VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS ANALÝZA, VLASTNOSTI A APLIKACE KOMERČNĚ DOSTUPNÝCH PROUDOVÝCH NÁSOBIČEK DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Bc. JAN MIKSL BRNO

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS ANALÝZA, VLASTNOSTI A APLIKACE KOMERČNĚ DOSTUPNÝCH PROUDOVÝCH NÁSOBIČEK ANALYSIS, FEATURES AND APPLICATIONS OF AVAILABLE CURRENT MODE MULTIPLIERS DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. Jan Miksl Ing. Roman Šotner BRNO

3

4 . Pan/paní LICENČNÍ SMLOUVA POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO uzavřená mezi smluvními stranami: Jméno a příjmení: Jan Miksl Bytem: Žarošice 5, Narozen/a (datum a místo): 8. listopadu 986 v Ostravě (dále jen autor ). Vysoké učení technické v Brně a Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií se sídlem Údolní 53, Brno, 6 jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty: prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida, předseda rady oboru Elektronika a sdělovací technika (dále jen nabyvatel ) Čl. Specifikace školního díla. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP): disertační práce diplomová práce bakalářská práce jiná práce, jejíž druh je specifikován jako Semestrální projekt MME (dále jen VŠKP nebo dílo) Název VŠKP: Analýza, vlastnosti a aplikace komerčně dostupných proudových násobiček Vedoucí/ školitel VŠKP: Ing. Roman Šotner Ústav: Ústav radioelektroniky Datum obhajoby VŠKP: 6.6. VŠKP odevzdal autor nabyvateli * : v tištěné formě počet exemplářů: v elektronické formě počet exemplářů:. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním. 3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická. * hodící se zaškrtněte

5 Článek Udělení licenčního oprávnění. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným účelům včetně pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin.. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti ihned po uzavření této smlouvy rok po uzavření této smlouvy 3 roky po uzavření této smlouvy 5 let po uzavření této smlouvy let po uzavření této smlouvy (z důvodu utajení v něm obsažených informací) 4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením 47b zákona č. / 998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen a oprávněn ze zákona. Článek 3 Závěrečná ustanovení. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP.. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znění a popř. dalšími právními předpisy. 3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek. 4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami. V Brně dne:. května.. Nabyvatel Autor

6 Abstrakt Diplomová práce se zabývá analýzou, ověřením parametrů, kontrolním měřením a následným návrhem několika aplikací s komerčně dostupnými proudovými násobičkami. Konkrétně se jedná o prvky EL8 a EL483. Kontrolní analýzy jsou prováděny v programu OrCAD PSpice a porovnávány s hodnotami z katalogových listů. Kontrolní analýzy zkoumají AC a DC vlastnosti těchto aktivních bloků. Sledována je vstupní impedance, výstupní impedance, přenos proudu a možnosti elektronického řízení. Uvedené vlastnosti prvků jsou ověřeny také kontrolním měřením na sestavené konfigurovatelné desce. V práci jsou ukázány návrhy různých obvodových aplikací (selektivní obvod, oscilátor, kmitočtový filtr) s prvky EL8 a EL483 a podrobeny simulacím v programu OrCAD. Z navržených aplikací jsou realizována tři možná zapojení pro oscilátor, která jsou experimentálně proměřena. Dosažené výsledky měření jsou porovnány s teoretickými předpoklady a simulacemi v programu OrCAD. Sledována je především možnost elektronického řízení oscilátoru. Návrhy oscilátorů jsou také podrobeny citlivostním a tolerančním analýzám v programu OrCAD. Konstrukční náležitosti pro výrobu oscilátorů jsou uvedeny na konci práce. Klíčová slova aktivní prvek, proudový mód, proudový konvejor, analogová násobička, elektronické řízení, OrCAD počítačová simulace, THD, oscilační podmínka, toleranční analýza, citlivostní analýza, histogram

7 Abstract The diploma thesis deals with analysis, validation, measurement of parameters of the commercially available current multiplies (namely the EL8 and EL483) and their applications in practice. Control analysis are carried out in OrCAD PSpice program and compared with values from datasheets. Control analysis are focused on AC and DC characteristics of these active blocks. There are discusses the input impedance, the output impedance, the current gain and the possibility of electronic adjusting. The parameters of the elements were verified by measurements. Proposals for circuit applications (selective circuit, oscillator, frequency filter) with EL8 and EL483 are presented and analyzed in the program OrCAD. Three oscillator circuit designs are experimentally tested and the results are compared with the theoretical expectations and simulations in OrCAD. The possibility of electronic control for oscillators is examined. Also the sensitivity and the tolerance analysis are carried out. The constructional details of oscillators are presented at the end of this work. Keywords active element, current mode, current conveyor, analog multiplier, electronic adjusting, OrCAD computer simulation, THD, oscillation condition, tolerance analysis, sensitivity analysis, histogram

8 Miksl, J. Analýza, vlastnosti a aplikace komerčně dostupných proudových násobiček. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav radioelektroniky,. 79 s. Diplomová práce. Vedoucí práce: ing. Roman Šotner.

9 Prohlášení Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma Analýza, vlastnosti a aplikace komerčně dostupných proudových násobiček jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení a následujících autorského zákona č. / Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 5 trestního zákona č. 4/96 Sb. V Brně dne. května... podpis autora Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Romanu Šotnerovi za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mého semestrálního projektu. V Brně dne. května... podpis autora

10 Obsah Úvod Aktivní prvky Úvod Analogové násobičky Prvek EL Prvek EL Analýza prvků EL8 a EL Úvod Analýza EL Analýza EL Měření prvků EL8 a EL Měření EL Vstupní a výstupní impedance portů EL Převodní charakteristiky EL Měření EL Vstupní a výstupní impedance portů EL Převodní charakteristiky EL Srovnání dosažených výsledků Návrh aplikací s prvky EL8 a EL Selektivní obvod s EL Kmitočtový filtr s EL8 a EL Oscilátor na principu ztrátového a bezeztrátového integrátoru Oscilátor na principu ztrátových integrátorů Návrh Ideální model s úvahou parazitních vlastností Citlivostní analýza Toleranční analýza Realizace a experimentální měření Modifikovaný oscilátoru na principu ztrátového a bezeztrátového integrátoru Návrh Ideální model s úvahou parazitních vlastností Citlivostní analýza Toleranční analýza Realizace a experimentální měření Závěr Seznam literatury Vybrané nejpoužívanější zkratky a symboly Přílohy Příloha - Fotografie a popis univerzální měřicí desky Příloha Histogramy výsledků analýz hromadné výroby oscilátoru z kap Příloha 3 Histogramy výsledků analýz hromadné výroby oscilátoru z kap Příloha 4 Zapojení a podklady pro výrobu DPS Příloha 4a Oscilátor z kap Příloha 4b Oscilátor z kap Příloha 4c Oscilátor z kap

11 Úvod V současnosti se stále zvyšují požadavky na zpracování signálu, především na rychlost přenosu a na pracovní pásmo kmitočtů, ve kterém jsou signály zpracovávány a především na rekonfigurovatelnost aplikací. Proto vlivem modernizace jsou navrhovány a vznikají nové aktivní bloky jak v napěťovém, tak proudovém módu. Jedná se především o operační zesilovače, operační transkonduktanční zesilovače, proudové konvejory, proudové zesilovače, apod. Bylo zjištěno, že návrhové přístupy v napěťovém módu (VM) se stávají nedostačujícími, a proto se začaly používat prvky v proudovém režimu (CM). Tyto prvky mohou mít stejné parazitní kapacity jako prvky napěťové, přesto pracují s nižšími časovými konstantami (obvodové uzly mají nižší odporovou úroveň). Mohou tedy operovat na vyšších kmitočtech. Cílem této práce je seznámení se s dostupnými proudovými násobičkami, ověřit základní vlastnosti těchto prvků počítačovou analýzou a kontrolním měřením, diskutovat možné aplikace v různých systémech analogové techniky (filtry, oscilátory, modulátory ) a dále fyzicky realizovat některé z navržených obvodů a ověřit správnost návrhu. Úvod diplomové práce se zabývá analýzou a kontrolním měřením proudových násobiček, konkrétně komerčně dostupnými prvky EL8 a EL483. Nejprve jsou součástky zkoumány v programu OrCAD, výsledky analýz jsou ověřeny s katalogovými údaji a slouží k vytvoření představy o vlastních parametrech aktivních prvků. Pro kontrolní měření je sestavena univerzální, konfigurovatelná deska. Proměřeny jsou dílčí parametry prvků EL8 a EL483 a porovnány s analyzovanými modely v programu OrCAD a hodnotami uvedenými v katalogových listech. V další části se diplomová práce zabývá návrhem aplikací typu nastavitelný selektivní obvod, oscilátor a kmitočtový filtr. Navržené aplikace jsou analyzovány v programech SNAP a OrCAD. Zkoumána je také možnost elektronického řízení jednotlivých aplikací. Z navržených aplikací jsou vybrány a realizovány dvě zapojení pro oscilátor. Provedeno je experimentální měření realizovaných oscilátorů a výsledky měření jsou porovnány s teoretickými a předpokládanými výsledky. Sledována je především možnost elektronického řízení oscilátorů a splnění oscilační podmínky. - -

12 . Aktivní prvky.. Úvod Aktivní prvky (CA, CF, OZ) [], [7], [8] jsou v současné době velice rozšířeny a používají se ve většině elektronických zařízeních. Dříve se hojně používaly prvky pracující v napěťovém módu (prvek pracuje na vstupu i výstupu s hodnotami napětí). Napěťový režim se vyznačuje vysokou impedanční úrovní v uzlech obvodu a tedy i vysokou časovou konstantou. Přesto prvky v napěťovém módu umí pracovat i na vyšších kmitočtech (rychlé OZ, CF a CFA). Nepříjemná vlastnost je však možnost potencionální nestability při jednotkovém zesílení a především nemožnost elektronického řízení prvků. Pro možnost elektronického řízení jsou nutné další obvodové návrhy, to zvyšuje složitost obvodové realizace a s tím i celkovou spotřebu zapojení. Vlivem modernizace se zvyšují nároky nejen na vlastnosti těchto zařízeních, ale také i na jejich rozměr. Vznikly tedy prvky pracující na jiném principu než jen zesilování a zpracovávání pouze napětí. Výhodou prvků pracujících v proudovém [3] (prvky pracují na vstupu a výstupu s hodnotami proudu) či hybridním módu je větší šířka pásma, tranzitní kmitočet, dynamika, linearita, větší odstup S/N, nižší napájení, spotřeba a menší náchylnost k nestabilitě. Vzhledem k těmto vlastnostem nacházejí tyto prvky stále častější uplatnění v elektrických obvodech, ale také při realizaci matematických operacích (sčítání, odečítání a násobení proudu). Nevýhodou aktivních prvků v proudovém módu je skutečnost, že běžná zapojení pracují s napětím. Při realizaci je tedy nutné využít k měření převodník napění na proud na vstupu sledovaného obvodu a na výstup převodník proud na napětí... Analogové násobičky Analogové násobičky [] jsou obvody, které umožňují matematicky zpracovávat dva analogové signály. Kromě vzájemného násobení můžou být signály např. také sčítány, děleny, logaritmovány apod., avšak jednotlivá zapojení je nutné rozšířit o další členy. V současné době se pro tyto účely v obvodových aplikacích nejvíce využívají integrované obvody, ty se skládají ze souborů bipolárních tranzistorů (transkonduktančích sekcí g m a proudových zrcadel). Výhodou těchto bloků jsou malé rozměry, relativně dobrá přesnost (pod %) a cena. Analogové násobičky je mimo jiné také možno uplatnit při měření výkonu, posouvání frekvence a amplitudové modulaci nebo pro detekci fázového úhlu dvou signálů se stejnou frekvencí. Analogové násobičky z části mohou nahradit digitální obvody, které danou problematiku také umí řešit, avšak zpracovávají výsledný signál s nezanedbatelným zpožděním a pro rychlé aplikace jsou mnohem dražší. Proto se v aplikacích, kde je kladen důraz na rychlost zpracování, stále hojně využívá analogové zpracování signálu. Násobičky je možné rozdělit do tří skupin podle kvadrantů, ve kterých se nachází vstupní a výstupní hodnoty signálu. Jednokvadrantová násobička pracuje na vstupu i výstupu se stejnou polaritou signálů. Dvoukvadrantová násobička pak pracuje na vstupu s jedním signálem, který může nabývat obou - -

13 polarit a s druhým, který má polaritu pořád stejnou. Na výstupu je pak signál s pouze jednou polaritou. Operační oblast dvoukvadrátorové násobičky je ukázána na obr.. Grafy pro ostatní násobičky jsou podobné. Poslední z možných násobiček je čtyřkvadrantová násobička, ta pracuje na vstupu i výstupu se signálem, který může nabývat obou polarit. Bias (K) I x I y X Y Z I z Obr.. Ukázka operační oblasti dvoukvadrátorové násobičky. Obr.. Schematická značka proudové násobičky. Schématická značka proudové násobičky je ukázána na obr.. Výstupní proud I z je dán součinem vstupních proudů I x a I y vztah (). I z = K I I, () x y kde K je násobící konstanta nabývající hodnot v intervalu (,). Pokud na jeden ze vstupů přivedeme nulovou hodnotu, musí na výstupu pochopitelně být také nula. Součástí násobiček také bývá pin pro správné nastavení nuly

