teorie elektronických obvodů Jiří Petržela modelování

Podobné dokumenty
elektrické filtry Jiří Petržela aktivní prvky v elektrických filtrech

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Základní elektronické prvky a jejich modely

Bipolární tranzistory

elektrické filtry Jiří Petržela filtry se syntetickými bloky

II. Nakreslete zapojení a popište funkci a význam součástí následujícího obvodu: Integrátor s OZ

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza šumu v elektronických obvodech

2. Pomocí Theveninova teorému zjednodušte zapojení na obrázku, vypočtěte hodnoty jeho prvků. U 1 =10 V, R 1 =1 kω, R 2 =2,2 kω.

1 U Zapište hodnotu časové konstanty derivačního obvodu. Vyznačte měřítko na časové ose v uvedeném grafu.

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela řešení nelineárních obvodů

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní filtry

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela citlivostní a toleranční analýza

PŘEDNÁŠKA 1 - OBSAH. Přednáška 1 - Obsah

4. NELINEÁRNÍ NESETRVAČNÉ OBVODY

Studium tranzistorového zesilovače

U1, U2 vnější napětí dvojbranu I1, I2 vnější proudy dvojbranu

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza obvodů s regulárními prvky

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

- Stabilizátory se Zenerovou diodou - Integrované stabilizátory

Kompenzovaný vstupní dělič Analogový nízkofrekvenční milivoltmetr

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka

Zadání semestrálních prácí z předmětu Elektronické obvody. Jednodušší zadání

Jednostupňové zesilovače

Klasifikace: bodů výborně bodů velmi dobře bodů dobře 0-49 bodů nevyhověl. Příklad testu je na následující straně.

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza obvodů metodou orientovaných grafů

elektrické filtry Jiří Petržela všepropustné fázovací články, kmitočtové korektory

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

U01 = 30 V, U 02 = 15 V R 1 = R 4 = 5 Ω, R 2 = R 3 = 10 Ω

Literatura: Kapitola 2 d) ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Fakulta biomedic ınsk eho inˇzen yrstv ı Teoretick a elektrotechnika Prof. Ing. Jan Uhl ıˇr, CSc. L eto 2017

Obvodové prvky a jejich

1.3 Bipolární tranzistor

TEORIE ELEKTRICKÝCH OBVODŮ

Tranzistory. tranzistor z agnl. slova transistor, tj. transfer resisitor. Bipolární NPN PNP Unipolární (řízené polem) JFET MOS FET

Polovodičové diody. Dělení polovodičových diod podle základního materiálu: Germaniové Křemíkové Galium-arsenid+Au

+ U CC R C R B I C U BC I B U CE U BE I E R E I B + R B1 U C I - I B I U RB2 R B2

FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 3 FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 4

Měření na unipolárním tranzistoru

Základy elektrotechniky

A8B32IES Úvod do elektronických systémů

Použitý rezistor (jmenovitá hodnota): R1 = 270 kω je přesný metalizovaný rezistor s přesností ± 0,1%.

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

Základní druhy tranzistorů řízených elektrickým polem: Technologie výroby: A) 1. : A) 2. : B) 1. :

Základní vztahy v elektrických

Modelování a simulace Lukáš Otte

FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 1 FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 2. Uzemněné hradlo - závislost na změně parametrů

1.1 Pokyny pro měření

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza obvodů s neregulárními prvky

Základy elektrotechniky

Manuální, technická a elektrozručnost

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2) Přednáška 1

Syntéza obvodu teplotní kompenzace krystalového oscilátoru

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření parametrů operačních zesilovačů, část 3-7-3

Mějme obvod podle obrázku. Jaké napětí bude v bodech 1, 2, 3 (proti zemní svorce)? Jaké mezi uzly 1 a 2? Jaké mezi uzly 2 a 3?

1 Elektrotechnika 1. 14:00 hod. R 1 = R 2 = 5 Ω R 3 = 10 Ω U = 10 V I z = 1 A R R R U 1 = =

Měření vlastností lineárních stabilizátorů. Návod k přípravku pro laboratorní cvičení v předmětu EOS.

