01 introducere in electronica_2

Electronic analogic i digital n biomedicin Prof. Dr. Ing. Paca Sever

Introducere n electronic 1

Prof. Dr. Ing. Sever PacaCatedra de Electronic Aplicat i Ingineria Informaiei

Facultatea Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia InformaieiUniversitatea POLITEHNICA din Bucureti

INTRODUCERE N ELECTRONIC

2Introducere n electronic

Coninutul cursului

Definirea electronicii i o scurt istorie a ei

Definirea semnalelor electrice i o clasificare a lor

Caracteristicile semnalelor digitale i analogice, cu reprezentarea n domeniul frecven a semnalelor analogice

Definirea i prezentarea principalelor proprieti ale semnalelor sinusoidale modulate

Noiuni introductive despre componente, circuite, sisteme i echipamente electronice




Definiii

Electronica Domeniul tiinei i tehnicii care se ocup cu studiul i aplicaiile fenomenelor legate de micarea purttorilor de sarcin electric n corpurile solide, n gaze rarefiate sau in vid.

Electronica fizic Studiul teoretic i experimental al fenomenelor legate de micarea purttorilor de sarcin electric n diferite medii i cu realizarea dispozitivelor electronice bazate pe aceste fenomene.

Electronica aplicat Teoria i practica folosirii dispozitivelor i circuitelor electronice n diferite domenii.


Istorie Termenul electronic apare prima oar ntr-un ziar american n 1904 Domeniul electronicii a aprut odat cu obinerea fasciculului de

electroni de ctre J.W.Hittorf n 1869, cnd s-au experimentat primele dispozitive electronice

Devine un domeniu independent la nceputul secolului XX odat cu realizarea primelor dispozitive electronice neliniare de circuit (tuburile electronice cu vid): 1904 dioda cu vid (John Flemming) 1906 trioda (Lee de Forest) 1919 tetroda (Walter Schottky) 1928 pentoda 1932 heptoda 1933 hexoda deceniul 3 tuburile cu gaz




Istorie (cont.) O etap nou dup cel de-al 2-lea rzboi mondial odat cu apariia

dispozitivelor semiconductoare: 1948 tranzistorul, n laboratoarele Bell Telephone (John Barden,

Walter Bratain, William Shockley) 1952-53 Tranzistorul cu efect de cmp (Shokley, Pearson) 1953 tranzistorul unijonciune (Lask) 1956-58 tiristorul (E. Moll, Tanenbam)

Urmtoarea etap important deschis de apariia circuitelor integrate (unul dintre cel mai evoluat reprezentant fiind microprocesorul): 1958/1959 circuitul integrat (independent firmele americane

Texas Instruments/Fairchild) 1962 circuitul integrat MOS (metal-oxid-semiconductor) bazat pe

TEC 1967 prima memorie semiconductoare 1971 prima memorie MOS peste 1 kilobit 1972 prima memorie nevolatil 1971 prima familie de microprocesoare (firma Intel) 1976 primul microcalculator single chip


Concluzii La ora actual se utilizeaz cu prioritate dispozitivele electronice

semiconductoare, celelalte tipuri restrngndu-i continuu aria de folosire, datorit n principal: Gabaritului mic Greutii reduse i implicit consumului mic de materiale Fiabilitii sporite Duratei de via mult mai lungi Consumului redus de energie Preului mic de producie datorit caracterului de mas al fabricaiei

Totui, mai exist unele domenii sau aplicaii n care tuburile mai au un cuvnt de spus: Aparatele care trebuie sa lucreze n medii cu radiaii puternice Generatoare speciale (de putere i frecven mare tuburi

Roentgen, magnetroane etc.) Tuburile cinescop (monitoare i televizoare) i catodic

(osciloscoape) Nu se poate concepe progresul tehnic din orice domeniu fr

electronic.



7

Semnale electrice

Semnalul Este acea mrime fizic msurabil care este capabil s transmit o anumit informaie.

Semnalul electric Este un semnal reprezentat printr-o mrime electric (tensiune, curent, intensitate cmp electric etc.)

8Introducere n electronicSemnale electrice

Definiie matematicFie T o mulime nzestrat cu o relaie de ordine total , numit mulime

de momente.Dac M este o mulime oarecare fixat, atunci prin semnal definit pe

mulimea-timp T cu valori n M se nelege orice aplicaiex : T M, t x(t),

Care asociaz fiecrui moment t T un element x(t) din M, bine determinat, numit eantionul semnalului x la momentul t.

