AUE/EE

Detektor Fazy (PD)

Działanie: Porównuje fazę sygnału wejściowego i powrotnego z VCO. Wyjście: Generuje napięcie proporcjonalne do różnicy faz. Sygnał ten zawiera pożądaną składową stałą (błąd) oraz niechciane składowe wysokiej częstotliwości (do usunięcia).

Wzmacniacz

Działanie: Wzmacnia słabe napięcie błędu z filtra LPF, dopasowując je do czułości wejściowej VCO. Cel: Zapewnia odpowiednie wzmocnienie pętli, co jest kluczowe dla szybkości synchronizacji i stabilności układu

Generator VCO

Działanie: Generator sterowany napięciem. Zmienia częstotliwość sygnału wyjściowego proporcjonalnie do podanego napięcia sterującego (z filtra/wzmacniacza). Cel: Wytwarza sygnał wyjściowy i zamyka pętlę (sygnał wraca do PD).

Powielanie częstotliwości (PLL)

Metoda: Wstawiamy dzielnik przez N w pętlę sprzężenia (wyjście VCO -> dzielnik -> detektor). Efekt: Aby zrównać fazy na detektorze, VCO musi generować częstotliwość N razy wyższą niż wejściowa. F_out = N * F_in.

Filtr Dolnoprzepustowy (FDP)

Działanie: Sygnał z detektora jest przepuszczany przez filtr celem usunięcia niepożądanych składowych wysokiej częstotliwości. Wynik: Po filtracji uzyskuje się sygnał napięciowy, który steruje częstotliwością generatora VCO.

Zasada działania (Podział prądu) różnicowego

Źródło prądowe wymusza stałą sumę prądów emiterów: $I_{C1}+I_{C2} = I_{EE}$. Tranzystory dzielą ten prąd zależnie od różnicy napięć wejściowych. Jeśli $V_{in1} > V_{in2}$, T1 przewodzi mocniej (zabiera prąd), a prąd T2 maleje.

Przekreślone Wykresy (Równowaga) różnicowego

Wykresy prądów kolektorów ($I_C$) przecinają się w zerze, gdzie $V_{in1}=V_{in2}$ a prądy są równe ($0.5 I_{EE}$). Tworzą kształt "X", bo suma prądów jest stała – wzrost prądu jednego tranzystora wymusza identyczny spadek drugiego.

Wysterowanie jednego wejścia (Nasycenie)

Gdy różnica napięć wejściowych jest duża, cały prąd $I_{EE}$ płynie przez jeden tranzystor, a drugi jest całkowicie zatkany ($I_C=0$). Na wykresie to płaskie odcinki (nasycenie). Układ działa wtedy jak przełącznik prądu.

CMRR (Common-Mode Rejection Ratio)

Współczynnik określający zdolność wzmacniacza do odrzucania sygnałów jednakowych na obu wejściach (wspólnych) i wzmacniania tylko różnicy między nimi. Idealnie: Układ w ogóle nie powinien reagować na zakłócenia wspólne.

Znaczenie wysokiego CMRR

Im wyższy CMRR, tym mniejszy wpływ szumów i asymetrii elementów na sygnał wyjściowy. Skutek: Wysoki CMRR zapewnia większą precyzję działania wzmacniacza, ponieważ skuteczniej tłumi zakłócenia środowiskowe

Lustro Prądowe (Obciążenie Aktywne)

Zastąpienie rezystorów $R_C$ tranzystorami T1/T2 (lustro) tworzy obciążenie aktywne. Działają one jak źródła prądowe o ogromnej rezystancji dynamicznej. Skutek: Wzmocnienie napięciowe ($A \approx g_m R_{obc}$) drastycznie rośnie.

Sumowanie prądów (2x) lustro

Lustro kopiuje prąd z lewej gałęzi ($+\Delta I$) do prawej. W węźle wyjściowym sumuje się on z prądem dolnym, dając łącznie $2\Delta I$. Dzięki temu mechanizmowi w pełni wykorzystujemy sygnał z obu tranzystorów na jednym wyjściu.

Konwersja na wyjście niesymetryczne

Lustro prądowe idealnie konwertuje wejściowy sygnał różnicowy na pojedynczy sygnał wyjściowy względem masy (single-ended). Dzieje się to bez utraty połowy wzmocnienia, co jest kluczowe np. na wejściu wzmacniaczy operacyjnych.

Sygnał Różnicowy vs Współbieżny (Sumacyjny)

Różnicowy ($U_d$): Różnica potencjałów ($U_1 - U_2$). To jest użyteczna informacja, którą wzmacniamy. Współbieżny/Sumacyjny ($U_{cm}$): Średnia napięć wejściowych ($\frac{U_1+U_2}{2}$). To "tło" lub zakłócenie obecne na obu wejściach, które chcemy usunąć.

Czynniki poprawiające CMRR

Rezystancja źródła prądowego ($R_{EE}$): Najważniejszy czynnik! Im większa rezystancja w ogonie (Acm = -Rc/2Ree), tym silniejsze tłumienie sygnału wspólnego. Symetria: Idealne dopasowanie parametrów obu tranzystorów i rezystorów $R_C$.