Profilová část maturitní zkoušky 2016/2017

I. Současná analogová technika

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření Měření parametrů operačních zesilovačů část Teoretický rozbor

APLIKACE PROUDOVÝCH A NAPĚŤOVÝCH

Určení čtyřpólových parametrů tranzistorů z charakteristik a ze změn napětí a proudů

ELT1 - Přednáška č. 6

Otázka č. 3 - BEST Aktivní polovodičové součástky BJT, JFET, MOSFET, MESFET struktury, vlastnosti, aplikace Vypracovala Kristýna

Praktické výpočty s komplexními čísly (především absolutní hodnota a fázový úhel) viz např. vstupní test ve skriptech.

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření parametrů operačních zesilovačů, část 3-7-5

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřeným předmětem je v tomto případě nízkofrekvenční nevýkonový tranzistor KC 639. Mezní hodnoty jsou uvedeny v tabulce:

Určeno pro posluchače všech bakalářských studijních programů FS

Abychom se vyhnuli užití diferenčních sumátorů, je vhodné soustavu rovnic(5.77) upravit následujícím způsobem

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

- + C 2 A B V 1 V 2 - U cc

Úloha 5: Charakteristiky optoelektronických součástek

SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY

Elektronické obvody analýza a simulace

Dioda - ideální. Polovodičové diody. nelineární dvojpól funguje jako jednocestný ventil (propouští proud pouze jedním směrem)

4. Vysvětlete mechanismus fotovodivosti. Jak závisí fotovodivost na dopadajícím světelném záření?

Přednáška 4 - Obsah. 1 Základní koncept přesného návrhu Koncept přesného operačního zesilovače... 1

Učební osnova předmětu ELEKTRONIKA

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela syntéza elektronických obvodů

D C A C. Otázka 1. Kolik z následujících matic je singulární? A. 0 B. 1 C. 2 D. 3

3. Kmitočtové charakteristiky

2. MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY

Charakteristiky tranzistoru MOSFET

ZÁKLADY ELEKTROTECHNIKY pro OPT

PŘEDNÁŠKA 2 - OBSAH. Přednáška 2 - Obsah

ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 1/14 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY

Literatura: Kapitoly 3, 4 a 2 d) ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Punčochář, J.: OPERAČNÍ ZESILOVAČE V ANALOGOVÝCH SYSTÉMECH 1

FEKT VUT v Brně ESO / P7 / J.Boušek 1 FEKT VUT v Brně ESO / P7 / J.Boušek 2

Typ UCE0 (V) IC (A) PCmax (W)

Operační zesilovač. Úloha A2: Úkoly: Nutné vstupní znalosti: Diagnostika a testování elektronických systémů

Numerické metody a programování. Lekce 7

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření parametrů operačních zesilovačů, část 3-7-4

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

Elektronické praktikum EPR1

1 VA-charakteristiky tranzistorů JFET a MOSFET. Úloha č. 7

E L E K T R I C K Á M Ě Ř E N Í

Přenos pasivního dvojbranu RC

Posudek oponenta bakalářské práce

Transkript:

Jiří Petržela

při tvorbě modelu je třeba uvážit fyzikální podstatu prvků požadovanou přesnost řešení stupeň obtížnosti modelu (jednoduché pro ruční výpočty, složitější pro počítač) účel řešení programové vybavení

parametry zpracovávaného signálu velikost signálu pro malý signál postačuje lineární model pro velký signál je nutné použít nelineární model rychlost signálu pro pomalý (nízkofrekvenční) signál stačí rezistivní model pro rychlý (vysokofrekvenční) signál je reaktanční model

při tvorbě modelů obvodových prvků se jedná o kompromis mezi rychlostí výpočtu a přesností základní dělení modelů matematické nebo obvodové popsané rovnicemi nebo náhradním obvodem globální nebo lokální statické nebo dynamické

základní úrovně (levely) 1. ideální modely 2. rezistivní modely 3. kmitočtově závislé modely 4. nelineární modely 5. profesionální makromodely 6. podrobné mikromodely

modely polovodičové diody základní rovnici v propustném směru pro 0<u<U A i au = I e S 1 ( ) modelujeme funkčně závislým nelineárním zdrojem proudu, například v Pspice bloky s přenosem nastavitelným funkcí model lze doplnit rezistory simulujícími odpor přechodu a přívodů pro oblast vyšších kmitočtů doplníme model kapacitory

můžeme modelovat i teplotní závislosti, činitel teplotního napětí je ( ϑ) =1 /( mu ) = q ( mkϑ) a = a T / kde m je emisní konstanta, U T je teplotní napětí přechodu, k je Boltzmanova konstanta a q je náboj elektronu rovnice pro velké proudy a napětí u>u A i = / + ( u U ) R I ( ϑ) rovnice pro závěrný směr U Z <u<0 a Zenerovu oblast A i = u / R P S ( ) ϑ ( u U ) R I ( ϑ) i = / + Z Z A B