Observaii: Aceast definiie este restrictiv (de exemplu, nu cuprinde semnalele multidimensionale i nici impulsurile), dar constituie o baz de discuie i arat c studiul semnalelor este strns legat de studiul funciilor, de analiza real i complex, ca i de analiza funcional, pentru T i M particulare. Dei nu este obligatoriu, mulimea T este de cele mai multe ori timpul. n astfel de situaii, un semnal se reprezint ca orice funcie matematic n care pe orizontal se reprezint timpul (momentele de timp din mulimea T) iar pe vertical mrimea fizic (valorile din mulimea M).




Notaii utilizate pentru semnale electrice

Vce; IcLiter micLiter mareAmplitudinea semnalului sinusoidal

vcb; ieLiter micLiter micValoare instantanee a componentei alternative

vCE; iBLiter mareLiter micValoarea instantanee total(component continu plus component alternativ)

VCE; ICLiter mareLiter mareValoare continu (medie)VCC; IEELiter mare dublatLiter mareTensiuni de alimentare

ExempluIndiceSimbolMrimea notat


Clasificarea semnalelor dup tipul domeniilor Dup valorile timpului / dup domeniul lor de definiie T:

Semnale continue n timp (T este un interval al axei reale R) Semnale discrete n timp sau eantionate (T este inclus n Z sau N)

Dup valorile sau nivelurile acestora / dup mulimea M n care ia valori: Semnale cu valori continue (M este un interval al lui R) Semnale cu valori discrete - cuantizate (M are un numr finit de valori)Observaie:

Orice semnal poate fi aproximat printr-un numr finit de eantioane avnd valori cuantizate pe un numr finit de niveluri. Discretizarea (trecerea de la valori continue la valori finite) n timp, adic n mulimea T de definiie a semnalului) se face prin eantionare, iar n valoare, adic n mulimea M n care ia valori semnalul, se face prin cuantizare. Acest operaii sunt eseniale n reprezentarea (codificarea) numeric a semnalelor, care asigur posibilitatea de stocare, prelucrare i transmisie de informaie, prin mijloacele cele mai perfecionate actuale (sub form digital).




Reprezentarea semnalelor


Clasificarea semnalelor dup tipul informaiei reprezentate Semnale digitale/numerice

(reprezint informaii numerice, n majoritatea cazurilor binare, care se modific la momente de timp discrete)

Semnale analogice(reprezint informaii cu variaie continu permanent n timp)

Observaii: Ambele tipuri de semnale sunt aproape ntotdeauna semnale continue

n timp cu valori continue. n sistemele electronice reale, fie c sunt digitale sau analogice,

semnalele sunt ntotdeauna continue n timp cu valori continue. Dar, semnalele pot fi reprezentate pentru simplificare n una din cele 4 tipuri prezentate anterior.

Caracteristicile semnalelor digitale i analogice vor fi prezentate ulterior ntr-un subcapitol separat.




Clasificarea semnalelor dup dependena lor de alte evenimente

Semnale deterministe(ale cror valori sunt bine determinate)

Semnale aleatoare / ntmpltoare(ale cror valori pot fi prezise doar cu o anumit probabilitate)

Observaii: Semnalele reale sunt ntotdeauna aleatoare (au cel puin o component

aleatoare, zgomotul). Semnalele deterministe sunt de fapt idealizri matematice absolut

necesare pentru nelegerea celor aleatoare i pentru analiza simplificat a proceselor reale.


Clasificarea dup modul de transmitere a informaiei utile Semnale n banda de baz

(informaia este transmis direct, prin semnalul care l conine) Semnale modulate

(informaia este transmis prin intermediul unui semnal de frecven mult mai mare dect a semnalului care conine informaia)

Observaii: Modul de transmisie utilizat depinde de caracteristicile informaiei, de

mediul prin care se transmite informaia (cabluri electrice, optice, aer, ap etc.), de performanele dorite pentru transmisia informaiei (distan, zgomote admise, distorsiuni, erori acceptabile etc.)

