funcţiunile circuitelor electronice funcţiunile circuitelor electronice

Introducere în IETC, 2008 1

Funcţiunile circuitelor electroniceExemple de prelucrări

• Filtrare pentru eliminarea zgomotului• Transmitere la distanţă• Extragerea semnalului util din transmisiunea radio• Separarea a două surse de informaţie, compresia şi

criptarea transmisiunilor• Afişarea şi măsurare poziţiei obstacolelor cu

sonar, radar, ecograf (imagine)• Recunoaşterea obiectelor din imagine• Măsurare directă sau prin model

Introducere în IETC, 2008 2

Funcţiunile circuitelor electronice• Semnal analogic: prelucrat de circuite analogice• Semnal numeric: prelucrat de circuite numerice

Introducere în IETC, 2008 3

Funcţiunile circuitelor electronice• Amplificare• Oscilaţie• Redresare• Stabilizare• Filtrare (regim dinamic)• Modulare, demodulare• Conversie A/N, N/A• Funcţiuni aritmetice (calcul numeric)

Introducere în IETC, 2008 4

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresoare

• Circuit care furnizează tensiune (sau curent) de un singur semn– Folosit pentru alimentare– Folosit pentru extragerea informaţiei

• Exemple• Caracteristica tensiune-curent a diodei• Diagramele de timp ale redresorului

Introducere în IETC, 2008 5

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor cu diode semiconductoare

model simplificat, diodă cu siliciu

Introducere în IETC, 2008 6

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor cu diode semiconductoare

Redresoare alimentate din reţeaua monofazată

Introducere în IETC, 2008 7

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor monoalternanţă

)sin(2)( 22 tUtu ω=

Introducere în IETC, 2008 8

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor monoalternanţă

)()()(2 tututu sD +=

)sin(2)( 22 tUtu ω=

Introducere în IETC, 2008 9

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor monoalternanţă

)()()(2 tututu sD +=

)sin(2)( 22 tUtu ω=

sDs Rtitu ⋅= )()(

Introducere în IETC, 2008 10

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor monoalternanţă

)()()(2 tututu sD +=

)sin(2)( 22 tUtu ω=

sDs Rtitu ⋅= )()(

)( DDD uii =

Introducere în IETC, 2008 11

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor monoalternanţă

)()()(2 tututu sD +=

)sin(2)( 22 tUtu ω=

sDs Rtitu ⋅= )()(

)( DDD uii =

Introducere în IETC, 2008 12

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor monoalternanţă

)sin(2)( 22 tUtu ω=

22max UUs =−

sDs R

UII 22maxmax == −−

22min UU D −=−

Introducere în IETC, 2008 13

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor monoalternanţă

)sin(2)( 22 tUtu ω=

παα

ωω

π 2sin2)sin(21 2

0

2/

0

22med_

UdT

UdttUT

UT

s =⋅=⋅⋅≅ ∫∫

Introducere în IETC, 2008 14

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor bialternanţă

)sin(2)( 22 tUtu ω=

Introducere în IETC, 2008 15

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor bialternanţă

)sin(2)( 22 tUtu ω=

Introducere în IETC, 2008 16

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor bialternanţă

)sin(2)( 22 tUtu ω=

22max UUs =−

sDs R

UII 22maxmax == −−

22 2min UUD −=−

Introducere în IETC, 2008 17

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor bialternanţă

)sin(2)( 22 tUtu ω=

π22 2

med_UUs ≅

Introducere în IETC, 2008 18

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor în punte, monofazat

)sin(2)( 22 tUtu ω=

Introducere în IETC, 2008 19

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor în punte, trifazat

Introducere în IETC, 2008 20

Funcţiunile circuitelor electroniceModel mai realist al diodei

)sin(2)( 22 tUtu ω=

Introducere în IETC, 2008 21

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor cu filtru

)sin(2)( 22 tUtu ω=

Introducere în IETC, 2008 22

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor cu filtru

)sin(2)( 22 tUtu ω=

UCQ Δ⋅=Δ

tIQ s ⋅=Δ CtIU s ⋅≅Δ

Introducere în IETC, 2008 23

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor cu filtru

)sin(2)( 22 tUtu ω=

UCQ Δ⋅=Δ

tIQ s ⋅=Δ CtIU s ⋅≅Δ

Perioada pulsurilor!