Analiza Punktu Pracy (. OP)

Co robi: Oblicza statyczne napięcia i prądy w układzie przy zasilaniu stałym (DC). Klucz: Kondensatory traktuje jako przerwy, cewki jako zwarcia. Jest to punkt wyjścia dla innych analiz (np. AC).

Analiza Stałoprądowa (. DC)

Przemiata (zmienia krokowo) wartość wybranego źródła lub parametru w zadanym zakresie. Zastosowanie: Służy do wykreślania charakterystyk statycznych. Przykład: Wykres prądu diody I(U) lub charakterystyka przejściowa wzmacniacza (V_{wy} od V_{we}).

Analiza Zmiennoprądowa (. AC)

Analiza małosygnałowa w dziedzinie częstotliwości. Linearyzuje obwód w punkcie pracy. Zastswnie: Wykreślanie charakterystyk częstotliwościowych (Bode plot) – np. pasmo przenoszenia filtrów czy wzmacniaczy. Wada: Nie widzi nieliniowości (zniekształceń).

Analiza Czasowa (. TRAN)

Co robi: Analiza wielkosygnałowa w dziedzinie czasu (jak oscyloskop). Rozwiązuje równania różniczkowe krok po kroku. Zastosowanie: Obserwacja kształtu sygnału, zniekształceń, stanów nieustalonych i procesów nieliniowych

Różnica AC vs TRAN

AC: Szybka, idealna do badania pasma przenoszenia (filtry, wzmacniacze), ale zakłada liniowość (nie pokaże znksztłcń). TRAN: Wolna, ale pokazuje prawdę o nieliniowościach (obcinanie sinusoidy, znksztłcna skrośne). Używamy, gdy ważny jest kształt sygnału.

Symulacja Mieszacza na diodach

Analizą. AC. Dlaczego: Mieszanie to proces ściśle nieliniowy (powstawanie nowych częstotliwości). Analiza AC linearyzuje diody (zastępuje je rezystorem dynamicznym), więc na wyjściu nie pojawią się nowe częstotliwości. Trzeba użyć. TRAN.

Wiarygodność symulacji

Przede wszystkim od dokładności modeli elementów (bibliotek). Jeśli model tranzystora jest słaby, wynik będzie błędny. Inne czynniki: Ustawienia zbieżności (tolerancje), wybrany krok czasowy w analizie TRAN (zbyt duży krok = kanciasty wykres i błędy)

Problemy trudne do symulacji SPICE

Pasożyty montażowe: Pojemności ścieżek, sprzężenia między cewkami (chyba że sami je dodamy do schematu). Wzajemne nagrzewanie się elementów na płytce (stała temp dla wszystkich w zwkłm SPICE). Szumy i zakłócenia: Zewnętrzne pola EM wpływające na układ.

Struktura pliku SPICE (. cir)

Plik zawiera opis obwodu i instrukcje. Program nie rozróżnia wielkości liter. Ramy pliku: Pierwsza linia to zawsze tytuł (może być dowolny tekst). Ostatnia linia musi zawierać komendę. END. Kolejność linii w środku jest dowolna.

Definiowanie elementów

Każdy element musi mieć unikalną nazwę. Typ elementu: Pierwsza litera nazwy jest kluczowa i określa typ elementu (np. R dla rezystora, C dla kondensatora). Zasada: Po nazwie podajemy numery węzłów, a potem wartość.

Multimetr -

Podłączenie Pomiar napięcia: Równolegle do elementu (wymagana duża $R_{we}$). Pomiar prądu: Szeregowo (wymagana mała $R_{we}$), trzeba przerwać obwód! Pomiar rezystancji: Tylko na elemencie odłączonym od zasilania (multimetr sam podaje prąd testowy).

Oscyloskop Cyfrowy - Działanie Zasada

Działanie Zasada: Przetwornik A/C próbkuje napięcie w czasie. Co pokazuje: Wykres napięcia w funkcji czasu $U(t)$. Zastosowanie: Obserwacja kształtu przebiegu, pomiar amplitudy, okresu, częstotliwości, przesunięcia fazowego i szukanie zakłóceń.

Oscyloskop - Sprzężenie AC/DC

Sprzężenie DC: Pokazuje pełny sygnał (składowa stała + zmienna). Widzisz offset napięcia. Sprzężenie AC: Wstawia kondensator szeregowo. Odcina składową stałą. Używane do obserwacji małych tętnień (szumów) na dużym napięciu zasilania.

Wyzwalanie (Trigger)

Cel: Stabilizacja obrazu na ekranie. Działanie: Oscyloskop zaczyna rysować wykres (akwizycję) dopiero, gdy sygnał przekroczy ustawiony poziom napięcia (Level) przy konkretnym nachyleniu zbocza (Slope: narastające/opadające).

Rezystancja wewnętrzna (Efekt obciążenia)

Woltomierz: Idealny ma $R=\infty$. Rzeczywisty (np. $10M\Omega$) pobiera prąd i zaniża napięcie w obwodach wysokorezystancyjnych. Amperomierz: Idealny ma $R=0$. Rzeczywisty dodaje opór do obwodu, zmniejszając mierzony prąd.