Informaia transmis poate fi att sub form continu (analogic) ct i sub form discret (digital/numeric). Exemplificrile urmtoare vor fi fcute pentru semnale continue.

Caracteristicile semnalelor modulate vor fi prezentate ulterior ntr-un subcapitol separat.



15

Semnale digitale i analogice

16Introducere n electronicSemnale digitale i analogice

Semnale digitale (numerice)Semnalele digitale sunt

reprezentate de tranziii brute ntre dou nivele de tensiune aflate n dou domenii disjuncte de valori, fiecare domeniu fiind asociat cu valoarea logic corespunztoare unei variabile.

Evident ns, pentru a face tranziii ntre dou nivele semnificative, tensiunea v va trebui s se gseasc n anumite momente de timp ntre cele dou domenii (zonele gri). Pentru aceste intervalele de timp, citirea valorilor tensiunii vconstituie o eroare. Aceste treceri de la un nivel la altul sunt ns marcaje de timp. Tranziiile sunt cele care pot stabili o cronologie a evenimentelor.

Tensiuni

DH

DL

x {0; 1}}

}

DH

DLt




Rezoluia semnalelor digitaleUtilizarea unei singure variabile binare v furnizeaz o mulime de valori

cam srac 2 valori posibile; ea poate distinge numai ntre dou obiecte. Pentru a putea reprezenta mrimi cu mai multe valori, sunt necesare mai multe variabile binare care s fie privite simultan, ele constituind de fapt un vector binar de forma v = {v1, v2, , vN} unde fiecare component este o variabil boolean vi {0, 1}. n acest fel, vectorul constituit din N bii poate avea 2N combinaii distincte i deci poate distinge ntre 2N obiecte sau valori. Se spune n acest caz c reprezentarea unei mrimi se face cu o rezoluie de N bii.

Concluzie:Orice reprezentare numeric a unui semnal este legat de o rezoluie,

specific reprezentrii respective. Dac aceast rezoluie este mai bun, mai fin dect rezoluia proprie a semnalului, atunci reprezentarea acestuia prin valori numerice pe N bii nu introduce erori. n caz contrar, dou sau mai multe valori semnificative, distincte, din semnal se vor confunda prin reprezentarea lor cu valori numerice identice, ceea ce nseamn o scdere a rezoluiei acestuia.


Semnale analogiceSemnalele analogice pot fi definite ca fiind variaii continue de tensiune

sau curent situate ntr-un anumit interval, permanente n timp.Semnalele sunt procese aleatoare. n caz contrar, ele sunt perfect

cunoscute dinainte i, ca urmare, nu prezint interes n a fi transmise, msurate etc. Orice expresie analitic a unui semnal trebuie s conin cel puin o component aleatoare care s-i dea acea caracteristic de necunoatere, care o transform dintr-o mrime complet cunoscut i care poate fi generat local pe baza unei anumite reguli, ntr-o mrime care trebuie observat i urmrit pentru a-i afla evoluia. s

s( )

t

ISTORIA

Toate valorile unui semnal, anterioare n raport cu un moment de timp dat, reprezint "istoria" sau trecutul acestuia. Practic la toate semnalele, valorile s(t), anterioare momentului de timp dat, contribuie, sub o form oarecare, la stabilirea valorii semnalului la momentul . Semnalele sunt n general funcii de timp controlate de istoria lor.




Semnale analogice periodice/neperiodiceUn semnal este periodic dac satisface relaia

0nTtsts pentru orice moment de timp t. Mrimea T0 este perioada semnalului.

Toate variaiile semnalului periodic sunt cunoscute dac se cunoate evoluia sa n interiorul unei singure perioade.

Pentru semnalele periodice, se definesc puterea medie pe o perioadrespectiv puterea instantanee astfel:

T dttsP 0 2T1

Evident aceast integral este infinit n cazul semnalelor periodice; pentru acestea se folosete noiunea de putere i nu cea de energie.

RtiRtvtp 22Prin convenie se consider o rezisten egal cu unitatea, ceea ce

elimin dependena puterii semnalului de valoarea rezistenei de sarcin.n cazul semnalelor neperiodice se definete energia acestora

dttsE 2


Spectrul unui semnal periodic Spectrul unui semnal este acea mulime de coeficieni reprezentnd

amplitudinea i faza sinusoidelor care nsumate refac semnalul iniial. El poate fi privit i ca un alt mod de reprezentare a informaiei, n domeniul frecven.