Introducere în IETC, 2008 24

Funcţiunile circuitelor electroniceRedresor cu filtru

CtIU s ⋅≅Δ

Introducere în IETC, 2008 25

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare

• Circuit care măreşte puterea semnalului• De obicei, păstrează forma semnalului (anvelopa)• Are nevoie de alimentare (puterea semnalului este

mărită, pe seama puterii de la sursă)• Configuraţii diferite, în funcţie de:

– Puterea de ieşire– Nivelul de la intrare– Domeniul frecvenţelor de lucru

• Exemple

Introducere în IETC, 2008 26

Funcţiunile circuitelor electronice

Contraexemplu: transformatorul (nu este amplificator!)

Introducere în IETC, 2008 27

Funcţiunile circuitelor electroniceExemplu de utilizare a unui amplificator (schemă

bloc)

Introducere în IETC, 2008 28

Funcţiunile circuitelor electroniceExemplu de utilizare a unui amplificator

Introducere în IETC, 2008 29

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare

• Amplificator de putere mică (probleme de fidelitate şi evitarea zgomotului)

• Amplificator de putere mare (probleme de randament şi disiparea căldurii)

Introducere în IETC, 2008 30

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificator integrat, putere mică

Introducere în IETC, 2008 31

Funcţiunile circuitelor electroniceDisiparea căldurii

Introducere în IETC, 2008 32

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare

• Amplificator de audiofrecvenţă• Amplificator de radiofrecvenţă• Amplificator de videofrecvenţă• Amplificator de microunde

• Amplificator de c.c.• Amplificator de c.a.

Introducere în IETC, 2008 33

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare

• Cel mai simplu model matematic (circuit liniar):

• Mărimile de intrare şi ieşire pot fi tensiune sau curent, în orice combinaţie

• Anticiparea ieşirii

)()( txatx ie ⋅=

Introducere în IETC, 2008 34

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare

)()( txatx ie ⋅=

Introducere în IETC, 2008 35

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare

)()( txatx ie ⋅=

Introducere în IETC, 2008 36

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: Caracteristici de frecvenţă

Introducere în IETC, 2008 37

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare

• Un model mai apropiat de realitate (tot circuit liniar):

)()()( ωωω jXjajX ie ⋅=

Introducere în IETC, 2008 38

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: Caracteristici de frecvenţă

)()()( ωωω jXjajX ie ⋅=

||log20|| aa dB =

Introducere în IETC, 2008 39

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: semnificaţiile mărimilor

• Modulul lui a: raportul amplitudinilor• Faza• Dacă:

• Atunci:

)sin()( iii tUtx ϕω +=)sin()( eee tUtx ϕω +=

i

eUUa =||

iea ϕϕϕ −== )arg(

Introducere în IETC, 2008 40

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: analiza experimentală

Introducere în IETC, 2008 41

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: analiza experimentală

i

eUUa =||

iea ϕϕϕ −== )arg(

πϕ 2⋅Δ=

Tt

(cu semn!)

Introducere în IETC, 2008 42

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: analiza experimentală

Introducere în IETC, 2008 43

Funcţiunile circuitelor electroniceTemă de casă: determinarea benzii la –3dB

Introducere în IETC, 2008 44

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: anticiparea ieşirii

Introducere în IETC, 2008 45

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: distorsiuni neliniare

Introducere în IETC, 2008 46

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: distorsiuni neliniare

maxmax −− ⋅= ie xax

minmin −− ⋅= ie xax

Introducere în IETC, 2008 47

Funcţiunile circuitelor electroniceAmplificatoare: noţiuni caracteristice

• Amplificare• Impedanţe de intrare şi de ieşire• Impedanţa generatorului şi impedanţa sarcinii• Putere maximă de ieşire• Domeniul frecvenţelor de lucru (banda)• Liniaritate, distorsiuni• Zgomot

Introducere în IETC, 2008 48

Funcţiunile circuitelor electroniceExemplu de stabilizator

Introducere în IETC, 2008 49

Funcţiunile circuitelor electroniceExemplu de stabilizator

Introducere în IETC, 2008 50

Funcţiunile circuitelor electroniceStabilizatoare

• Circuit care păstrează constantă valoarea unei mărimi (indiferent de perturbaţii)

• Cel mai frecvent, utilizare în scop de alimentare stabilizată

• Perturbaţii uzuale:– sarcina– alimentarea– temperatura

Introducere în IETC, 2008 51

Funcţiunile circuitelor electroniceStabilizator de tensiune

Riplul

Introducere în IETC, 2008 52

Funcţiunile circuitelor electroniceStabilizator de tensiune

constUs

so

adIdU

R=

−=

Caracteristica de sarcină

Circuitul echivalent Rezistenţa internă

Introducere în IETC, 2008 53

Funcţiunile circuitelor electroniceStabilizator de tensiune

Protecţie prin limitarea curentului

Introducere în IETC, 2008 54

Funcţiunile circuitelor electroniceStabilizator de tensiune: Noţiuni caracteristice