14 . Prvek EL8 Tříbranový proudový konvejor EL8 [4] je základním stavebním blokem umožňující elektronické řízení proudového zisku a jeho snadné přeladění. Jedná se o analogovou násobičku či proudový konvejor (CCII-). Násobička umožňuje zpracovávat jak velké, tak malé signály ve velké šířce kmitočtového pásma. V případě nulového nebo záporného řídicího napětí je U G < a nedojde k přenosu signálu ze vstupu na výstup. Prvek EL8 (obr. 3, 4) nachází největší uplatnění jako proudový konvejor [], [7], [8] s řiditelným proudovým přenosem. Vstupní proud přivedený na port X je kopírován na výstup Z s proudovým přenosem řízeným napětím U G. Tedy, pokud na vstup X je přiveden proud ma na výstupu bude proud také ma za předpokladu, že U G = V. Použitelný rozsah napětí U G je v rozmezí mezi V. Je-li U G nulové či záporné, stačí i nepatrně malá hodnota (- mv), dojde k velmi velkému utlumení signálu. EL8 nabízí flexibilní vstupy a výstupy, všechny společně proti zemi. Dále šířku pásma 5 MHz pro velké i malé signály. Napájení může být voleno z rozsahu ±5 V až ±5 V. Prvek EL8 nachází uplatnění např. pro nastavení úrovně signálu pro video signály a směšovače, dále pro sledování a kontrolu hladiny kontrastu u videa signálů a nebo také jako (de)modulátor [4]. Obr. 3. Schematická značka EL8 Obr. 4. Značka makromodelu EL

15 3. Prvek EL483 Prvek EL483 [5] je čtyřkvadrátová proudová násobička založena na bipolární technologii. Sčítání vstupního a výstupního signálu a připojení k jiným zařízením pracujícím v proudovém módu může být realizováno pouze jednoduchým přímým propojením, přičemž šířka pásma je zachována. Díky této vlastnosti, že je možné bloky v obvodu pouze propojovat, dojde ke snížení celkového počtu užitých komponent. EL483 nachází využití v oblastech zpracování signálu jako je směšování, frekvenční násobení, modulace, demodulace, řízení zisku a k násobení a odmocňování signálu. Stejně jako EL8 se EL483 používá ke zpracování video signálu, ale někdy také i ke zpracování HDTV signálu [5]. Schématická značka prvku EL483 je ukázána na obr. 5. Piny X a Y jsou proudové vstupy s nízkou impedancí (okolo 3-48 Ω, dle katalogového listu), virtuálně uzemněny a závislé na proudu I Z na pinu Z C. Pin Z C je nízkoimpedanční (< Ω) virtuálně uzemněný proudový vstup. Může pracovat s pozitivním proudem z rezistoru připojeném na kladném zdroji napětí. Zisk násobičky je úměrný právě hodnotě proudu I Z. Součástka EL483 bude reagovat stejně jak na proud z proudového zdroje, tak i na výstup z transkonduktančního zesilovače či na jeden ze svých vlastních výstupů. Celkový přenos pro EL483 je dán rovnicí, B ( I I ) I = ( I I ) X kdy B. () Y Z + XY Jak je vidět z rovnice (), pin Z C může sloužit jako vstupní dělitel. Avšak, jeho charakter je odlišný od zbývajících dvou vstupů v tom, že velikost jeho vstupního proudu určuje spotřebu součástky a šířku pásma. Primární myšlenkou využití pinu Z C je jako programující pin, obdobný ve funkci programovatelných operačních zesilovačů. Součástka může pracovat v rozmezí napájecího napětí od ±4,5 V - ±6,5 V. Rozsah pro pin Z C byl dovolen v rozsahu µa < I Z < ma, což odpovídá šířce pásma signálů na pinech I X a I Y od 5 MHz až MHz. Vyšší hodnoty I Z mohou způsobit problémy v teplotních extrémech a s linearitou, naopak hodnoty I Z blízké nule budou postupně znehodnocovány vstupní referenční hodnotou stejnosměrného offsetu a omezovat rychlost [5]. XY Obr. 5. Schematická značka EL

16 Prvek EL483 je od základu jiný než násobičky pracující v napěťovém módu. Zdroje signálu proudu mohou být připojeny přímo k vstupům násobičky a je možné zpracovávat libovolný rozsah vstupních hodnot napětí, vše závisí pouze na vhodném přizpůsobení napěťového zdroje pomocí sériových rezistorů do vstupů a jejich hodnotách. Výstupy jednotlivých součástí, stejně jako proudový výstup D/A převodníku, transkonduktančního zesilovače nebo proudových konvejorů mohou být propojeny opět přímo ke vstupům. Dynamický rozsah součástky může být také přizpůsoben vhodnou volbou hodnoty proudu I Z pro velký proudový signál. Vstupy X a Y se chovají stejně jako virtuálně uzemněný vstup operačního zesilovače

17 4. Analýza prvků EL8 a EL Úvod Cílem analýz prvků EL8 [4] a EL483 [5] je ověření podstatných katalogových údajů a doplnění chybějících či zavádějících parametrů. Sledovány jsou především vstupní a výstupní impedance jak proudových, tak napěťových vstupů/výstupů prvků. Dále vstupní, výstupní kapacity a přenos proudu. Na základě zjištěných hodnot je možné sestavit model 3. úrovně prvku EL8 a porovnat jej tak s již vytvořeným modelem EL8 v knihovně programu OrCAD. Makromodel prvku EL483 v programu OrCAD obsahuje zjednodušenou verzi oproti skutečnosti. Model se skládá z řízených zdrojů, pasivních součástek, transistorů a modelů diod. Modelován však není šum a teplotní závislost na frekvenci nebo rychlosti přeběhu. 4.. Analýza EL8 Zapojení součástky pro simulaci v programu OrCAD je ukázáno na obr. 6. Ve všech následujících simulacích je U G = V. V první fázi je zkoumán přenos proudu, kdy je zjištěn mezní kmitočet pro pokles o 3 db. Ten podle simulace (obr. 7.) vychází f c = 56 MHz. Hodnoty součástek jsou voleny R y = e Ω a R x = Ω. UG U G V- V+ Z IZ X Y E GND Ix Ry e EL8/EL Rz Obr. 6. Schéma zapojení součástky EL8. Hodnoty impedancí R x, R y a R z jsou získány opět pomocí simulací stejného schématu (obr. 6), pouze s drobnými úpravami. Pro simulaci vstupní impedance pinu X (R x ) je nutné nechat piny Z a Y rozpojeny (v programu OrCAD připojit velkou zátěž), případně ponechat v zapojení zdroje AC a sledovat poměr vstupního napětí ku vstupnímu proudu U x /I x (obr. 8.). Výsledná křivka udává přímo hodnotu R x, je možné sledovat, že vstupní impedance je kmitočtově závislá a s rostoucí frekvencí klesá. Hodnota R x = 95 Ω a je stejná jako udává katalogový list

18 5-5 - KI [db] ,E+6,E+7,E+8,E+9 f [Hz] Obr. 7. Přenos proudu součástky EL8, U G = V. Pokud je odečten z grafu (obr. 7) kmitočet pro f c =,77.R x, je možné podle (3) dopočíst vstupní kapacitu C x. Ta vychází C x = pf, hodnota se opět shoduje s katalogovým listem. Vstupní impedance pinu Y je R y = MΩ (obr. 9) a pin Y není modelován jako kmitočtově závislý. Výstupní impedance R z (obr. ) nabývá hodnoty MΩ, poté s rostoucím kmitočtem klesá. Hodnota R z = MΩ je použita při tvorbě modelu 3.úrovně EL8. C z je vypočítána podobně jako C x podle (3). f c = 3,8 khz pro hodnotu,77.r z a pak C z = 5 pf (4). C C X Z = π f R = π f R z x R R z x = π 8, = = 6 π 3,8.. 3 =,97 pf, (3) 5 pf. (4) Rin [Ω] ,E+5,E+6,E+7,E+8,E+9 f [Hz] RYin [Ω],E+6,E+,E+,E+3,E+4,E+5,E+6,E+7 f [Hz] Obr. 8. Vstupní impedance R x pinu X. Obr. 9. Vstupní impedance R y pinu Y

19 ,E+6 9,E+5 8,E+5 7,E+5 6,E+5 RZ [Ω] 5,E+5 4,E+5 3,E+5,E+5,E+5,E+,E+,E+3,E+4,E+5,E+6,E+7 f [Hz] Obr.. Výstupní impedance R z pinu Z. Analyzované hodnoty modelu součástky EL8 jsou porovnány s hodnotami katalogovými v tabulce. Katalogový list někdy udává pouze rozsah, ten je však ve všech případech splněn. Analýza OrCAD Katalogový list R x [Ω] 95 min 75 < typ 95 < max 5 C x [pf] R y [MΩ] min,5 < typ R z [MΩ] min,5 < typ,5 C z [pf] 5 5 Tab.. Srovnání katalogových údajů s analýzou v programu OrCAD. Součástí simulací je také DC analýza prvku EL8. Sledován je vliv změny řídicího napětí U G na proudovou převodní charakteristiku viz. obr.. Lineární oblast převodu se pro jednotlivé závislosti fce G(U G ) liší. Např. pro U G = V je lineární oblast v intervalu vstupního proudu I x od -3,5 ma po 3,5 ma. Podobný interval udává i katalogový list.,3,5,,5,,5 Iz [A] -,5 -, -,5 -, -,5 -,3 -, -,75 -,5 -,5,5,5,75, I x [A] Obr.. Převodní charakteristika proudu (X Z) v závislosti na velikosti U G

20 S pomocí zjištěných hodnot programem OrCAD je možné sestavit model 3. úrovně součástky EL8 (obr. ) a porovnat přenos proudu v jednom grafu s makromodelem EL8 z knihovny programu OrCAD (obr. 3). Obr.. Model 3. úrovně prvku EL KI [db] makromodel model 3. úrovně -4,E+7,E+8,E+9,E+ f [Hz] Obr. 3. Srovnání přenosu proudu makromodelu s modelem 3. úrovně prvku EL 8. Hodnoty součástek pro model 3. úrovně jsou voleny dle tabulky., hodnoty dalších součástek jsou zvoleny následovně: R f = R G = Ω, C f = nf a C y = 5 pf (voleno z makromodelu). Křivky přenosu proudu se shodují a může být řečeno, že návrh modelu součástky je správný. Velikost R f a R G ovlivňují celkový přenos a modelují možnost elektronického přelaďování součástky Analýza EL483 Zapojení modelu EL483 v programu OrCAD je obdobné jako v případě prvku EL8. Prvek je napájen stejnosměrným napětím ±5 V. Proud I Z pro simulace byl zvolen o hodnotě ma. Schéma zapojení pro simulace v programu OrCAD je ukázáno na obr

21 Obr. 4. Schéma zapojení součástky EL 483. Přenos proudu z portu X +XY a Y +XY je ukázán na obr. 5, hodnoty rezistorů a velikosti proudů jsou voleny následovně: R X = Ω, R Y = Ω, a R +XY = Ω, R -XY = Ω, I Z = ma a I Y = ma. Mezní kmitočet pro pokles o 3 db je f c_x ±XY = 95 MHz. Charakteristika vstupní impedance pro piny X a Y (R X a R Y ) je na obr. 6. Vstupní impedance je R X = R Y = 3 Ω. Přibližně od 35 MHz pak impedance obou pinů s rostoucí frekvencí exponenciálně roste do hodnoty Ω a pak opět klesá (obr. 5.). Rezonance kolem 9 MHz je pravděpodobně způsobena LC obvodem na vstupu. Výstupní impedance R ±XY má exponenciálně klesající průběh, který se od kmitočtu 5 MHz ustálí na hodnotě 5 Ω (obr. 7.). Pro interval mezního kmitočtu f c od, MHz do MHz hodnota výstupní impedance R ±XY exponenciálně klesá od,3 MΩ do,3 kω KI [db] XY = -XY -4,E+5,E+6,E+7,E+8,E+9 f [Hz] Obr. 5. Přenos proudu X ±XY EL483, I Y = ma, I Z = ma. - -

22 9 8 7 Rx Ry,4E+6,E+6,E+6 R [Ω] R+XY [Ω] 8,E+5 6,E+5 3 4,E+5,E+5,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8,E+9,E+,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8 f [Hz] f [Hz] Obr. 6. Vstupní impedance pinů X a Y. Obr. 7. Výstupní impedance R +XY prvku EL483. V následující části jsou analyzovány DC vlastnosti EL48. Proudové převodní charakteristiky jsou ukázány na obr. 8. a 9. Kdy na pin X je připojen signál a sledován je výstupní proud na výstupech +XY a -XY. V grafech je také ukázána závislost převodní charakteristik na velikosti I Y.,5,5 Iy = ma Iy =,5 ma Iy = ma Iy = ma,5,5 Iy = ma Iy =,5 ma Iy = ma Iy = ma I+XY [ma] -,5 I-XY [ma] -, ,5 -,5 - -,5 - -,5 - -,5,5,5,5 - -,5 - -,5 - -,5,5,5,5 I X [ma] I X [ma] Obr. 8. Proudová převodní char. z X na +XY v závislosti na velikosti I Y. Obr. 9. Proudová převodní char. z X na -XY v závislosti na velikosti I Y. Ověření katalogových údajů s údaji získanými simulacemi v OrCAD je uvedena v tab.. Bohužel hodnoty vstupních a výstupních kapacit nelze porovnávat, protože katalogový list tyto hodnoty neuvádí. Analýza OrCAD Katalogový list R X [Ω] 3 min 3 < max 48 R Y [Ω] 3 min 3 < max 4 R Z [Ω] - R ±XY [Ω] (f c od, MHz do MHz) od,3 MΩ do,3 kω - Tab.. Srovnání katalogových údajů s analýzou v programu OrCAD. - -