Spectrul unui semnal periodic este dat de transformata Fourier a acestuia i este constituit de seria coeficienilor Fourier rezultai din relaia

Spectrul are 2 componente: spectrul de amplitudini respectiv spectrul de faz definite de modulul respectiv faza numrului complex

iar semnalul s(t) poate fi scris ca o sum de componente sub forma

0jnCCn 2200 00 0

1 /T/T

tjnn dtetsT

jnCC

n

n

tjnenCts 00

0jnC 0jnCCn 0 n




Spectrul unui semnal aperiodic Spectrul unui semnal aperiodic sau mai exact densitatea spectral a

acestuia este dat de integrala Fourier

Observaii: Aceste relaii asigur o coresponden unic ntre un semnal i spectrul su. Pentru un semnal dat exist un spectru unic i invers. Este de asemenea important de remarcat c determinarea spectrului unui semnal nu este posibil fr a cunoate complet evoluia n timp a acestuia.

dtetsjS tjDensitatea spectral are i ea dou componente: densitatea spectral

de amplitudine i densitatea spectral de faz.Relaia invers, care ne d semnalul s(t) din densitatea spectral este

dejSts tj


Rezoluia unui semnal analogic Rezoluia unui semnal analogic este indispensabil ca s putem analiza

comportarea circuitelor electronice reale. Ideal, un semnal este descris de o funcie continu i, orict de mic ar fi diferena ntre dou valori oarecare ale semnalului, aceast diferen este semnificativ. Practic ns, apar zgomote care se suprapun peste semnalul real. Orice semnal analogic are o rezoluie proprie dat de treapta minim semnificativ a acestuia, determinat practic de prezena factorilor perturbatori reali (zgomote).

Dac se cunoate gama de variaie a semnalului, respectiv valoarea minim i maxim a acestuia, atunci rezoluia unui semnal analogic poate fi exprimat printr-o mrime specific digital numrul de bii pe care trebuie reprezentat variaia semnalului pentru ca valoarea corespunztoare unui bit s fie cel mult egal cu treapta minim semnificativ a sa.

Observaie: Rezoluia unui semnal analogic este o proprietate intrinsec a acestuia fiind impus de sursa de semnal care l genereaz.



23

Semnale modulate

Se utilizeaz pentru transmiterea informaiei atunci cnd semnalul cu anumii parametrii care conine informaia nu poate fi transmis printr-un anumit mediu la anumite performane dorite.

Se prezint semnalele modulate pentru care se folosete o oscilaie sinusoidal pentru a transmite informaia util.

24Introducere n electronicSemnale modulate

O mrime (curent, tensiune, intensitate de cmp, flux luminos etc.) cu o variaie sinusoidal n timp se reprezint matematic prin expresia:

)tcos(A)t(F n care:A - reprezint amplitudinea oscilaiei; - frecvena unghiular (pulsaia);t + - faza instantanee (unghiul de faz); - faza iniial.Ct timp parametrii A, i sunt constani, oscilaia F(t) nu conine

informaie. F(t) poate constitui semnalul purttor. Spre deosebire de semnalul care conine informaia, F(t) poate fi transmis n condiiile dorite.

Dac se face cumva ca amplitudinea A sau unghiul de faz s varieze n ritmul semnalului care conine informaia de transmis, atunci semnalul F(t) va conine informaia de transmis i va putea fi si el transmis n condiiile dorite.

Se spune n acest caz c semnalul F(t) este modulat, iar semnalul care conine informaia se numete semnal modulator.




Dac amplitudinea A este variat n ritmul semnalului de modulaie, se obine o modulaie de amplitudine pe scurt, MA.

Dac unghiul de faz este variat n ritmul semnalului modulator, se obine o modulaie de faz - MP; o form a modulaiei de faz este modulaia de frecven - MF.

Aceste semnale sunt prezentate n diapozitivul urmtor.Expresia unei oscilaii armonice reprezentnd semnalul modulat se

poate pune n general sub forma:

)(cos)()]()(cos[)()( ttAttttAtF Aceste oscilaii sunt de fapt cvasiarmonice, totui i n acest caz se

pstreaz pentru A(t) i (t) denumirile de amplitudine i unghi de faz.