• Domeniul admisibil al tensiunilor de intrare• Tensiunea nominală de ieşire (pe sarcină)• Curent maxim de sarcină• Tensiune de zgomot (ondulaţie) pe sarcină• Sensibilităţile la perturbaţii

Introducere în IETC, 2008 55

Funcţiunile circuitelor electroniceStabilizator de tensiune

Introducere în IETC, 2008 56

Funcţiunile circuitelor electronice

Exemplu de utilizare a aparatelor de laborator

Introducere în IETC, 2008 57

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilatoare

• Generează un semnal de forma dorită, fără a primi un alt semnal din exterior

• Forme uzuale: sinus, triunghi, dreptunghi, dinte de fierăstrău (semnale periodice)

• Există şi generatoare de impulsuri singulare• Multe aparate folosesc combinaţii de semnale

Introducere în IETC, 2008 58

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilatoare: forme uzuale

Introducere în IETC, 2008 59

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilatoare

• oscilatoare de foarte joasă frecvenţă (sub 10Hz);• oscilatoare de audiofrecvenţă (10Hz-1MHz);• oscilatoare de radiofrecvenţă (sute de kHz – sute

de MHz);• oscilatoare de microunde (sute de MHz – 20GHz).

Introducere în IETC, 2008 60

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilatoare

Metodă simplă de generare

Introducere în IETC, 2008 61

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilator de relaxare: analiza în timp

Circuit echivalent, în timpul creşterii tensiunii

Introducere în IETC, 2008 62

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilator de relaxare: analiza în timp

Circuit echivalent, în timpul descreşterii tensiunii

Introducere în IETC, 2008 63

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilator de relaxare: analiza în timp

Determinarea perioadei

11 tIC

UUU js ⋅=−=Δ

Introducere în IETC, 2008 64

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilator de relaxare: analiza în timp

Determinarea perioadei

IUU

CtT

IUU

Ct

js

js

−⋅==

−⋅=

22 1

1

11 tIC

UUU js ⋅=−=Δ

Introducere în IETC, 2008 65

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilator armonic: analiza în frecvenţă

Semestrul 4

Introducere în IETC, 2008 66

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilatoare

Rezonator piezoelectric

Introducere în IETC, 2008 67

Funcţiunile circuitelor electroniceOscilatoare: Noţiuni caracteristice

• Forma generată• Stabilitatea amplitudinii şi a frecvenţei

(sensibilitatea în raport cu perturbaţiile)• Domeniul de frecvenţe şi de tensiuni (dacă sînt

variabile)• Impedanţa de ieşire• Distorsiunea (pentru sinusoidă)

Introducere în IETC, 2008 68

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre

• Modifică componenţa spectrală a semnalului (scop de prelucrare a informaţiei)

• “Netezeşte” tensiunea de ieşire a redresorului (scop energetic, alimentare stabilizată)

• Importantă: analiza în frecvenţă• Descriere prin caracteristicile de frecvenţă

Introducere în IETC, 2008 69

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre

• FTJ – redresor, zgomot de frecvenţă mare• FTS – eliminarea componentei medii, rejecţia

perturbaţiilor de joasă frecvenţă

Introducere în IETC, 2008 70

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre

• FTB – transmiterea selectivă a unei benzi, radiorecepţie, telefonie

• FOB – eliminarea (rejecţia) perturbaţiei de frecvenţă fixă – “notch”