23 5. Měření prvků EL8 a EL483 Cílem této kapitoly je proměřit prvky EL8 a EL483 a porovnat získané závislosti s výsledky získanými simulacemi a s parametry uváděnými katalogovými listy. Pro proměření prvků EL8 a EL483 je sestavena univerzální měřicí deska, umožňující pomocí stíněných drátových propojek a spojek (jumperů) měnit celkové zapojení přípravku. Tento způsob řešení není nejšťastnější a díky němu se především na kmitočtech nad MHz projeví parazitní vlastnosti desky. Je volen především z časových důvodů a úspory desek plošných spojů, jelikož pro každé měření některého z významných parametrů je vyžadováno jiné obvodové zapojení a muselo by být vyrobeno více jak měřicích desek. Zhotovená univerzální měřicí deska obsahuje nastavitelné napájecí rozvody pro operační zesilovače a prvek EL8 a rozvody s napěťovými stabilizátory (±5 V) pro prvek EL483. Deska dále obsahuje dva bloky vstupních a dva bloky výstupních napěťových sledovač s OPA633 [6] a nakonec dvě patice pro prvky EL8 a EL483. Fotografie měřicí desky a pracoviště jsou na obr..,. Popis měřící desky je uveden v příloze. Obr.. Univerzální měřicí deska. Obr.. Pracoviště pro měření. 5.. Měření EL8 Pro měření vstupních a výstupních impedancí je použit vektorový analyzátor Agilent Technologies E57E. Ten však je použit pouze pro měření proudových vstupních bran s nízkou impedancí. Měření výstupních bran s vysokou impedancí (řádově MΩ) není na vektorovém analyzátoru možné a je zvolena metoda stejnosměrného (ss) měření a následného výpočtu odporu z naměřený hodnot napětí a proudu, stejně jako v [9]. SS měření však nepodává informaci o kmitočtovém vývoji odporu. Během všech měření je prvek EL8 napájen napětím ±5 V, stejně tak i operační zesilovače OPA633. Tabulky s naměřenými hodnotami jsou velmi rozsáhle a jsou uloženy podle kapitol na přiloženém CD

24 5... Vstupní a výstupní impedance portů EL8 Vstupní impedance portu X je proměřena jak vektorovým analyzátorem, tak i stejnosměrným měřením. Měření vektorovým analyzátorem je snadné. Připojí se přímo na vstupní bránu prvku EL8. Vektorový analyzátor pak udává hodnotu o reálné a imaginární části impedance. Z těchto dvou hodnot je pak počítán modul vstupní impedance portu X. Schéma zapojení a graf modulu vstupní impedance portu X závislé na kmitočtu jsou ukázány na obr.. a 3. 9 Rx [Ω] 6 3,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8 f [Hz] Obr.. Zapojení pro měření vstupní impedance portu X vektorovým analyzátorem. Obr. 3. Závislost vstupní impedance portu X na kmitočtu, měřeno vektorovým analyzátorem. Měření ukázalo, že hodnota vstupní impedance portu X (R x ) je do kmitočtu MHz 88 Ω a poté s kmitočtem klesá až pod hodnotu 3 Ω (f = 4 MHz). Platí,77.R X = 65,7 Ω (při f c = 4 MHz). Vstupní kapacita pak výpočtem podle (3) vychází C x = pf. Což neodpovídá katalogové hodnotě pf, tato odchylka je způsobena nedokonalostí měřicího přípravku a především drátovými propojkami. Hodnota řídicího napětí U G je V a její změna nemá významný vliv na velikost R x. Zapojení či odpojení portu Y také nemá vliv na vstupní impedanci R x. Vstupní odpor portu X je proměřen i stejnosměrnou metodou kdy je sledován vstupní proud I x a vstupní napětí U x do brány X. Vstupní odpor je počítán pomocí Ohmova zákona z rozdílu naměřených hodnot napětí U x a proudu I x. Schéma zapojení je ukázáno na obr. 4. a závislost U X na I X v grafu na obr. 5. Část naměřených hodnot pro I x v intervalu až,35 ma (interval podle katalogového listu) je v tab. 3. a dále je ukázán i výpočet vstupní impedance R x z naměřených hodnot podle (5). Velikost odporu R v zapojení je 5 Ω. Při ss měření nemá hodnota U G vliv na velikost R x. Při měření je port Y uzemněn a port Z odpojen. UG UIN R 5 Ix A Ux V X Y EL8 GND Z Obr. 4. Zapojení pro měření vstupní impedance portu X metodou ss měření

25 Výpočet vstupního a výstupního odporu z naměřených hodnot (tab. 3.) při U G = V: U x U x, 3,4 R x = = 9, 7Ω (5) I I,,4 x x Ux [mv] I x [ma] Obr. 5. Graf ss měření vstupního odporu portu X. I x [ma] -,36 -,3 -,8 -, -,8 -,4 -,9 -,4 -,,4,6,8 U x [mv] -33-8,7-5, -,5-6,5 -,6-8,7-4,9 -, 3,4 4,9 7,4 R x [Ω] 75, 7,5 87,5 78,3, 97,5 78, 76, 4, 9,7 75, 5, I x [ma],,6,7,,,4,6,8,3,3,36 U x [mv], 3,6 5, 7,6 9,,8 3, 5, 7 8,7 3,3 R x [Ω] 95, 6, 6, 8, 75, 85, 5, 5, 9, 85, 65, Tab. 3. Tabulka naměřených hodnot ss průběhu vstupního odporu portu X. Průměrná hodnota odporu R x z intervalu pro I x (;,35) ma je 9 Ω (katalogový list 95 Ω), minimální a maximální hodnota vstupního odporu portu X z měření je 75 Ω a 6 Ω (katalogový list 75 Ω a 5 Ω). Měření vstupní impedance portu Y (R y ) vektorovým analyzátorem není možné. Hodnota R y je tedy změřena diferencí, schéma zapojení je na obr. 6, kdy je přivedeno napětí ± V [4] na port Y a je měřen vstupní proud I y (ten se kvůli velké vstupní impedanci pohybuje řádově v µa). Vypočtená hodnota R y je,6 MΩ (6). Je zjištěno, že řídicí napětí U G nemá vliv na hodnotu R y. Velikost R v zapojení na obr. 6, 7. je 5 Ω. U + V U V ( ) RY = =,6 MΩ (6) 6 I I (4 ( 5,8)) + V V - 5 -

26 Obr. 6. Schéma zapojení pro měření vstupní impedance R y. Stejným způsobem jako je měřena hodnota R y, je měřen i výstupní odpor R z portu Z. Schéma zapojení je na obr. 7. Vypočítaný R z pak je R z =,989 MΩ. Obr. 7. Schéma zapojení pro měření výstupní impedance R Z Převodní charakteristiky EL8 Stejnosměrné vlastnosti prvku EL8 znázorňuje statická převodní charakteristika proudu (obr. 8), tj. závislost vstupního proudu I x na výstupním I z. Měření je provedeno pro několik hodnot řídicího napětí U G. Je potvrzeno, že přibližně v intervalu U G (,) V platí I z = UG I x, avšak v širším rozsahu je závislost mírně nelineární (U G > V). Schéma zapojení měřicího přípravku je ukázáno na obr. 3. Hodnoty odporů R, v zapojení jsou 5 Ω. Změřena je také dynamická převodní charakteristika proudu (obr. 9.), schéma zapojení pro měření je stejné jako v případě měření statické převodní charakteristiky (obr. 3). Iz [ma] R [ohm] 5 R [ohm] 5 6 UG [V] (,3;5) I x [ma] Iz [ma] I x [ma] Obr. 8. Statická převodní charakteristika proudu. Obr. 9. Dynamická převodní charakteristika proudu

27 Obr. 3. Schéma zapojení pro měření statické a dynamické převodní charakteristiky proudu. Měření základního přenosu proudu z brány X na Z v závislosti na kmitočtu se setkalo s problémy. Vektorovým analyzátorem Agilent Technologies E57C je měřen pouze přenos napětí a z této závislosti je nutno proudový přenos přepočítat. Dřívějším měřením je zjištěno, že vstupní impedance R x proudové brány X je kmitočtově závislá a tedy se negativně projeví do výpočtu a základního přenosu. Tento jev je však možno eliminovat předřazením velkého odporu R před měřený port a částečně tak potlačit chování vstupní impedance R x o malé velikosti (desítky Ω). Schéma zapojení přípravku pro měření základního přenosu z portu X na Z je ukázáno na obr. 3. Hodnoty jednotlivých prvků a parametrů jsou: R = kω, vstupní a výstupní impedance analyzátoru R A.INP = 5 Ω, R A.OUT = 5 Ω, U G = V, a výkonová úroveň nastavena na vektorovém analyzátoru je P INP = -,4 dbm. Pro přepočet napěťového přenosu na proudový je použit následující postup. Nejprve je převeden P INP z jednotek dbm na výkon ve wattech (7) a následně vypočteno vstupní napětí (8) ze vztahu P = U R a nakonec vypočteno výstupní napětí (9). UG Vektor. Analyz. PORTX U RA.OUT I R X Rx_f EL8 Y GND Z U RA.INP Vektor. Analyz. I PORTY Přes RA.INP Obr. 3. Schéma zapojení pro měření základního přenosu EL8 vektorovým analyzátorem. P INP,4dBm P = = =,74 mw, (7) 3 U = P. R A. OUT =,74.5 =,9 V, (8) U = KU U = KU _ mer U =,486,9 9, mv, (9) = kde hodnota K U je odečtena z měření (K UdB_mer ) nebo možno i ze simulace programem OrCAD (K UdB_PS ) a převedena do bezrozměrné jednotky K U_mer nebo K U_PS. Pro výpočet vstupních a výstupních proudů pak platí U,9 I = = =,8 ma, () 5 R A. INP - 7 -

28 U U,9 I = = = =,74 ma, () R R f R x _ f kde hodnota R f je dána jako R f = R + R x _ f a R x _ f je kmitočtově závislá vstupní impedance R x (viz. obr. 3.). Pak je možné určit proudový přenos I K I _ mer = =,3,9 db. () I Simulací a měřením získaná kmitočtová závislost proudového přenosu je ukázána na obr. 3. Mezní kmitočet f c MHz. Pokud je měněna hodnota řídicího napětí, je měněn i celkový přenos proudu na obr KI [db] - -5 KI [db] Měřeno KI PSpice KI - -5 parazity dané deskou -3,E+6,E+7,E+8,E+9 f [Hz] Obr. 3. Kmitočtová závislost přenosu proudu EL8 X Z s R = kω. -,E+6,E+7,E+8,E+9 f [Hz] Obr. 33. Kmitočtová závislost přenosu proudu EL8 X Z s R = kω při změně U G. 5.. Měření EL483 Měření probíhalo obdobně jako v případě prvku EL8. Proudové brány s nízkou vstupní impedancí je možno proměřit vektorovým analyzátorem. Pro určení impedancí portů s vysokou impedancí je opět použito ss měření. Statické a dynamické přenosové charakteristiky proudu v závislosti na hodnotě řídicího proudu I Z jsou ukázány na obrázcích 36, 37. Kmitočtově závislé přenosové charakteristiky je opět nutno přepočítávat z napěťových na proudové Vstupní a výstupní impedance portů EL483 Schéma zapojení pro měření vstupních impedancí R X a R Y vektorovým analyzátorem a výsledná závislost impedancí jsou ukázány na obr. 34 a 35. Hodnoty vstupních impedancí bran X, Y jsou R X = 78 Ω a R Y = 68 Ω, kdy řídicí proud je I Z = ma. Podle (3) jsou určeny vstupní kapacity, hodnoty odporů vychází R X = 5 Ω a R Y = 8 Ω, pak C X = 43 pf a C Y = 45 pf. Katalogový list prvku EL483 neudává hodnoty vstupních kapacit portů X a Y, ale předpokládaná hodnota by se mohla pohybovat kolem pf. Naměřené - 8 -

29 vyšší hodnoty kapacit, stejně jako v případě EL8, jsou připsány nedokonalosti univerzální desky a parazitním vlivům R [Ω] PORT X PORT Y 8 6 4,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8 f [Hz] Obr. 34. Měření vstupní impedance portu X vektorovým analyzátorem. Obr. 35. Kmitočtová závislost vstupních impedancí portů X a Y EL483. Měřením pomocí vektorového analyzátoru je zjištěno, že řídicí proud I Z má vliv na hodnotu vstupní impedance obou portů X a Y. Závislost I Z na R X je v tab. 4. a na obr. 36. Kmitočtová závislost R X na I Z je ukázána na obrázku 37. Průběh R Y je obdobný průběhu R X a není vynesen (liší se velmi nepatrně v řádu jednotek %). 8 7 I Z [ma] R X [Ω], ,5 3 73,5 376,5 694 RX [Ω] ,5,5,5 3 I Z [ma] Tab. 4. Závislost R X na I Z. Obr. 36. Závislost R X na I Z Iz =,3 ma Iz =,5 ma Iz = ma Iz =,5 ma Iz = ma Iz =,5 ma RX [Ω] 4 3,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8 f [Hz] Obr. 37. Kmitočtová závislost R Xin při změně I Z