Obr. 1: Model diody jako ideálního spínače.

Obr. 2: Model diody s uvážením sériového odporu v propustném směru. Obr. 3: Model diody s uvážením sériového odporu a prahového napětí.

Obr. 4: Linearizované modely polovodičové diody.

Obr. 5: Globální rezistivní model polovodičové diody.

setrvačný model polovodičové diody ztrátová indukčnost přívodů bariérová kapacita v závěrném směru kapacita přívodů a pouzdra difuzní kapacita v propustném směru Obr. 6: Vysokofrekvenční model polovodičové diody.

aproximace nelineárních charakteristik je jedním ze základních nástrojů při a řešení nelineárních elektronických obvodů původní funkce f(x) je dána tabulkou grafem tolerančním polem nevhodným výrazem

f(x) nahrazujeme aproximující funkcí F(x) v nějakém konečném intervalu x (x 1,x 2 ) kriteriem shody (mírou přiblížení) může být maximální stejnoměrná odchylka Δ středně kvadratická odchylka 2 1 σ = x x 2 m = max f 1 x x 1 ( x) F( x) x x x2 [ f ( x) F( x) ] 2 dx 1, 2 σ α ( α) i = 0

obecný postup při aproximaci vybereme aproximující funkci určíme její parametry (koeficienty) zkoumáme shodu mezi původní charakteristikou f(x) a aproximující funkcí F(x) vypočteme celkovou chybu aproximace podle některého kriteria pokud aproximující funkce nevyhovuje proces opakujeme

nejčastěji používané aproximující funkce polynomy teorie elektronických obvodů ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) x a a x F x x a x x a x x a a x F n n 1 0 0 2 0 2 0 1 0... + = + + + + = exponenciála ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1... 0 0 2 0 1 2 1 0 = + + + + = bx x x b n x x b x x b e a x F e a e a a e a x F n Taylorova řada (v okolí pracovního bodu) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0,, x f x F x f x F n n = = α α

tabulka naměřených hodnot AV charakteristiky diody u d [V] 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 i d [A] 14.4μ 40.1μ 111μ 324μ 925μ 2.48m 6.62m 15.8m 32.1m 57.8m 89.4m aproximace libovolnou funkcí lze použít například příkaz genfit v Mathcadu musíme vypočítat parciální derivace hledané funkce vzhledem k neznámým parametrům můžeme použít symbolický toolbox v Mathcadu

počáteční odhady hodnot parametrů výsledný vektor hledaných parametrů výpočet parciální derivace Obr. 7: Skript pro výpočet aproximace AV charakteristiky v Mathcadu pomocí vestavěné funkce genfit.

Obr. 7: Výsledky aproximace AV charakteristiky polovodičové diody.

zvolené funkce pro aproximaci derivace podle parametrů již nejsou potřeba hledaná aproximující funkce Obr. 7: Skript pro výpočet aproximace AV charakteristiky v Mathcadu pomocí vestavěné funkce linfit.

Obr. 7: Výsledky aproximace AV charakteristiky polovodičové diody.

obecný postup při interpolaci známe naměřenou charakteristiku f(x) aproximující polynom F(x) se shoduje s f(x) v několika naměřených bodech (uzlech) koeficienty F(x) zjistíme ze soustavy rovnic shody F x a = f x x = x, x,..., x a a, a ( ) ( ) ( ) (, a,..., ), 1 2 k = 0 1 2 a k zjistíme, zda maximální odchylka Δ je menší než maximální dovolená tolerance ε, v případě příliš velké odchylky Δ je potřeba zvýšit řád polynomu

rovnice shody Obr. 7: Interpolace AV charakteristiky polovodičové diody v Mathcadu.