Exemplificarea semnalelor modulate

a) Semnal modulator(de joas frecven);b) Semnal MA;

c) Semnal MP;

d) Semnal MF.




Modulare / demodulareObinerea semnalului modulat din semnalul purttoare si semnalul

modulator se numete modulare.

Circuitele care realizeaz acest lucru sunt circuitele de modulare.

Procedeul invers, de extragere a informaiei utile prin eliminarea semnalului purttor se numete demodulare.

Informaia este coninut n semnalul demodulat. Circuitele care realizeaz acest lucru sunt circuitele de demodulare.

Ansamblul celor dou procese utilizate la emisie i recepia informaiei se numete modulare demodulare.


Semnal modulat n amplitudineLa oscilaiile MA, amplitudinea este o funcie de timp de forma:

)t(f1A)t(A 0 unde A0 este o constant.Funcia f(t), reprezentnd variaia parametrului care se modific n ritmul

semnalului de modulaie S(t), se numete funcie de modulaie. n general se va considera c funcia f(t) este proporional cu S(t), adic f(t)=kS(t).

Expresia oscilaiei MA este de forma )tcos()t(f1A)t(F 000

Oscilaia reprezentat prin

se numete purttoare, iar 0 este frecvena unghiular a purttoarei.)tcos(A)t(F 000




Cea mai simpl expresie a funciei de modulaie f(t) este funcia sinusoidal de timp a crei expresie este:

)cos()()( mmtmtkStf caz n care expresia oscilaiei armonice devine:

)cos()cos(1)( 000 ttmAtF mmunde m reprezint gradul de modulaie i 0 frecvena (unghiular) de

modulaie.Gradul de modulaie m este proporional cu intensitatea (mrimea)

semnalului transmis.Frecvena semnalului de modulaie este mult mai mic dect frecvena

purttoarei (m




Semnal modulat n fazLa oscilaiile cu modulaie de faz, unghiul de faz are o variaie n

timp de forma:)t(f)t( 0

n care 0 este o constant i f(t) o funcie variabil cu timpul, de aceeai form ca i semnalul de modulaie.

Expresia oscilaiei cu modulaie de faz este n acest caz de forma: 000 )t(ftcosVv)t(F

n care amplitudinea este constant, iar unghiul de faz este variabil cu timpul.

Frecvena 0 se numete i aici frecven purttoare.


Dac semnalul de modulaie are o variaie sinusoidal n timp, unghiul de faz este de asemenea o funcie sinusoidal i poate fi exprimat prin relaia:

Expresia oscilaiei MP devine n acest caz:)tcos()t( mm0

0mm00 )tcos(tcosVv Mrimea este variaia maxim a fazei n timpul modulaiei i se

numete deviaia de faz, iar m este frecvena de modulaie.Deviaia de faz este proporional cu amplitudinea semnalului de

modulaie presupus sinusoidal i corespunde cu gradul de modulaie m al unei oscilaii MA.




Semnal modulat n frecvenDac viteza unghiular nu este constant i are o variaie n timp de

forma: )t(f)t( 0 atunci semnalul de modulaie sinusoidal are forma:

fmf

m

)tcos()t( mm0 iar expresia oscilaiei MF devine:

0mmm

00 )tsin(tcosVv

Dac se noteaz indicele de modulaie n frecven cu

0mm00 )tsin(tcosVv relaia de mai sus se poate scrie i sub forma:


Printr-o prelucrare i analiz similar cu cea de la semnalul modulat n amplitudine, i aceast oscilaie se poate descompune n dou oscilaii de frecven 0 defazate cu /2 una fa de cealalt, ale cror amplitudini sunt funcii periodice de timp, avnd expresiile:

Fiecare din aceste funcii se poate dezvolta n ntr-o serie Fourier din care rezult c o oscilaie MF sau MP modulat cu un semnal sinusoidal de frecven fm, este format din purttoare de frecven f0 i o infinitate de componente laterale de frecvene:

f0 fm, f0 2fm, f0 3fm, . , f0 nfm , ........

)tsin(cosV mm0 )tsin(sinV mm0



35

Componente, circuite, sisteme i echipamente electronice

36Introducere n electronicComponente, circuite, sisteme i echipamente electronice

Componente electroniceComponenta electronic un element (dispozitiv) care permite

trecerea curentului electric dup o anumit lege de variaie i este caracterizat de o relaie (o funcie matematic) ntre tensiunea care i se aplic la borne i curentul care circul prin ea.