30 Měření vstupního odporu portu X je pokusně provedeno i ss měřením. Schéma zapojení a charakteristika I X na U X v závislosti na řídicím proudu I Z jsou ukázány na obrázcích 38. a 39. Řídicí proudy jsou voleny I Y = ma, I Z v intervalu,,5 a,5 ma a R = kω. V lineární oblasti charakteristiky (obr. 39) se vstupní impedance R X pohybuje v hodnotách viz. tabulka 5. R X je počítána aritmetickým průměrem vždy ze zvoleného intervalu naměřených hodnot I Z, kde průběh funkce je lineární. Opět je potvrzeno, že R X je závislý na hodnotě řídicího proudu I Z. Katalogový list prezentuje velikost vstupního odporu R X v intervalu 3 48 Ω, avšak za jakých podmínek byl prvek EL483 proměřen neuvádí. Z netlistu makromodelu EL483, který je součástí katalogového listu, lze vyčíst, že vstupní odpory R X a R Y jsou modelovány rezistory vždy o hodnotě Ω. Simulace modelu EL483 v programu OrCAD se však shoduje s uváděnými hodnotami v katalogovém listu. I Z [ma] zvolený interval I Z [ma] Ø R X [Ω] -,3 až,3 33,5 -,3 až,3 5,5-3,3 až 3,3 39 Tab. 5. Závislost R X na I Z, měřeno ss metodou UX [mv] Iz =,5 ma Iz = ma Iz =,6 ma -8-4,5-4 -3,5-3 -,5 - -,5 - -,5,5,5,5 3 3,5 4 4,5 I X [ma] Obr. 38. Schéma zapojení měření R X. Obr. 39. Závislost I X na U X při změně I Z. Měření výstupních impedancí portů +XY a -XY je provedeno obdobně jako u součástky EL8 a portů Y a Z. Zvolený interval vstupního napětí, pro který jsou výstupní impedance vypočítány, je ±5 V. Schéma zapojení a naměřené výsledky s postupem výpočtu (3) jsou uvedeny na obr. 4. a tab. 6. Výpočtem vychází hodnoty výstupních impedancí R +XY =, MΩ a R -XY =,6 MΩ. Velikost řídicího proudu I Z nemá žádný vliv na výstupní impedance R +XY a R -XY. Katalogový list hodnoty neuvádí. Dřívější simulace ukázaly, že výstupní impedance bran +XY a XY jsou kmitočtově závislé (obr. 6) a tedy zvolená metoda měření nemůže dávat přesné výsledky. Bohužel vektorovým analyzátorem toto měření provedeno být také nemůže. R U XY U XY,433,58 = =, MΩ (3) I I,5,37 XY XY XY - 3 -

31 U [V] IN U + XY [mv] I + XY [ma] R + XY [Ω] -5 -,43 -,5,E+6 5,58,37 Obr. 4. Schéma zapojení pro měření výstupní impedance R +XY. U [V] IN U XY [mv] I XY [ma] R XY [Ω] -5 -,5 -,43,6E+6 5,58,37 Tab. 6. Naměření hodnoty pro výpočet výstupní impedance R XY Převodní charakteristiky EL483 Schéma zapojení pro měření statických a dynamických převodních charakteristik proudů I +XY a I -XY je na obr. 4. Statické převodní charakteristiky jsou změřeny pro hodnoty I Z = ma a I Y = ma (obr. 4. a 43.). Dynamická převodní charakteristika (při nastaveném kmitočtu khz) na obrázku 44. ukazuje závislost přenosu proudu při I Z = ma a současné změně I Y. V obou případech měření jsou hodnoty rezistorů R a R 5 Ω a napájecí napětí ±5 V. Obr. 4. Schéma zapojení pro měření převodní charakteristiky proudu X +XY.,5,5 I±XY [ma],5 -,5 +XY -XY R [Ω] 5 R [Ω] 5 IY [ma] IZ [ma] I±XY [ma],5 -,5 +XY -XY R [Ω] 5 R [Ω] 5 IY [ma] IZ [ma] - - -,5 -, ,5 - -,5,5,5 I X [ma] Obr. 4. Statická převodní charakteristika proudu portu X ±XY ,5 - -,5,5,5 I Y [ma] Obr. 43. Statická převodní charakteristika proudu portu Y ±XY

32 ,5 IY = ma IY =,7 ma IY =,5 ma I+XY [ma],5,5 IY =, ma IY = ma IY =,7 ma IY =,5 ma IY =, ma IY =, ma,5,5,5 3 I X [ma] Obr. 44. Dynamická převodní charakteristika proudu portu X +XY, při I Z = ma a změně I Y. Kmitočtové přenosové charakteristiky napětí jsou opět měřeny vektorovým analyzátorem a přepočítány na proudové přenosové charakteristiky. Schéma zapojení je uvedeno obr. 45. Kde hodnoty odporů jsou R = kω, R = 5 Ω, R A.INP = 5 Ω, R A.OUT = 5 Ω I Y = ma a I Z = ma. Proudové charakteristiky přenosu z portu X +XY a X -XY jsou na obr. 46. Je zjištěno, že přenos proudu se u jednotlivých bran liší. Mezní kmitočet pro -3 db je v případě X +XY nižší jak u přenosu X -XY. Přibližně fc X + XY =9, 5MHz a fc X XY = 7 MHz, omezení je dáno deskou a impedancí na vstupu. Sledován je také vliv změny I Y na přenosovou charakteristiku zisku na obr. 47. Ten je možno nastavovat od -5 db do db s tím, že přenos nebude nikdy větší jak db i v případě, kdy hodnota I Y je větší než ma a tedy poměr je I I >. Y Z Obr. 45. Schéma zapojení pro měření základního přenosu EL483 vektorovým analyzátorem X +XY X -XY 5 Iy =,5 ma Iy = ma Iy = ma 5 KI [db] 5 KI [db] ,E+6,E+7,E+8,E+9 f [Hz] Obr. 46. Kmitočtové závislosti přenosu proudu EL483 X ±XY ,E+6,E+7,E+8,E+9 f [Hz] Obr. 47. Kmitočtová závislost přenosu proudu EL483 X -XY při změně I Y

33 5.3. Srovnání dosažených výsledků Tato podkapitola slouží k přehlednému srovnání dosažených výsledků měření s katalogovými listy a s výsledky získanými simulacemi. V srovnávací tabulce 7. je u některých hodnot v závorce připsána metoda měření (va vektorový analyzátor, ss stejnosměrná metoda). Při ověřování parametrů u prvku EL8 nebyla zjištěna žádná důležitá neshoda. Naměřené převodní charakteristiky jsou téměř totožné s uváděnými v katalogovém listu. Srovnání naměřených charakteristik s analýzou OrCAD je na obr. 48. a 49.. Zjištěná nepatrná odlišnost je pouze u hodnot R y a R z uváděnými katalogovým listem, zde katalogový list udává jakoby poloviční hodnoty, přitom při přezkoumání netlistu jsou hodnoty odporů R y a R z modelovány rezistory o velikosti MΩ a MΩ, tedy stejnými jaké byly zjištěny simulacemi a měřením. Šířka pásma přenosu proudu (f c x z) pro EL8 se s simulací a uváděnou hodnotou v katalogovém listu shoduje. Problematické však je určit mezní kmitočet přenosu proudu při měření. Univerzální měřicí deska není zcela dokonalým přípravkem a obsahuje spousty parazitních vlivů (viz. zjištěná hodnota C X ). Pokud jsou tyto problémy zohledněny, pohybuje se šířka pásma kolem hodnoty MHz (EL8, EL483). V případě EL483 se výsledky simulací s katalogovým listem shodují. Vyšší hodnoty vstupních kapacit C X,Y jsou opět připsány měřicímu přípravku. Měření bylo zjištěno, a tuto skutečnost katalogový list neuvádí, že vstupní impedance portů X a Y jsou kmitočtově závislé a závislé také na hodnotě proudu I Z. Měřené hodnoty vstupních impedancí se katalogovým přiblíží pouze v případě, kdy je nastaven řídicí proud na nejvyšší dovolenou mez,5 ma. V přehledu je také zahrnuta tabulka 8., vliv I Z na R X a srovnání dosažených výsledků metodou měření pomocí vektorového analyzátoru a stejnosměrnou metodou. EL8 Katalogový list Simulace v OrCAD Měřeno R x [Ω] 75 5, typ (va), 9 (ss) R y [MΩ],5 - (ss) R z [MΩ],5,5,99 (ss) C x [pf] C z [pf] f c x z [MHz] 5 55,7 (viz. text) EL483 Katalogový list Simulace v OrCAD Měřeno R X [Ω] 3-48, typ (va) R Y [Ω] 3 48, typ (va) R +xy [MΩ] - pro: MHz kω, (ss) R -xy [MΩ] - khz MΩ,6 (ss) C X [pf] - 43 C Y [pf] - 45 f c X ±XY [MHz] 95,3 (viz. text) Tab. 7. Srovnání dosažených výsledků

34 I Z [ma] R X (va) [Ω] R X (ss) [Ω], ,5 3 5, Tab. 8. Měření R X (va) a (ss) Iz [ma] I x [ma] Obr. 48. Statická přenosová char. proudu x z EL8. Srovnání OrCAD a měření.,5,5 I±XY [ma],5 -,5 PSpice -XY měření -XY PSpice +XY měření +XY I Z [ma] I Y [ma] - -,5 - -,5 -,5 - -,5 - -,5,5,5,5 I X [ma] Obr. 49. Statická přenosová char. proudu X ±XY EL483. Srovnání OrCAD a měření

35 6. Návrh aplikací s prvky EL8 a EL483 S prvky EL8 a EL483 lze jednotlivě nebo vzájemnou kombinací realizovat nejrůznější zapojení v systémech analogové techniky jako jsou fázovací články, oscilátory, modulátory a kmitočtové filtry. Výhodou těchto zapojení s prvky EL8 a EL483 je elektronické řízení např. zisku, mezního kmitočtu, oscilační podmínky apod., záleží na struktuře. V následující části je navrženo pět možných zapojení s prvky EL8 a EL483, z toho tři věnované návrhu oscilátorů. Simulací programem SNAP jsou získány přenosové funkce, jednotlivé schémata zapojení s ideálními modely a s makromodely jsou uvedeny a odsimulovány v programu OrCAD. 6.. Selektivní obvod s EL483 Selektivní obvod je sestaven se dvěmi prvky EL483. Kdy jeden je nastaven jako proudový sledovač a druhým je možné pomocí změny řídicího proudu I Z selektivní obvod přelaďovat. Schéma zapojení ideálního modelu pro analýzu a získání přenosové funkce programem SNAP je na obr. 5. Přenosová funkce pro výstupní port +XY pak je s( BRC) ( RC) B B + K I =. (4) + s Pro výpočet mezního kmitočtu f c, kdy je změna fáze o 9 platí B f C =. (5) π. RC Obr. 5. Selektivní obvod schéma zapojení v SNAP. Při návrhu na požadovaný kmitočet f c musí být vhodně zvoleny hodnoty prvků C, R tak, aby hodnota B nabývala rozumných hodnot, nejlépe. Pokud je B =, je možno se bavit o fázovacím článku, jinak pro hodnoty B < odpovídá modulová charakteristika zapojení filtru typu horní propust

36 Pro f c = MHz je zvoleno: C = 33 pf a R = 47 Ω. Hodnota B je pak dopočítána z (5) a hodnota B je volena. B = πf c RC, 6 B = π ,975. = Nejprve je v programu OrCAD sestaven ideální model fázovacího článku a ověřena jeho funkčnost. Hodnoty součástek jsou voleny dle předchozího návrhu. Hodnota kmitočtu pro ideální model při změně fáze o 9 je f c =, MHz. Analogicky podle ideálního modelu je sestaven makromodel s bloky EL483 (obr. 5). Hodnoty součástek jsou voleny viz. tab. 9. Při volbě odporu R nesmí být zapomenuto na vstupní impedance portů X bloku. R je voleno pomocí změřené charakteristiky obr. 35. pro I Z = ma a f c = MHz, kdy je přibližně R X 5 Ω, pak velikost R v obr. 5. je R = 47 R X = 47-5 = 3 Ω. Pro stanovení hodnoty řídicího proudu I Y platí vztah (6). 7 8 ideal -XY makromodel +XY ideal +XY makromodel -XY 9 fáze [ ] ideal. makro. R [Ω] 47 3 R [Ω] - e C [pf] R +XY [Ω] R -XY [Ω] I Y [ma] -,95 B [-],98 - I Y [ma] - B [-] - I Z [ma] -,E+3,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8,E+9 f [Hz] Obr. 5. Selektivní obvod simulace ideálního modelu a makromodelu v OrCAD, nastaveno jako fázovací článek. B I = Y. I, (6) Z 3 IY = B. I Z =, =,95 ma. Srovnání křivek ideálního modelu a makromodelu ve funkci fázovacího článku je na obr. 5. Hodnota mezního kmitočtu makromodelu f c =,3 MHz. Změnou řídicího proudu I Y je možné selektivní část přelaďovat (obr. 53.). Přelaďováno je v intervalu B,, viz. tabulka., selektivní část lze v tomto intervalu