Introducere în IETC, 2008 71

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza fazorilor

• Regim sinusoidal

)sin()( tEte ω⋅=

Introducere în IETC, 2008 72

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza fazorilor

• Regim sinusoidal

)sin()( tEte ω⋅=

Introducere în IETC, 2008 73

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza fazorilor

RIU R =

CIXIU CC ω

=⋅=

Introducere în IETC, 2008 74

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza fazorilor

RIU R =

CIXIU CC ω

=⋅=

22222 1

CRIUUE CR

ω+=+=

Introducere în IETC, 2008 75

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza fazorilor

RIU R =

CIXIU CC ω

=⋅=

22222 1

CRIUUE CR

ω+=+=

)(arctg2/)1(arctg)(arctg RCRCU

U

R

C ωπω

φ −===

)(arctg)2/( RCωφπϕ −=−−=

Introducere în IETC, 2008 76

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza fazorilor

RIU R =

CIXIU CC ω

=⋅=

22222 1

CRIUUE CR

ω+=+=

)(arctg2/)1(arctg)(arctg RCRCU

U

R

C ωπω

φ −===

)(arctg)2/( RCωφπϕ −=−−=

Introducere în IETC, 2008 77

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza fazorilor

)sin(1

)sin(||

)(

222

φω

ω

φω +⋅+

=+⋅= t

CR

EtZEti

)sin(1

)2/sin(1||

)(222

ϕωω

πφωω

+⋅+

=−+⋅⋅= tCR

EtCZ

Etu

Introducere în IETC, 2008 78

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza în frecvenţă

)sin(1

)2/sin(1||

)(222

ϕωω

πφωω

+⋅+

=−+⋅⋅= tCR

EtCZ

Etu

Introducere în IETC, 2008 79

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza în frecvenţă

)sin(1

)2/sin(1||

)(222

ϕωω

πφωω

+⋅+

=−+⋅⋅= tCR

EtCZ

Etu

2221

1|)(|CRE

Ua C

ωω

+==

)(arctg)2/()( RCtt ωωπφωωϕ −=−−+=

Introducere în IETC, 2008 80

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza în frecvenţă

2221

1|)(|CRE

Ua C

ωω

+== )(arctg)( RCωωϕ −

RC1

0 =ω

RCf

π21

0 =

Introducere în IETC, 2008 81

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza în frecvenţă

Analiza în frecvenţă: foarte importantă pentru electronişti!

RC1

0 =ω

RCf

π21

0 =

Introducere în IETC, 2008 82

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: analiza în frecvenţă

Comportarea FTJ în regim periodic, anticiparea ieşirii

Introducere în IETC, 2008 83

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: orga de lumini

Introducere în IETC, 2008 84

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: orga de lumini

Introducere în IETC, 2008 85

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: rejecţia perturbaţiilor

Introducere în IETC, 2008 86

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: rejecţia perturbaţiilor

Introducere în IETC, 2008 87

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: rejecţia perturbaţiilor

Introducere în IETC, 2008 88

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: rejecţia perturbaţiilor

Introducere în IETC, 2008 89

Funcţiunile circuitelor electroniceFiltre: rejecţia perturbaţiilor

Introducere în IETC, 2008 90

Funcţiunile circuitelor electronice

Exemplu de emiţător radio, semnalul modulat

Introducere în IETC, 2008 91

Funcţiunile circuitelor electronice

Exemplu de receptor radio, demodularea

Introducere în IETC, 2008 92

Funcţiunile circuitelor electronice

Exemplu de transmisiune radio

Introducere în IETC, 2008 93

Funcţiunile circuitelor electroniceCircuite numerice programabile

• Telecomunicaţii• Automatizări• Divertisment• Baze de date (comerţ, bănci, administraţie)• Proiectarea asistată• Educaţie

Introducere în IETC, 2008 94

Funcţiunile circuitelor electroniceCircuite numerice programabile

• Calculatoare de proces, microcalculatoare pentru automatizări, automate programabile

• Calculatoare ştiinţifice, supercalculatoare• Calculatoare personale• Calculatoare de buzunar, jucării, ceasuri• Echipamente de telecomunicaţii• Unităţi de comandă pentru fax, imprimantă,

telefon

Introducere în IETC, 2008 95

Funcţiunile circuitelor electroniceTermostat cu microcontroler

Introducere în IETC, 2008 96

Funcţiunile circuitelor electroniceTermostat cu microcontroler

• măsurarea periodică a temperaturii;• citirea butoanelor prin care operatorul introduce

planificarea încălzirii;• algoritmul de reglare automată a temperaturii;• afişarea mărimilor necesare operatorului;• comanda circuitului de încălzire (închis/deschis);

• măsurarea timpului (pentru respectarea planificării)

Introducere în IETC, 2008 97

Funcţiunile circuitelor electroniceProiectarea circuitelor

• analiza solicitării beneficiarului• alegerea soluţiei, alegerea şi dimensionarea

componentelor hardware• scrierea programului• execuţia prototipului• proiectarea tehnologică (cablaj, lipirea

componentelor, carcasă, ventilare)• proiectarea producţiei de serie mare

Introducere în IETC, 2008 98

Funcţiunile circuitelor electroniceProiectarea asistată de calculator a circuitelor

• desenarea schemei electrice• simularea funcţionării circuitului• proiectarea cablajului imprimat, într-unul sau mai

multe straturi;• pregătirea documentelor necesare producţiei

(desenele tuturor straturilor cablajului, desenul de amplasare a componentelor, lista de materiale).

Introducere în IETC, 2008 99

Funcţiunile circuitelor electronice

Introducere în IETC, 2008 100

Funcţiunile circuitelor electroniceProiectarea asistată de calculator a circuitelor

• Demonstraţie practică