Caracteristica unei componente este reprezentarea grafic a funciei matematice de legtur ntre curentul prin component i tensiunea labornele sale.

Clasificare componentelor electronice dup forma caracteristicii Componente electronice liniare Componente electronice neliniare




Clasificarea energetic a componentelor electronice Componente pasive

Elemente de circuit care nu pot prelucra semnalul; ele pot conduce curentul electric i pot disipa sau/i nmagazina energie electric sau magnetic. Componentele pasive ideale sunt reprezentate n general prin dipoli i pot fi caracterizate complet n circuit printr-o singur mrime. (Exemple: rezistoare, condensatoare, bobine)

Componente activeElemente de circuit care alimentate n curent continuu se comport ca o surs de putere electric comandat de o mrime electric (curent sau tensiune). O component activ este capabil s ndeplineasc o funcie de prelucrare (amplificare, redresare etc.) a mrimii de comand. O astfel de component se reprezint n general printr-un cuadripol. (Exemple: diode, tranzistoare bipolare, TEC-uri, tiristoare, TUJ-uri etc.)


CircuiteCircuit electric - Un ansamblu de componente pasive interconectate ntre

ele prin intermediul unor conductoare, care stabilete o relaie matematic ntre semnalele obinute la ieire i semnalele aplicate la intrare. Reprezentarea grafic a acestei relaii reprezint caracteristica circuitului. n multe cazuri circuitul electric conine i surse de curent sau/i de tensiune. Pentru fiecare component n parte este posibil s se determine tensiunea la borne i curentul prin component prin aplicarea adecvat a Legilor lui Kirchhof i a Legii lui Ohm.

Circuit electronic - Un circuit electric care conine pe lng elementele menionate la circuitele electrice i componente active de circuit. Determinarea tensiunilor i curenilor pentru fiecare component este o sarcin dificil datorit caracteristicilor neliniare ale componentelor active. n anumite condiii simplificatoare, componentele active se pot nlocui cu circuite echivalente liniare (modele) coninnd surse de tensiune i/sau curent comandate i elemente pasive interconectate astfel nct s ndeplineasc o anumit funcie. Circuitele electronice echivalente n care componentele active au fost nlocuite cu circuitele lor echivalente pot fi tratate similar cu circuitele electrice.




Clasificarea circuitelor electronice dup tehnologia de realizare Circuite discrete - componentele active i pasive ncapsulate separat

sunt conectate ntre ele prin cablaje imprimate; Circuite integrate - componentele active i pasive precum i

interconexiunile lor sunt realizate inseparabil i sunt ncapsulate unitar; se pot realiza: circuite integrate monolitice la care ntreaga structur se obine n

volumul unui monocristal semiconductor, circuite integrate peliculare la care elementele de circuit i

interconexiunile se obin sub forma unor pelicule rezistive, conductoare sau dielectrice depuse pe un suport izolator;

Circuite hibride realizate parial cu componente discrete, parial cu componente integrate, dar ncapsulate mpreun astfel nct formeaz un ntreg inseparabil.


Sisteme electroniceUn sistem electronic este un ansamblu

format din mai multe circuite electronice interconectate ntre ele care ndeplinesc o anumit funcie bine stabilit.

Analiza unui sistem const n stabilirea funcionrii sale, adic n determinarea semnalelor de ieire atunci cnd se cunosc configuraia sistemului i semnalele aplicate la intrare.

Sinteza unui sistem const n stabilirea structurii (configuraiei) sale atunci cnd se cunosc semnalele aplicate la intrare i semnalele generate de sistem la ieire.




Echipamente electroniceEchipamentele electronice sunt formate din unul sau mai multe circuite

i/sau sisteme electronice, construite unitar, destinate s funcioneze independent pentru rezolvarea unei aplicaii concrete.

Dup destinaie echipamentele pot fi clasificate astfel: Echipamente profesionale Echipamente de larg consum

Dup condiiile de exploatare echipamentele pot fi: Echipamente staionare Echipamente mobile Echipamente cu destinaie special

01 introducere in electronica_2

Documents