37 přelaďovat od,35 MHz do MHz. Na obr. 54. je uvedena také modulová charakteristika. Obr. 5. Selektivní obvod schéma zapojení makromodelu modelu v OrCAD. R [Ω] 3 I Y [ma],95 C [pf] 33 I Y [ma] R [Ω] e I Z [ma] R ±XY [Ω] 5 Tab. 9. Hodnoty součástek pro zapojení obr. 5. B [-] I Y [ma] f c_makromodel [Hz] f c_idealní model [Hz],, 3,46E+5 3,4E+5,3,6 5,9E+5 5,6E+5,5, 7,54E+5 7,6E+5,7,4 8,8E+5 8,59E+5,,3E+6,3E+6 Tab.. Elektronické přelaďování s.č. 7 fáze [ ] 8 9 KI [db] B =, B =,3 B =,5 B =,7 B = - -9,E+3,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8 f [Hz] Obr. 53. Elektronické přelaďování změnou řídicího proudu I Y v intervalu B, s krokem,. -5,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8,E+9 f [Hz] Obr. 54. Modulová charakteristika v intervalu B,. 6.. Kmitočtový filtr s EL8 a EL483 Jak již bylo zmíněno, s prvky EL8 a EL483 lze realizovat také zapojení kmitočtového filtru. Návrh kmitočtového filtru se skládá z jednoho prvku EL8 a jednoho EL483. Přenosové funkce (7, 8, 9) a schéma zapojení je na obr. 55. K BG = DP BG + sc R +, (7) s CR CR

38 ( GC R ) s K BP =, (8) BG + sc R + C R C R K HP * BG scr + s ( C R ) s ( C C R R ) s =. (9) + s CR CR Po úpravách lze vyjádřit vztahy pro mezní kmitočet f c () a činitel jakosti Q (). Pro zjednodušení výrazu je uvažováno C = C = C a R = R = R, pak f C BG =, () π RC Q = BG. () Obr. 55. Kmitočtový filtr schéma zapojení v SNAP. Na obr. 56. je ukázáno zapojení kmitočtového filtru v programu OrCAD s makromodely. Filtr byl navržen na f c = MHz, hodnoty odporů R, R jsou voleny 47 Ω a kapacit C, C = 33 pf. Pro B podle () platí, Činitel jakosti pak podle () vychází, ( πf CR) C B =, () G 6 ( π ) =, 95 B =. Q = BG =, =,975. Hodnoty součástek použitých v obr. 56. jsou uvedeny v tabulce. Opět při volbě hodnot R a R nesmí být zapomenuto na velikosti vstupních impedancí bloků EL8 a EL483. Pro volbu velikosti I Y z B je použit vztah (6). Na obr. 57. jsou kmitočtové charakteristiky HP, BP a DP přenosu proudu. Pro pokles o 3 db je mezní kmitočet DP ideálního modelu f c_ideal =,7 MHz a makromodelu f c_makro =,9 MHz. Činitel jakosti pásmové propusti je podle simulace Q BP_ideal =, a Q BP_makro =,4. Pokud je elektronicky měněn mezní

39 kmitočet pomocí I Y nebo U G (resp. B, G), dochází zároveň i ke změně činitele jakosti (). Pro elektronické řízení není tento návrh filtru vhodný. R [Ω] 375 U G [V] R [Ω] 3 I Z [ma] C [pf] 33 I Y [ma],9 C [pf] 33 Tab.. Hodnoty součástek pro zapojení obr. 64. Obr. 56. Kmitočtový filtr schéma zapojení makromodelu v OrCAD. makromodel ideální model - KI [db] ,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8 f [Hz] Obr. 57. Kmitočtová charakteristika ideálního filtru a filtru s makromodely EL8 a EL Oscilátor na principu ztrátového a bezeztrátového integrátoru Základními stavebními bloky oscilátoru jsou integrátory s proudovými násobičkami typu EL8 a EL483. Obvod je navržen na principu ztrátového a bezeztrátového integrátoru. Schéma zapojení pro ideální analýzu v programu SNAP je ukázáno na obr. 58., z charakteristické rovnice Y = (3) je získána podmínka pro oscilace (4). Podstata je zde ihned patrná a tkví v použití dvou proudových konvejorů s možností řízení proudového přenosu a tzv. distributoru

40 proudu (sledovače proudu s dvěma výstupy shodné polarity) [5, 6]. Vhodnou volbou přenosů zpětných vazeb lze docílit uváděných možností, ale díky absenci komerčně dostupného prvku se shodnou polaritou výstupních proudů je nutná čtvrtá násobička EL483 ve funkci invertoru, viz finální zapojení analyzované v OrCAD na obr. 59. Charakteristická rovnice určená pomocí programu SNAP je tvaru ( C R C R BG ) + s ( C C R R ) Y = BG G. (3) + s = Odtud získáváme oscilační podmínku (CO) (4) a oscilační kmitočet (5). C R = CR BG, BG (4) f C π BG G C C R R =. (5) Pokud je uvažováno, že R = R = R, C = C = C, BG =, pro oscilační kmitočet teoreticky platí zjednodušená podmínka (6), kde kmitočet výstupních oscilací je určen pouze parametrem G. f C = G π RC (6) Obr. 58. Oscilátor schéma zapojení v SNAP. Návrh oscilátoru ideálního modelu v programu OrCAD je proveden na kmitočet MHz. Hodnoty součástek jsou R, R = Ω, C, C = 5 pf, parametry G =,89 z (5) a G, B =. Na obr. 59 je ukázáno schéma zapojení oscilátoru s makromodely v programu OrCAD. V praxi jsou hodnoty odporů sníženy o 95 Ω, kvůli vstupním impedancím prvků EL8, tedy na hodnoty R, R = 95 Ω. Kapacity pak C, C = 5 pf. Ostatní parametry jsou voleny následovně: U G = V, U G =, V a I Z = ma, I Z = ma a I Z =,5 ma při napájecím napětí V CC = ± 5 V. Všechny nastavené parametry jsou shrnuty a uvedeny v tabulce. Výhodou zapojení je, že se neuplatní vstupní impedance prvků EL483, které jsou závislé na hodnotě řídicího proudu I Z, I Z. Oscilační kmitočet zjištěn - 4 -

41 simulací je f o = 84 khz. Ukázka výstupních oscilací je na obr. 6., kmitočtová spektra výstupních oscilací pak na obr. 6. Významný podíl na odchylce reálného oscilačního kmitočtu od teoretické hodnoty je způsoben impedancemi ve vysoko-impedančních uzlech, které reálné aktivní elementy snižují a tím spolu s parazitními kapacitami způsobí, že symbolická ideální oscilační podmínka a kmitočet jsou ovlivněny dalšími parazitními prvky. Data získaná simulacemi a podklady pro výrobu DPS jsou na přiloženém CD. R [Ω] 95 R [Ω] 95 C [pf] 5 C [pf] 5 U G [V] U G [V], I Z [ma] I Y [ma],5 I Z [ma] I Y [ma],5 Obr. 59. Oscilátor makromodel v OrCAD. Tab.. Hodnoty součástek pro zapojení obr. 57.,4,4,3 OUT OUT,35 OUT OUT,,3,,5 U [V] U [V], -,,5 -,, -,3,5 -,4 7,5E-5 7,6E-5 7,7E-5 7,8E-5 7,9E-5 8,E-5,E+5,E+6,E+7 t [s] f [Hz] Obr. 6. Výstupní oscilace zapojení s makromodely v OrCAD. Obr. 6. Kmitočtová spektra výstupních oscilacích zapojení s makromodely. Zkoumána je také možnost elektronické změny kmitočtu výstupních oscilací zapojení. Oscilátor je možné teoreticky přelaďovat v rozmezí kmitočtu od,5 MHz až,4 MHz (obr. 6., tab. 3.). Experimentální měření a vztah (5) prokazují, že na změně f se podílejí také parametry určující oscilační podmínku (B a U G ). To je však neefektivní. V kapitole 6.5 je však navržena modifikace zapojení s lepšími vlastnostmi vycházející z této struktury. Závěrem této kapitoly je ukázána zhotovená deska plošného spoje (obr. 63), která při proměřování posloužila k názorné představě o nutnosti precizního nastavení oscilační podmínky, o chování výstupních oscilací při částečném splnění a úplném nesplnění CO v reálném čase bez nutnosti zdlouhavých časových simulací v programu OrCAD. Tento návrh oscilátoru je uveden ve sborníku EEICT [7]

42 f [Hz],75E+6,5E+6,5E+6,E+6 7,5E+5 5,E+5,5E+5 ideal makromodel,e+,5,5,5 3 3,5 4 U G [V] Obr. 6. Ladící charakteristika. U G [V] G [-] f ideal [MHz] f OrCAD [MHz],,,3,8,3,3,54,48,5,5,7,6,7,7,83,7,99,84,5,46,,,89,37,3,5,3,5,4 3,69,63,33 3,5 3,5,74,4 Tab. 3. Tabulka ladící char. Obr. 63. Vyrobená deska plošného spoje Oscilátor na principu ztrátových integrátorů Návrh Navržený oscilátor se skládá ze dvou prvků EL8 a jednoho EL483. Výhodou navrženého oscilátoru oproti oscilátoru uvedenému v kapitole 6.3. je, že není nutná inverze signálu jedné zpětné vazby. Násobička EL483 využívá oba své výstupy a tím celkové zapojení obsahuje o jeden aktivní prvek méně než předchozí. Předpokládáno je méně parazitních vlivů a dosažení přesnějších výsledků k teoretickým. Uváděný návrh oscilátoru, včetně výsledků experimentálního měření, je publikován ve sborníku EEICT [7]. Schéma zapojení ideálního modelu pro simulaci v programu SNAP je ukázáno na obr. 64. Analýzou v programu SNAP je získána charakteristická rovnice Y = (7) a z něj vyjádřena oscilační podmínka (8) a oscilační kmitočet (9), Y = ( R C R C BG + R C ) + s ( R R C C ) BG + BG + s =, (7) R C R C BG + R C. (8) = - 4 -

43 f BG + BG R R C C =. (9) π Pokud je uvažováno, že R = R = R, C = C = C, B =, pro oscilační podmínku a kmitočet teoreticky platí zjednodušená podmínka (3) a (3), f G, (3) G + G = (3) πrc V zapojení je tedy výhodné volit parametr B =, tedy proudy prvku EL483 I Y = ma a I Z =,5 ma, poté jsou nastavení oscilační podmínky a oscilačního kmitočtu závislé pouze na změně jednoho parametru (G neboli U G ). Ačkoliv hodnota řídicího napětí U G (G ) se také vyskytuje ve vztahu (3) pro určení kmitočtu oscilací, její změna je nepatrná (setiny až desetiny voltu pro splnění CO) a na změně f se výrazně neprojeví. V tom tkví další výhoda toho zapojení. Návrh oscilátoru ideálního modelu v programu OrCAD je proveden na kmitočtu MHz. Hodnoty součástek jsou R, R = kω, C, C = 5 pf, parametr B je volen B =, z oscilační podmínky (8) pak G = a z (9) pro f = MHz je G =,89. Výstupní oscilace ideálního modelu v OrCAD jsou ukázány na obr. 65.,5 OUT OUT,5 U [V] -,5 - -,5,5E-5,6E-5,7E-5,8E-5,9E-5 3,E-5 t [s] Obr. 64. Oscilátor ideální model v SNAP. Obr. 65. Výstupní oscilace ideální model v OrCAD. Při simulaci zapojení s makromodely v OrCAD (obr. 66) je nutné uvažovat i vstupní impedance jednotlivých prvků a odečíst jejich hodnoty od hodnot odporů R a R. Pak v zapojení na obr. 66 platí, R = 5 = 85 Ω a R = 95 = 95 Ω. Ostatní parametry jsou voleny podle tabulky 4. a aktivní prvky jsou napájeny ± 5 V

44 R [Ω] 85 R [Ω] 95 C [pf] 5 C [pf] 5 U G [V], U G [V] I Y [ma] I Z [ma],5 Obr. 66. Makromodel model v OrCAD. Tab. 4. Hodnoty součástek pro zapojení obr. 66. Pro funkčnost zapojení je nutné mírně zvýšit napětí řídicí oscilační podmínku nad hodnotu U B = V. Oscilátor poté osciluje na kmitočtu f = 948 khz (obr. 67). Spektrum signálu je ukázáno na obrázku 68. Podle katalogového listu EL8 [] lze řídicí napětí měnit v rozmezí - až +7 V. Použitelný rozsah U G je však podle simulací v rozmezí, 3,5 V, protože od hodnoty 3,5 V již k přelaďování nedochází. Změnou napětí U B3 je možné řídit proudový zisk a tím elektronicky ladit f. Teoretický rozsah přeladění je možný od,3 MHz do,6 MHz. Pokud zapojení není rozšířeno o obvod automatického řízení CO (AGC), je nutné při každém přeladění citlivě doladit oscilační podmínku. Předpokládaná ladící charakteristika podle výpočtu ideálního modelu, simulací OrCAD a výpočtu z charakteristických rovnic s uvažováním parazitních vlivů programem MATLAB, je ukázána na obrázku 69.,5 OUT OUT,6 OUT OUT,5,5,4 U [V] U [V],3 -,5, -, -,5,7E-5,75E-5,8E-5,85E-5,9E-5,95E-5 3,E-5 3,5E-5 3,E-5,E+,E+6,E+6 3,E+6 4,E+6 t [s] f [Hz] Obr. 67. Výstupní oscilace zapojení s makromodely v OrCAD. Obr. 68. Spektrum signálu výstupních oscilací zapojení s makromodely v OrCAD

