. temperatuur) = traag fenomeen !

• versterkers die lage freqs onderdrukken– nulpunt bij 0 Hz en pool bij f1

V1/Vi=Ri/(Ri+Rs+1/jC)=Ri/(Rl+Rs)(jf/fl)/(1+jf/fl)

fl =1/(2(Ri+Rs)C)

– totale winst, winst voor middenfrequentiesG=V0/Vi= (V1/Vi)(V0/V1)

= Ri/(Ri+Rs) (jf/fl)/(1+jf/fl) Avo 1/(1+jf/fu) RL/(Rl+R0)

= Gm(jf/fl)/(1+jf/fl)•1/(1+jf/fu)

– bandbreedte B: verschil ts halfvermogenfreqs

• zie slide

+-

Rs

V1

+

Ri

+-

Av V1-

RL

R0

Vi

+

-

Vo

C

Begrippen

Documents

Transcript of Begrippen