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 i i i0=f(g) Rs Rs + - v v g g g Z=f(g) e0=f(g)
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 + + v1 te observeren T1 v3, T3 - - voltmeter R= - - v2 referentie T2 v4, T3 + + 0 = -v1+v3+e-v4+v2, v3 = v4 e = v1-v2 = (T1-T2) V ruis + - Ri T1 R00 Rs + - + - v1 RL T2 e0= (T1-T2) 1000 v1 versterker
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 vraagje 1. 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 modelfrequentie onafhankelijk • spanning - spanning • open klem winst Av = v0/v1 voor RL= • versterking G G = 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 + + R0 + - + - vi v1 vo RL Ri Av v1 - -
Versterkerslineair modelfrequentie onafhankelijk • stroom - spanning • open klem winst Av = v0/i1 voor RL= • versterking G G = v0/ii = Gi/(Gi+Gs) RL/(RL+R0) rm • als Gs<<Gi en Ro<< RL G = v0/ii (1-(Rs/Ri)-(Ro/RL)) rm i1 + R0 + - ii vo RL Gs Gi rm i1 -
Versterkerslineair modelfrequentie 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 G G = 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 + + R0 + - + - Vi V1 Vo RL Ri Av V1 - -
Versterkerslineair model • bode diagramma GdB(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
Versterkerslineair modelcascade • trapwinsten G = V0/Vi = (V0/V2) (V2/Vi) = G2G1 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 + + + R01 R02 + - + - + - Ri2 V2 RL V0 Vi V1 Ri1 Av1 V1 Av2V1 - - - trap 1 trap 2
Versterkerslineair modelAC-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 middenfrequenties G=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 C Rs + + R0 + - + - Vi V1 Vo RL Ri Av V1 - -