45 ,6, ideal PSpice Matlab f [MHz],8,4,,5,5 3 3,5 4 U G [V] Obr. 69. Předpokládaná ladicí charakteristika Ideální model s úvahou parazitních vlastností V následující části je krátce popsán rozšířený ideální model o parazitní prvky pro symbolickou analýzu. Ve schématu na obr. 7 jsou ukázány parazitní vlastnosti zapojení, které se podílejí na změně výstupního kmitočtu f a jejich uvažované hodnoty jsou uvedeny v tabulce 5. Hodnoty vstupních a výstupních kapacit prvku EL483 jsou voleny dle katalogového listu nejhorší možné ( pf). Pro zjednodušení schématu a názornost jsou všechny parazitní odpory a kapacity ve vazbách mezi aktivními prvky sjednoceny do prvků s názvy Z P, Z P a pro jejich vyjádření platí, Z P = =, (3) + sc RpG Z + R pgz P R + s( C pgz + C pgz ) P RpG Z R pgz kde Z P = =, (33) + scp + s( C pbout ) R R P pbout RpG Z RpGZ RP = = 5 kω, R P = R pbout = MΩ, R + R pgz pgz C C + C pf, C C pf. P = pbg pgz = P = pbout =

46 EL483 (blok B) EL8 (blok B) EL8 (blok B) R pbinp [Ω] 5 R pgx [Ω] 95 R pgx [Ω] 95 R pbout [MΩ] R pgz [MΩ] R pgz [MΩ] C pbinp [pf] C pgx [pf] C pgx [pf] C pbout [pf] C pgz [pf] 5 C pgz [pf] 5 Tab. 5. Vlastní parametry aktivních bloků. Obr. 7. Ideální model zapojení s úvahou parazitních vlastností. Schéma na obr. 7. je analyzováno programem SNAP. Získaná symbolická rovnice pro charakteristický kmitočet (34) je použita v programu MATLAB pro výpočet předpokládané ladicí charakteristiky na obr. 69. R R BG R R + R R + R R BG R R + BG R + R R P P P P P P P P P ω = (34) R RRP RPCC + RR RPRPCCP + RR RPRPCPC P + RR RPRPCC P R Citlivostní analýza Následující podkapitola ukazuje, jak je počítána teoretická hodnota absolutní, relativní a semi-relativní citlivosti. Získané výsledky jsou porovnány s dosaženými výsledky v programu OrCAD. Jedná se o teoretickou hodnotu, ve výpočtu tedy nejsou zahrnuty parazitní vlastnosti. Sledován je vliv pracovních prvků (R, R, C, C ) na změnu oscilačního kmitočtu f a také citlivost na řídicí napětí U G. Vypočtené hodnoty citlivostí jsou porovnány se simulací v programu OrCAD. Program OrCAD byl také použit pro získání představy citlivosti na parazitní vlastnosti v zapojení (vstupní/výstupní impedance a kapacity aktivních bloků). Výpočet citlivostí na změnu oscilačního kmitočtu vychází z rovnice (9). Pro výpočet absolutní citlivosti platí, S = ω = R BG + BG R R C C rad s ω abs _ R. R S, (35)

47 relativní citlivost poté, S ω rel _ R ω R = = R ω BG + BG R R C C R BG + BG R R C C R =. (36) Program OrCAD, PSpice v Advanced Analysis udává výsledky citlivostí v absolutní a semi-relativní míře. Aby bylo možné výsledky porovnat, je nutný následující převod na semirelativní vyjádření (37) a poté na relativní (38). S S ω semirel _ R ω semirel _ R ω R = = R = 3446,6 rad. s % BG + BG R R C C = +,89 5. S f semirel _ R = S ω semirel _ R π 3446,6 = = 54 Hz π % (37) S ω rel _ R = 54 f. 6 =,5 (38) Citlivosti oscilačního kmitočtu zapojení pro zbylé pasivní součástky se vypočítají obdobně. Citlivost na parametr G je ω ω ω ω ω S rel _ R = S rel _ R = S rel _ C = S rel _ C =, S rel _ G =. (39) Obr. 7. Citlivosti na charakteristický kmitočet ideálního modelu. Simulací ideálního zapojení v OrCAD jsou ověřeny vypočtené citlivosti. Teoretický předpoklad a simulace na obr. 7. se shodují a jsou porovnány v tabulce 6. Analýza prokázala, že velký vliv na oscilační kmitočet z vlastních parametrů aktivních bloků vlivů nemají ani tak vstupní a výstupní odpory jednotlivých aktivních bloků, ale spíše jejich parazitní kapacity (obr. 7). Největší měrou se však na citlivost f podílí U G, tedy správnost nastavení hodnoty řídicího napětí. Při citlivostní analýze jsou nastaveny tolerance všech součástek na %

48 f S [Hz/%] f semirel f S rel S rel citlivost na OrCAD relativní (přepočteno teoretická z OrCAD AA) R -5,78k -,498 -,5 R -5,38k -,5 -,5 C -5,78k -,498 -,5 C -5,38k -,5 -,5 G,589k,999 Tab. 6. Srovnání dosažených citlivostí na charakteristický kmitočet. Obr. 7. Citlivosti na charakteristický kmitočet s úvahou vlastních parametrů modelů Toleranční analýza Analýza Monte-Carlo v OrCAD simuluje hromadnou výrobu uváděného oscilátoru. Udává v jakém intervalu se bude nacházet charakteristický kmitočet výstupních oscilací od nominální hodnoty. Monte-Carlo vybírá náhodně podle rovnoměrné či normální hustoty rozložené pravděpodobnosti hodnoty parametrů součástek ze zadaného tolerančního intervalu. Výsledkem je pak svazek křivek reprezentovaný jednotlivými běhy simulace. Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3 5,5 7,8 3,9 3 5,5 4,9 34, ,9 4, ,3 58,6 3,5 48,3 58,5 3,5 54,8 6, , 66,6 3 3,7 75,6 Tab. 7. Orientační rozptyl f pro různé tolerance pasivních prvků a parametrů modelů. Tabulka 7. udává výsledky získané simulací v programu OrCAD pro dané zapojení oscilátoru. Hodnoty tolerancí parametrů modelů jsou nastaveny na 3%. Sledován je vliv tolerancí pasivních prvků (R, C) a tolerance (přesnosti nastavení) řídicího napětí U G na odchylku charakteristického kmitočtu f od nominální hodnoty. Z jednotlivých výsledků analýz (histogramů), které jsou součástí přílohy (příloha ), jsou vyčteny hodnoty pro případ Worst Case a rozptyl sigma. Z citlivostní analýzy (6.4.3) je zjištěno, že největší měrou na f se podílí řídicí napětí U G. To lze také pozorovat z výsledků toleranční analýzy

49 (tab. 7), kdy po zdvojnásobení hodnoty tolerance U G na % vzrostou téměř dvojnásobně udávané rozptyly f pro případ Worst Case a Monte Carlo Realizace a experimentální měření Deska plošného spoje je navržena programem Eagle a vyrobena ve školní dílně (obr. 74). Zapojení na obr. 73. je avšak rozšířeno o obvod stabilizace amplitudy výstupních oscilací a o výstupní sledovače napětí s prvkem LT364. Pasivní pracovní prvky jsou voleny R, R = 9 Ω a C, C = 5 pf. Obvod je napájen napětím ± 5 V a pro jeho oživení je nutné správně splnit s rezervou oscilační podmínku. Na obrázcích 75, 76. jsou ukázány výstupní oscilace (OUT, OUT) o kmitočtu MHz a FFT spektrum signálu (OUT) při nastavení hodnoty řídicího napětí U G =, V. Vyšší harmonické složky signálu jsou potlačeny o 46 db a lze vypočítat, že zkreslení signálu je,5 %. Naměřené hodnoty v tabulkách (Excel) a náležitosti pro výrobu desky (příloha 4b) jsou na přiloženém CD. Obr. 73. Schéma zapojení. Obr. 74. Vyrobená deska plošného spoje. Obr. 75. Výstupní oscilace měření. Obr. 76. Spektrum výstupních oscilací měření

50 Proměřena je ladící charakteristika výstupních oscilací při změně parametru U G a také THD. Měřením je potvrzeno, že parametry určující (poměr proudů I Y /I Z = pevně zvoleno, U G = V mění se maximálně o desetinu voltu a nemá výrazný vliv) oscilační podmínku nemají vliv na přelaďění oscilačního kmitočtu. Avšak při každém přeladění (bez AGC) je nutné hlídat hodnotu U G a citlivě ji měnit (maximálně o desetinu voltu). Při nesplnění CO oscilace nenastanou a nebo již při mírném přehnání CO dochází k vysokému zkreslení (THD). Důležité také je, že závislost řídicího napětí U G a přenosu proudu prvku EL8 není lineární (především pak pro vyšší kmitočty) a tuto závislost G = fce(u G ) je nutné uvažovat při návrhu. Např. pro G = je U G = V, ale pro G = 4 je U G = 3,4 V. Při přelaďování je použit doplňující obvod pro automatické přelaďování CO (AGC) realizován diodou (N448), odporovým trimrem, kondenzátorem a tranzistorem (BC546). Obrázek 77. ukazuje změnu THD oscilací v závislosti na změně kmitočtu výstupních oscilací a obr. 78 amplitudu signálu v závislosti na kmitočtu výstupních oscilací při použití AGC. Pro oscilace s nejnižším možným kmitočtem (při U G =,54 V) dosahuje zkreslení hodnoty skoro,5 %, avšak s následným zvyšováním U G a použitým AGC výstupní oscilace nepřesahují hodnotu THD % a pohybují se v intervalu od,5 % do % (při f od, MHz do,5 MHz). Měřením je zjištěno, že výstupní oscilace je možno řídit od, MHz do,5 MHz. Naměřená ladící charakteristika je uvedena na obr. 79 a srovnána s teoretickými předpoklady, simulacemi s makromodel v programu OrCAD a s výsledky vypočtenými ze symbolické rovnice pro f v programu MATLAB s úvahou parazitních vlivů (tab. 8.). UG [V] G [-] f ideal [MHz] f OrCAD [MHz] f Matlab [MHz],8,,3,,3,,56,4,56,4,54,4,38,9,37,8,3,4,44,63,,9,44,35,43,35,46,,66,,3,8,54,46,5,45,56,76,88,,4,38,63,55,6,54,56,55,94,66,5,46,69,63,66,6,5,56,9,56,7,65,8,77,79,75,45,56,94,56,89,96,9,9,9,38,45,98,5,,8,6,,,99,3,5,96,5,3,,7,,,,6,56,96,5,5,3,7,3,,,4,5,56,7,46,3,,8,9,,56,45 3,69,3,3,7,8,4,56,56 3,3,9,4,4,34,37,6,56,98,56 3,5 3,5,46,46,39,4,79,9,5 3,7 3,8,5,5,44,45,4,78,5 4 3,39,57,5,5,5,6,79,,5 Tab. 8. Srovnání dosažených výsledků. f měřeno [MHz] UOUT [Vp-p] THDOUT [%] UOUT [Vp-p] THDOUT [%] - 5 -

51 ,5 out out,5 out out Polynomický (out) Polynomický (out) Polynomický (out) Polynomický (out) THD [%],5 UOUT, [Vp-p],5,5,5,E+,E+5 4,E+5 6,E+5 8,E+5,E+6,E+6,4E+6,6E+6 f [Hz] Obr. 77. Změna THD při ladění f.,e+,e+5 4,E+5 6,E+5 8,E+5,E+6,E+6,4E+6,6E+6 f [Hz] Obr. 78. Změna amplitudy (OUT, OUT) při ladění f s AGC.,6 ideal měřeno, PSpice Matlab f [MHz],8,4,,5,5 3 3,5 4 U G [V] Obr. 79. Srovnání průběhů ladicích charakteristik f Modifikovaný oscilátoru na principu ztrátového a bezeztrátového integrátoru Návrh Poslední navržený oscilátor je kombinací dvou předchozích zapojení oscilátorů. Jedná se o modifikaci již uvedeného oscilátoru na principu ztrátového a bezeztrátového integrátoru avšak se snahou úpravy zapojení tak, aby byl odstraněn vzájemný vliv mezi parametry určující oscilační podmínku a oscilační kmitočet. Výsledné schéma pro symbolickou analýzu je uvedeno na obr. 8. Obsahuje dva proudové konvejory a jeden proudový sledovač s dvěmi výstupy o stejné polaritě. Z nutnosti inverze signálu v jedné zpětné vazbě je nutné použit druhou proudovou násobičku EL483 pro inverzi signálu a docílení funkčnosti zapojení. Charakteristická rovnice obvodu má tvar - 5 -