izoextremální Čebyševova aproximace aproximující funkce F(x) má tvar polynomu n-tého řádu, pro který platí min Δ m ( x) = ε 0 x x1, x2 vytyčíme toleranční kanál f ( x) ± ε 0 aproximující funkce se dotýká hranice tohoto kanálu v n+2 bodech

extrapolace rozšíření platnosti aproximující funkce i mimo interval naměřených hodnot body shody Obr. 7: K principu interpolace naměřené charakteristiky elektronického prvku.

identifikace parametrů matematického modelu model polovodičové diody v propustném směru i d = I S [ ( ) ] au e d R i a ( mu ) S d 1 = 1/ U = 25. 855 mv máme tři neznámé I S, m, R S T T je potřeba řešit tři rovnice musíme znát tři body AV charakteristiky

modely bipolárního tranzistoru bipolární tranzistor je nelineární dvojbran provedeme linearizaci v okolí pracovního bodu získáme lokální model Obr. 8: Giacolettův fyzikální model.

bez uvažování kapacit mezi uzly dostáváme statický fyzikální model bipolárního tranzistoru uvažované fyzikální modely obsahují uzel vnitřní báze B Obr. 8: Fyzikální model ve tvaru článku T.

rovnice pro globální nelineární model bipolárního tranzistoru i F i E = i + α i i = α i F R R C F F i kde proudy diodou jsou dány Shockleyho rovnicemi ( au 1) = ( 1) BE au e i I e BC = I FS pro aktivní oblast lze Ebersův-Mollův model zjednodušit i E R RS R ( ) = i i = α i i = i 1 α F po zavedení proudového zesilovacího činitele ic α β = = i 1 α C B F F B F

Obr. 10: Ebersův-Mollův model bipolárního tranzistoru globální, pro aktivní oblast a pro zesilovací činitel.

předchozí model doplníme pro vysoké kmitočty kapacitory Earlyho jev modelujeme nelineárním rezistorem R EC setrvačné vlastnosti jsou modelovány kapacitami, které jsou obecně nelineární Obr. 11: Globální Gumellův-Poonův model, využívá Pspice.

Obr. 12: Definice parametrů modelu bipolárního tranzistoru v Pspice.

jednoduchý lokální model bipolárního tranzistoru i B = u BE / r i = g u + BE kde napětí a proudy jsou změny obvodových veličin Δ způsobené zpracováváním signálu a g m je strmost (přenosová vodivost) bipolárního tranzistoru matematický model bipolárního tranzistoru založený na admitančních parametrech ib y11 e y12e = ube ic y21 e y22e uce C m BE u CE / r CE na vyšších kmitočtech jsou admitanční parametry obecně komplexní

Obr. 14: Obvodový model bipolárního tranzistoru s admitančními parametry.

modely unipolárního tranzistoru rovnice Schichmanova globálního modelu unipolárního tranzistoru MOSFET oblast slabé inverze u GS <U T i D = 0 oblast odporová u GS >U T a zároveň u DS <U sat i D ( )( 2 + u 2U u u ) = β α 1 DS sat DS DS oblast saturace u GS >U T a zároveň u DS >U sat β id = α u 2 2 ( 1+ ) U DS sat

kde prahové napětí je dáno vztahem UT 0 a saturační napětí U = UT + γ ϕ + usb sat = u GS U γ ϕ přesné modely mezielektrodových kapacit jsou složité T na čipu se spíše uplatní kapacity propojovací sítě a vystačíme si tudíž se zjednodušeným vyjádřením

Obr. 15: Ekvivalentní obvod MOSFETu pro malý signál.

Obr. 16: Globální Schichmanův-Hodgesův model MOSFETu.

pro vyšší kmitočty doplníme oba fyzikální modely unipolárního tranzistoru kapacitory lze vytvořit i náhradní obvod tranzistoru jako spínače Obr. 17: Mayerův model MOSFETu a model tranzistoru jako spínače.