52 ( R C R C BG ) + s ( R R C C ) Y = BG, (4) + s = a z ní je pak vyjádřená oscilační podmínka (4) a oscilační kmitočet (4). R C = RC BG BG = (4) f BG = (4) π R RCC V případě, že platí R = R = R, C = C = C, B = je uvažována zjednodušená oscilační podmínka (43) a oscilační kmitočet (44). G = (43) G f = (44) πrc,6 OUT OUT C 5p R k Y CCII- Z X G OUT OUT C 5p R k F cccs,4, U [V] Y CCII- Z X G F cccs -, -,4 EL483 B -,6,E-5,E-5,E-5,3E-5,4E-5,5E-5 t [s] Obr. 8. Oscilátor ideální model v SNAP. Obr. 8. Výstupní oscilace ideální model v OrCAD. Oscilátor je navržen na mezní kmitočet MHz. Hodnoty pasivních součástek jsou voleny opět obdobně jak v předchozích návrzích: R, R = Ω, C, C = 5 pf. B, G, G =. Simulací ideálního modelu (obr. 8) programem OrCAD je určen mezní kmitočet f =,6 MHz. Výstupní oscilace jsou ukázány na obr 8. Schéma zapojení s makromodel je ukázáno na obr. 84., hodnoty odporů R, R jsou opět sníženy o hodnoty vstupních impedancí jednotlivých elementů. Všechny podstatné parametry pro analýzu jsou uvedeny v tab. 9. Simulací s makromodel v OrCAD byly určeny výstupní oscilace o hodnotě f =,97 MHz (obr. 8) a spektrum signálu na obr. 83. Lze pozorovat, že se jedná o kvadraturní oscilátor, výstupní oscilace OUT a OUT jsou vzájemně posunuty o

53 , OUT OUT,7 OUT OUT,6,5,5,4 U [V] U [V],3 -,5,, -,,E-5,E-5,E-5,3E-5,4E-5,5E-5,E+4,E+5,E+6,E+7,E+8 t [s] f [Hz] Obr. 8. Výstupní oscilace zapojení s makromodely v OrCAD. Obr. 83. Spektrum signálu výstupních oscilací zapojení s makromodely v OrCAD. R [Ω] 85 R [Ω] 95 R [Ω] C [pf] 5 C [pf] 5 U G [V] U G [V] I Y [ma] I Y [ma] I Z [ma],5 I Z [ma],5 Obr. 84. Oscilátor s makromodely v OrCAD. Tab. 9. Hodnoty součástek pro zapojení obr Ideální model s úvahou parazitních vlastností Pro představu parazitních vlastností v ideálním zapojení a přiblížení se tak reálným vlastnostem je uvedeno následující schéma zapojení na obr. 85. Schéma bylo analyzováno programem SNAP a rovnice pro charakteristický kmitočet je dána tvarem (45). BG R R + R R + R R BG R R P P p P ω = (45) R RRP RPCC + RR RPRPCPC P + R RRP RPCCP + RR RPRPCC P EL8 (blok B) EL8 (blok B) EL483 (blok B3) R pgy [MΩ] R pgx [Ω] 95 R pbinp [Ω] 5 R pgz [MΩ] R pgz [MΩ] R pbout [MΩ] C pgy [pf] 9 C pgx [pf] C pbinp [pf] C pgz [pf] 5 C pgz [pf] 5 C pbout [pf] Tab.. Vlastní parametry aktivních bloků

54 Obr. 85. Ideální model zapojení s úvahou parazitních vlastností. Tabulka udává hodnoty parazit pro jednotlivé bloky v zapojení. Pro prvky Z P a Z P ve schématu na obr. 85 platí Z P = =, (46) + sc RpG Z + R pgz P R + s( C pgz + C pgz ) P RpG Z R pgz kde Z P = R P + sc P = R R pbout pbout + R R pgy pgy + s ( C + C ) pgy pbout, (47) RpG Z RpGZ RpBout RpG Y RP = = 5kΩ, RP = = 667kΩ R + R R + R pgz pgz, pbout pgy CP = C pgz + C pgz = pf CP = C pbout + C pgy = 9 pf. Pro výpočet oscilačního kmitočtu z rovnice (45) s uvažováním konkrétních hodnot parazit (tab. ) je použit program MATLAB. Vypočtené výsledky ladicí charakteristiky se shodují s dosaženými výsledky simulací zapojení s makromodelem v OrCAD. Dle teoretických předpokladů lze oscilátor elektronicky přelaďovat v rozmezí od,3 MHz do necelých MHz v intervalu řídicího napětí U B od, V až 4 V. Ačkoliv se jedná o obdobné zapojení jako v předchozích podkapitolách, výhodou je, že v rovnici pro oscilační kmitočet (4) se nevyskytuje mínus jedna a tím vzrostl interval možného přeladění. Nutno je však brát v úvahu vstupně/výstupní nelinearitu prvku EL8 se zvyšující se hodnotou U B. Ladící charakteristika je ukázána na obr. 9. a srovnává teoretické předpoklady ideálního modelu s výsledky získanými

55 simulací zapojení s makromodel v OrCAD a vypočtenou ladicí charakteristikou programem MATLAB s uvažovanými parazitními vlastnosti zapojení Citlivostní analýza Výpočet teoretických citlivosti je analogický jako v předchozí podkapitole Vycházeno je z rovnice pro oscilační kmitočet zapojení (4) a platí = BG ω. (48) RR CC Teoretický výpočet citlivosti S = ω = R BG R R C C rad s ω abs _ R. R S, (49) relativní citlivost poté S ω rel _ R ω R = = R ω BG R R C C R R BG R R C C =. (5) Program OrCAD, PSpice v Advanced Analysis udává výsledky citlivostí v absolutní a semi-relativní míře. Aby bylo možné výsledky porovnat, je nutný následující převod na semirelativní vyjádření (5) a poté na relativní (5). S ω semirel _ R ω R BG = = = = 33333,3 rad. s R R R C C 5. % S f semirel _ R = S ω semirel _ R π 33333,3 = = 535 Hz π % (5) S ω rel _ R = 535 f,6. 6 =,5 (5) Citlivosti oscilačního kmitočtu zapojení pro zbylé pasivní součástky a parametr G se vypočítají obdobně a shodují se s simulací v OrCAD (obr. 86., tab..). ω ω ω ω S rel _ R = S rel _ R = S rel _ C = S rel _ C =, ω S rel _ G =. (53)

56 Obr. 86. Citlivosti na charakteristický kmitočet ideálního modelu. citlivost na f S [Hz/%] f semirel OrCAD (ideální model) f S rel S rel relativní (přepočteno z OrCAD AA) teoretická R -5,3k -,5 -,5 R -5,3k -,5 -,5 C -5,3k -,5 -,5 C -5,3k -,5 -,5 B 5,3k,5,5 Tab.. Srovnání dosažených citlivostí na char. kmitočet. Oproti předchozímu zapojení uváděném v kapitole 6.4. je citlivost řídicího napětí U G o polovinu menší. Při toleranční analýze se tak sníží rozptyl f od nominální hodnoty f a tím i nároky na tolerance jednotlivých pracovních součástek (nižší výrobní náklady). Na obr. 87. je ukázán vliv parazitních vlastností na citlivost f Obr. 87. Citlivosti na charakteristický kmitočet s úvahou parametrů modelů Toleranční analýza Tabulka. uvádí výsledky analýz Monte Carlo. Histogramy pro jednotlivé simulace jsou součástí přílohy (příloha 3). Jak již bylo zmíněno, daný oscilátor oproti předchozímu návrhu (kapitola 6.4.) je méně citlivý na parametr U G. Při toleranční analýze výsledky rozptylů f dosahují polovičních hodnot a tedy i lepších vlastností pro případnou výrobu. Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3 5,5 44,6 6,8 3 5,5 53,6 8, , 4,5 3 5, 39,8 3,5 66, 8,7 3,5 75, 3, ,9 33,9 3 8,9 46,3 Tab.. Orientační rozptyl f pro různé tolerance pasivních prvků a parametrů modelů

57 Realizace a experimentální měření Deska plošného spoje byla navržena programem Eagle a vyrobena ve školní dílně a ukázána na obr. 89. Oproti předchozí realizaci v kapitole 6.4. je návrh vylepšen o trimry pro vhodné nastavení proudů I Z, I Z a trimru pro změnu řídicího napětí U B (obr. 88) bez nutnosti dalších externích napěťových zdrojů při vlastním měření. Hodnoty pracovních součástek jsou voleny R = 9 Ω a C, C = 5 pf. Zapojení opět obsahuje napěťové sledovače s prvkem LT364 a obvod pro stabilizaci amplitudy (AGC) s tranzistorem BC546. Obvod je napájen napětím ± 5 V. Na obrázcích 9, 9. jsou ukázány výstupní oscilace (OUT, OUT) o kmitočtu,93 MHz a FFT spektrum signálu (OUT) při nastavení hodnoty řídicího napětí U B = V. Vyšší harmonické složky signálu jsou potlačeny o 43 db a výstupní oscilace mají zkreslení,7 %. Náležitosti pro výrobu desky jsou uvedeny v příloze 4c a na přiloženém CD. Na CD jsou také rozsáhlé naměřené tabulky hodnot. Obr. 88. Schéma zapojení. Obr. 89. Vyrobená deska plošného spoje. Obr. 9. Výstupní oscilace měření. Obr. 9. Spektrum výstupních oscilací měření

58 Tabulka 3. srovnává dosažené teoretické a předpokládané výsledky s naměřenými. Grafická závislost jednotlivých průběhů ladicích charakteristik zapojení je uvedena na obr. 9. Experimentálním měřením byla zjištěna přeladitelnost oscilátoru v intervalu od,3 MHz do,7 MHz (při U G od, V do 4 V). Změnu THD při přelaďování oscilátoru nebylo možno změřit, jelikož zvolený způsob realizace AGC se ukázal jako nevhodný. Bohužel nepomohla ani experimentální záměna tranzistorů jiných typů, či záměna kondenzátoru C A (změna časové konstanty). Pro správnou funkčnost stabilizace amplitudy je v tomto případě nutná opravdu velmi citlivá změna oscilační podmínky U G v desetinách až setinách voltu (jednotkách ohmu) a to tato realizace AGC zřejmě není schopna docílit. Nabízí se však způsob realizace AGC s optočlenem [], který by pravděpodobně zajistil správnou funkčnost. Problémem je však komerční dostupnost součástky, kterou má k dispozici snad jen pouze jeden výrobce v republice. UG [V] G [-] f ideal [MHz] f OrCAD [MHz] f Matlab [MHz] f měřeno [MHz],,,34,3,3,3,3,3,58,54,53,5,5,5,75,69,68,65,7,7,89,8,8,77,6,97,97,93,,9,6,5,6,99,3,8,,9,,3,4,38,5,3,4,7,5,46,8,7,8,,7,65,36,4,6,8,89,46,33,37,8,,8,53,37,44,33,5,3,6,47,5,4,7,46,66,5,56,47 3,69,74,58,63,54 3,3,9,8,66,69,6 3,5 3,5,85,7,74,64 3,7 3,8,89,76,77,67 4 3,39,95,8,83,7 Tab. 3. Srovnání dosažených výsledků

59 ,,5 ideal měřeno PSpice Matlab f [MHz],,5,,5,5,5 3 3,5 4 U G [V] Obr. 9. Srovnání průběhů ladicích charakteristik f

60 7. Závěr Cílem této diplomové práce bylo ověření vlastností prvků EL8 a EL483. Jsou navrženy tři různé aplikace s těmito prvky (selektivní obvod, kmitočtový filtr a tři návrhy oscilátorů). Práce se podrobněji zabývá dvěma zapojeními oscilátoru, provedeny jsou citlivostní a toleranční analýzy a realizace. Experimentálním měřením je sledována možnost elektronického řízení a ověřena správnost návrhů. Nejprve jsou součástky EL8 a EL483 analyzovány v programu OrCAD PSpice a získané hodnoty porovnány s hodnotami v katalogových listech. U obou součástek jsou sledovány tyto vlastnosti: přenos proudu, převodní charakteristiky, vstupní a výstupní impedance napěťových i proudových portů a pomocí výpočtů jsou určeny vstupní a výstupní parazitní kapacity na portech. Jak analyzované, tak vypočtené hodnoty se víceméně shodují s katalogovými údaji. Odchylka se vyskytuje např. u vstupní impedance napěťového pinu Y a výstupní impedance pinu Z, kdy katalog udává hodnotu v rozmezí,5 až MΩ pro pin Y a rozmezí,5 až,5 MΩ pro pin Z, simulací však jsou zjištěny hodnoty MΩ a MΩ. Tyto hodnoty udává také, po přezkoumání netlistu zapojení na konci katalogového listu. V případě EL483 se analyzované hodnoty v programu OrCAD shodují s katalogovými, kromě výstupní impedance pinů ±XY. Katalogový list hodnoty neuvádí. Simulací zjištěna závislost výstupní impedance pinů ±XY na kmitočtu je na obr. 6. Analyzované převodní charakteristiky proudu EL483 se shodují s katalogovými a obě mají lineární pracovní oblast pro I X od -3,5 ma do 3,5 ma kdy I Z = ma.. Analyzovaná šířka pásma pro EL8 (5 MHz) a EL483 ( MHz) se také shoduje s katalogovou. Jelikož pro měření každého dílčího parametru je vyžadováno specifické zapojení, byla tedy sestavena univerzální měřicí deska na předvrtaném poli. Tohle řešení je voleno především z časových a finančních důvodů, avšak na úkor kvality, kdy měřicí deska vlivem parazitních jevů znehodnocovala výsledky kmitočtových přenosových charakteristik v pásmu stovek MHz. Pokud je tato skutečnost brána v úvahu, je možné odečíst mezní kmitočet proudových přenosů při poklesu o 3 db pro EL8 a EL483 kolem MHz. Pro měření ss parametrů je měřicí deska dostačující a výsledky převodních charakteristik proudu se shodovaly s katalogovými údaji i simulacemi OrCAD. Potvrdilo se, že pro převodní charakteristiku z X Z (EL8) v intervalu řídicího napětí U G, V platí I z = UG I x, avšak v širším rozsahu U G je převodní charakteristika již mírně nelineární (kdy U G > V). V případě součástky EL483 mají měřené převodní charakteristiky z X ±XY opačný průběh než analyzované v OrCAD, makromodel EL483 v programu OrCAD má pravděpodobně zaměněné značení výstupů a je nutné s touto záměnou počítat, či přizpůsobit (zaměnit výstupní polarity) změnou polarity řídicího proudu I Y nebo I Z za podmínky, že je prvek použit jako proudový sledovač. Skutečnost, že vstupní impedance portů X a Y jsou závislé jak kmitočtově, tak především i na hodnotě řídicího proudu I Z, katalogový list neuvádí. Měřením je zjištěno, že při zvolené nízké hodnotě I Z se vstupní impedance pohybuje ve stovkách ohmů, to je pro aplikace v proudovém módu nežádoucí a v tomto směru je katalogový list nepřesný. Ke katalogovým hodnotám (4 Ω) se vstupní - 6 -

61 impedance přiblíží až při nastavené mezní hodnotě proudu I Z (,5 ma). Při návrhu aplikací je nutné brát v úvahu tyto nepříjemné vlastnosti vstupních bran prvku EL483. V další části práce jsou navrženy tři možné aplikace s prvky EL8 a EL483. Jmenovitě selektivní obvod, oscilátor a kmitočtový filtr. Výhodou těchto zapojení (až na kmitočtový filtr) je možnost elektronického řízené pouhou změnou jednoho parametru. Selektivní obvod (kapitola 6.) je možno přelaďovat od,4 MHz do MHz a výstupy ±XY jsou vzájemně fázově posunuty o 8. Uvedený kmitočtový filtr disponuje přenosy HP*, PP a DP. Navržený filtr (kapitola 6.) však neumožňuje elektronické přelaďování a při změně mezního kmitočtu pomocí řídicího proudu/napětí dochází zároveň i ke změně činitele jakosti. Navržený filtr není v tomto ohledu nijak ideální. Navržený oscilátor (kapitola 6.3) je možno řídit od,3 MHz do,4 MHz a výstupní oscilace portů ±XY jsou fázově posunuty o 9. Při experimentálním měření se potvrdilo, že při změně kmitočtu výstupních oscilací řídicím napětím U G dochází k porušení CO a tím narušení funkčnosti zapojení. V další části práce jsou tedy navrženy dva další typy oscilátorů, kdy vhodnou volbou zpětných vazeb jsou tyto problémy eliminovány. Uvedený oscilátor v kapitole 6.4. je možné elektronicky řídit od,3 MHz do,4 MHz. To potvrdilo i experimentální měření. Zkreslení (THD) výstupních oscilací dosahuje velmi nízkých hodnot a pohybuje se v rozsahu od,5 % do %. Celé zapojení bylo podrobeno citlivostní a toleranční analýze. Největší citlivost na charakteristický kmitočet oscilací má parametr G = (relativní), tedy řídicí napětí U G. Citlivost ostatních prvků v zapojení je -,5 (relativní). Rozptyl f = ± 58,6 khz pro tolerance prvků R %, C %, U G = 5 % a vlastní parametry prvků EL8 a EL483 3%. Druhý návrh oscilátoru v kapitole 6.5. vychází ze zapojení uvedenm v kapitole 6.3., avšak neobsahuje zmíněné nedostatky návrhu. Při přelaďování nedochází k ovlivnění CO. Oproti oscilátoru v kapitole 7 nabízí toto zapojení větší interval elektronického přeladění, teoreticky od,3 MHz do,8 MHz. Experimentální měření potvrdilo možnost elektronického řízení od,3 MHz do,7 MHz. Při oscilacích o kmitočtu MHz dosahuje THD hodnoty,7 %. Bohužel závislost THD oscilací na elektronickém ladění nelze kvůli nefunkčnosti AGC regulérně proměřit. Citlivost na f všech prvků v zapojení je,5 (relativní) a rozptyl f = ± 38,9 khz pro tolerance prvků R %, C %, U B3 = 5 % a vlastní parametry prvků EL8 a EL483 3%. Zapojení dosahuje téměř dvakrát lepších výsledků než předešlý typ oscilátoru (kapitola 6.4.), avšak obsahuje o jeden aktivní prvek více. V praxi by se obě zapojení realizovala implementací na čip s adekvátními polaritami výstupů (snížení aktivních prvků), tím by se snížily i nežádoucí parazitní vlastnosti. Oba uvedené a proměřené typy oscilátoru jsou navrženy na oscilační kmitočet MHz. Oscilační kmitočet se může zdát být nízký, je dán především pasivními pracovními prvky R a C. Snížením R a C je možné výstupní oscilace zvýšit, avšak je nutné brát v větší uplatnění vlastních parametrů EL8 a EL483 v charakteristických rovnicích. Praktické použití bez větší limitace by se mohlo pohybovat do MHz [,, 3, 4], nad tuto hodnotu by navržené obvody pracovaly na parazitních vlastnostech aktivních bloků EL8 a EL

62 Seznam literatury [] VYSOKÝ O.: Elektronické systémy II. Praha: ČVUT. L997 [] PUNČOCHÁŘ, J. Operační zesilovače v elektrotechnice, BEN Praha 997, 3. vydání, ISBN [3] TOUMAZOU, C.; LIDGEY, E. J.; HAIGH, D. G. Analogue IC design: The current mode approach, Peter Peregrinus Ltd., London, 99 [4] Analog Device, EL 8 Current-Mode Multiplier, Datasheet 996, 4s, Dostupné z WWW: [5] Analog Device, EL 483 Current-Mode Multiplier, Datasheet 996, 4s, Dostupné z WWW: [6] Burr-Brown, OPA633 High Speed Buffer Amplifier, Datasheet 993, 8s, dostupné z WWW: [7] Dostál, T. Elektrické filtry. Skripta FEKT VUT, Brno, 4. [8] HÁJEK, K.; SEDLÁČEK, J.: Kmitočtové filtry. BEN-technická literatura, ISBN , Praha, [9] PROKOP, R.: Modulární přístup k návrhu moderních analogových prvků v technologii CMOS. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. [] BAJER J., LAHIRI A., BIOLEK D.; Current-Mode CCII+ Based Oscillator Circuits Using a Conventional and Modified Conf-Bridge With All Capacitors Grounded, Proc. EDS IMAPS CS Int. Conf., ISBN , pp. 5-, Brno,. [] Nandi, R.,Bandyopadhyay, T. K., Sanyal, S. K., Das, S. (9). Selective Filters and Sinusoida oscillators Using CFA Transimpedance Pole. Circuit Systém and Signal Processing, 8(3), , DOI:..7/s [] Nandi, R. (7). Tunable aktive-r oscillator using a CFA. IEICE Electronics Express. 5(8), DOI:.587/exel [3] Abuelmatti, M. T., Faroogi, A. A., Alshahrani, S. M. (996). Novel RC oscillators using the current-feedback operational amplifier. IEEE Transaction Circuits and Systéme I: Fundamental Theory and Applications, 43(), 55-57, DOI:.9/ [4] Senani, R., Singh, V. K. (996). Novel Single-Resistance-Controlled-Oscillator Configuration Using Current Feedback Amplifiers. IEEE Transaction on circuits and systém I: Fundemental Theory and Applications, 43(8), 698-7, DOI:.9/ [5] G. Souliotis, C.Psychalinos, Electronically controlled multiphase sinusoidal oscillators using current amplifiers, Int. journal of circuit theory and applications, vol. 37, no., pp. 43-5,

63 [6] JEŘÁBEK, J.; VRBA, K. Fully Differential Universal Filter with Differential and Adjustable Current Followers and Transconductance Amplifiers. In In Proceeding of the 33rd International conference on Telecommunications and Signal Processing TSP. Asszisztencia Szervezo Kft.,. s ISBN: [7] Proceedings of the 7th Conference Student EEICT.. Vol. / Martin Drahanský, Filip Orság.. vyd. Brno : Vysoké učení technické v Brně, ISBN , pp ,

64 Vybrané nejpoužívanější zkratky a symboly AGC B C +XY, C -XY CA CCII CF CFA CM CO C X, C Y C x, C y C z DP (LP) f C f O G g m HP I ±XY I X, I Y I x, I y I z I Z K(s) K OZ P INP PP (BP) Q R ±XY, R Z R A.INP, R A.OUT R X, R Y R x, R y S/N THD U G U IN, U OUT V CC VM f O Y = automatic gain control řídicí parametr prvku EL483 dán poměrem I Y /I Z výstupní parazitní kapacity aktivního bloku EL483 current-amplifier (proudový zesilovač) proudový konvejor druhé generace current-follower (proudový sledovač) transimpedanční zesilovač current mode (proudový mód) oscilační podmínka vstupní parazitní kapacity aktivního bloku EL483 vstupní parazitní kapacity aktivního bloku EL8 výstupní parazitní kapacita aktivního bloku EL8 dolní propust charakteristicky kmitočet (střední, mezní) oscilační kmitočet řídicí parametr prvku EL8 transkonduktance horní propust výstupní proud aktivního prvku EL483 vstupní proudy aktivního prvku EL483 vstupní proudy aktivního prvku EL8 výstupní proud aktivního bloku EL8 řídicí proud prvku EL483 přenos (napěťový, proudový) koeficient základního přenosu v propustném pásmu operační zesilovač výkonová úroveň vektorového analyzátoru pásmová propust činitel jakosti vstupní, výstupní odpory aktivního bloku vstupní, výstupní odpor vektorového analyzátoru vstupní odpor prvku EL483 vstupní odpor prvku EL8 poměr signál/šum total harmonic distortion (zkreslení signálu) řídicí napětí prvku EL8 vstupní, výstupní napětí napájecí napětí voltage mode (napěťový mód) symetrická odchylka od nominální hodnoty f O, rozptyl charakteristická rovnice

65 Přílohy Příloha - Fotografie a popis univerzální měřicí desky index popis vstupní napěťové sledovače s OPA633 změna odporu vstupního sledovače (5Ω/kΩ) 3 změna řídicího napětí U G (EL8) 4 patice pro EL8 5 napájecí přívody 6 stabilizátory napětí (±5 V) 7 vstupní BNC konektory 8 výstupní BNC konektor 9 změna odporu výstupního sledovače (5Ω/kΩ) blok pro řízení proudu I Y s možností připojení A-metru změna řídicího proudu I Z patice pro EL483 3 výstupní sledovače s OPA633 4 možnost přizpůsobení 5Ω

66 Příloha Histogramy výsledků analýz hromadné výroby oscilátoru na principu ztrátových integrátorů Příloha a Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3 5,5 7,8 3,9 Příloha b Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3 5,5 4,9 34,4-66 -

67 Příloha c Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] ,9 4,7 Příloha d Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] ,3 58,6-67 -

68 Příloha e Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3,5 48,3 58,5 Příloha f Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3,5 54,8 6,8-68 -

69 Příloha g Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] , 66,6 Příloha h Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3 3,7 75,6-69 -

70 Příloha 3 Histogramy výsledků analýz hromadné výroby modifikovaného oscilátoru na principu ztrátového a bezeztrátového integrátorů Příloha 3a Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3 5,5 44,6 6,8 Příloha 3b Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3 5,5 53,6 8,9-7 -

71 Příloha 3c Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] , 4,5 Příloha 3d Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3 5, 39,8-7 -

72 Příloha 3e Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3,5 66, 8,7 Příloha 3f Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3,5 75, 3, - 7 -

73 Příloha 3g Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] ,9 33,9 Příloha 3h Tolerance Druh analýzy model 3. úrovně pracovní prvky Worst Case Monte Carlo R, C [%] U G [%] C [%] R [%] f [khz] f [khz] 3 8,9 46,3-73 -

74 Příloha 4 Zapojení a podklady pro výrobu DPS Rozměry desek plošných spojů neodpovídají skutečným rozměrům. Na přiloženém CD jsou podklady ve skutečných rozměrech. Příloha 4a Oscilátor na principu ztrátového a bezetrátorového integrátoru (kap. 6.3.)

75 - 75 -

76 Příloha 4b Oscilátor na principu ztrátových integrátorů (kap. 6.4.)

77 - 77 -

78 Příloha 4c Modifikovaný oscilátoru na principu ztrátového a bezeztrátového integrátoru (kap. 6.5.)

79 - 79 -