Obr. 18: Definice parametrů modelu MOSFETu v Pspice.

lokální lineární model unipolárního tranzistoru vhodný pro ruční výpočty pro vyšší kmitočty doplníme kapacitory proud drainem je dán výrazem i = g u + D m GS g d u DS Obr. 19: Jednoduchý lokální model unipolárního tranzistoru.

model idealizovaného operačního zesilovače, level 1 modelujeme jeden základní parametr, napěťový přenos využíváme ideální řízené zdroje TYP ZDROJE PSPICE ABM VCVS E VCCS G CCCS F CCVS H Tab. 3: Ideální řízené zdroje dostupné v programu Pspice.

použití idealizovaných funkčních bloků v programech typu Pspice může vést k nereálným výsledkům (GV, MA) případně k problémům s konvergencí řešení rovnice popisující tříbranový proudový konvejor u X = α u i = β i i = γ i Y Y X Z X Obr. 20: Jednoduchý model proudového konvejoru, level 1 a level 2.

GCC α β γ CCI+ 1 1 1 CCI- 1 1-1 CCII+ 1 0 1 CCII- 1 0-1 CCIII+ 1-1 1 CCIII- 1-1 -1 ICCI+ -1 1 1 ICCI- -1 1-1 ICCII+ -1 0 1 ICCII- -1 0-1 ICCIII+ -1-1 1 ICCIII- -1-1 -1 Tab. 4: Všechny typy tříbranových proudových konvejorů.

rezistivní model OZ a OTA, level 2 simuluje základní neideální vlastnosti napěťový přenos (OZ), je konstantní transadmitance (OTA), je konstantní vstupní odpor, paralelně ke vstupním svorkám (OZ i OTA) výstupní odpor, R do série s výstupní svorkou (OZ) výstupní vodivost, R paralelně s výstupní svorkou (OTA)

kmitočtově závislý model, operační zesilovač, level 3 aproximují kmitočtovou závislost přenosu A(f), vstupní Z in (f) nebo výstupní impedance Z out (f) jednopólový jeden zlomový bod (pól) na příslušné charakteristice, standardní simulace dvojpólový dva zlomové body (póly) na příslušné charakteristice, vhodný pro vyšetřování stability vícepólový

možnosti vytvoření modelu třetí úrovně doplnění rezistivního modelu akumulačními prvky C a L řízené zdroje mohou být kmitočtově závislé (ABM bloky ELAPLACE nebo GLAPLACE)

f p R = = 10Hz 1 2π f p C = 16kΩ Obr. 20: Modely operačního zesilovače, level 1 a level 3 s VCVS.

Obr. 20: Model operačního zesilovače, level 3 s VCCS. teorie elektronických obvodů pf R f C F R f C R k R G G G R G R A MHz f Hz f A p p p p 796 2 1 16 2 1 200 1 1 1 10 200000 5 2 3 4 1 2 5 4 2 1 2 5 1 4 0 2 1 0 = = = = Ω = Ω = = = = = = = π μ π

K f () s p K0 = 1+ s / ω = 10Hz p Obr. 23: Rezistivní model operačního zesilovače, level 3 s blokem LAPLACE.

Obr. 22: Idealizovaný model operačního zesilovače, jednopólový a dvojpólový kmitočtově závislý model.

vícepólový model operačního zesilovače, level 3 Obr. 24: Trojpólový model operačního zesilovače.

U OS je napěťová nesymetrie I B je klidový proud I B -I OS modeluje proudovou nesymetrii

Obr. 25: Katalogový list operačního zesilovače TL084.

Obr. 26: Kmitočtově závislý model transimpedančního zesilovače AD844.

nelineární model operačního zesilovače, level 4 Obr. 27: Model operačního zesilovače s nelineární pracovní charakteristikou.

profesionální makromodely, level 5 složité modely pro výrobce profesionály makromodely v knihovně Pspice obsahují řízené zdroje, ABM bloky a diskrétní součástky (diody, tranzistory, atd.) nejdůležitější podobvody jsou modelovány podrobně, zbytek funkčního bloku může být tvořen ABM bloky

profesionální makromodely, level 5 Obr. 28: Makromodel reálného operačního zesilovače.

Obr. 30: Podrobný model reálného operačního zesilovače μa741.

Obr. 29: Podrobný model reálného operačního zesilovače MAA501.

Obr. 31: Podrobný model přístrojového operačního zesilovače MAA725.

děkuji za pozornost