Sonda 10:1 (Pasywna)

Co robi: Tłumi sygnał 10-krotnie. Po co: Zwiększa rezystancję wejściową (z $1M\Omega$ do $10M\Omega$) i zmniejsza pojemność wejściową sondy. Zaleta: Mniej obciąża badany układ, co jest kluczowe przy pomiarach wysokich częst

Pasmo przenoszenia (Bandwidth)

Definicja: Częstotliwość, dla której mierzona amplituda spada o 3dB (do ok. 70% wartości rzeczywistej). Reguła: Pasmo oscyloskopu powinno być co najmniej 3-5 razy większe niż częstotliwość mierzonego sygnału, aby nie zniekształcać zboczy.

Błąd bezwzględny

Różnica wartości rzeczywistej i zmierzonej: $\Delta x = |x_{rzeczywiste} - x_{zmierzone}|$. Błąd względny: Stosunek błędu bezwzględnego do wartości rzeczywistej w procentach: $\delta = \frac{\Delta x}{x_{rzeczywiste}} \cdot 100\%$

Rodzaje błędów i ich minimalizacja

Typy: 1. Systematyczne (zła metoda/przyrząd), 2. Przypadkowe (losowe wahania), 3. Grube (pomyłki). Minimalizacja: Kalibracja, stosowanie dokładniejszych przyrządów oraz wykonywanie pomiarów wielokrotnych.

Niepewność pomiarowa (Typ A i B)

Określa przedział, w którym leży wartość rzeczywista. Typ A: Wyznaczana statystycznie z serii pomiarów. Typ B: Wynika z dokładności przyrządu (karty katalogowej). Łączna: Pierwiastek sumy kwadratów: $u_c = \sqrt{u_A^2 + u_B^2}$.

Budowa złącza p-n (Nośniki)

Obszar n: Nośniki większościowe: elektrony. Mniejszościowe: dziury. Jony domieszki: dodatnie donory. Obszar p: Nośniki większościowe: dziury. Mniejszościowe: elektrony. Jony domieszki: ujemne akceptory.

Obszar zubożony (Powstawanie)

Mechanizm: Prąd dyfuzyjny elektronów i dziur pozostawia w obszarze granicznym nieruchome jony domieszek. Efekt: Powstaje warstwa ładunku przestrzennego (obszar zubożony) i pole elektryczne $E$ skierowane od $n$ do $p$, tworzące barierę potencjału.

Równowaga termodynamiczna złącza

Stan: Prąd dyfuzyjny (wynikający z różnicy stężeń) jest równoważony przez prąd unoszenia nośników mniejszościowych (wywołany polem elektrycznym bariery potencjału). Wypadkowy prąd wynosi zero.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia

Działanie: Zewn. pole elektryczne jest przeciwne do pola w złączu. Skutek: Bariera potencjału maleje, obszar zubożony się zwęża. Rośnie prawdopodobieństwo przejścia nośników większościowych $\rightarrow$ płynie duży prąd dyfuzyjny.

Polaryzacja w kierunku zaporowym

Działanie: Zewn. pole elektryczne jest zgodne z polem w złączu. Skutek: Bariera potencjału rośnie, obszar zubożony się rozszerza. Prąd dyfuzyjny zanika. Płynie tylko pomijalnie mały prąd unoszenia (wsteczny)

Dioda Prostownicza

Funkcja: Przewodzi prąd tylko w jednym kierunku (prostowanie). Główne parametry: Maksymalny prąd przewodzenia ($I_F$), maksymalne napięcie wsteczne ($U_R$), spadek napięcia w stanie przewodzenia oraz prąd upływu.

Wpływ temperatury na diodę

Wpływ temperatury na diodę

Dioda Prostownicza (Zasada działania)

Wykorzystuje własności złącza p-n do przepuszczania prądu tylko w jedną stronę. W kierunku przewodzenia bariera potencjału maleje (prąd płynie swobodnie), a w kierunku zaporowym bariera rośnie, blokując przepływ nośników.

Dioda Zenera (Zasada działania)

W kierunku przewodzenia działa standardowo. Specyficzna w kierunku zaporowym: po przekroczeniu napięcia przebicia ($U_Z$) gwałtownie zaczyna przewodzić prąd (przebicie lawinowe/Zenera), utrzymując na zaciskach stałe napięcie.

Dioda LED (Zasada działania)

Przyrząd półprzewodnikowy zamieniający energię elektryczną na świetlną (elektroluminescencja). Podczas przepływu prądu w kierunku przewodzenia następuje rekombinacja nośników, a wydzielana energia emitowana jest jako fotony.

Dioda Tunelowa (Zasada działania)

Posiada bardzo cienkie złącze i silne domieszkowanie. Dzięki kwantowemu zjawisku tunelowemu wykazuje w części charakterystyki ujemną rezystancję dynamiczną – w tym zakresie wzrost napięcia powoduje paradoksalny spadek prądu.

Parametry Diody Prostowniczej

U_R (Nap. wsteczne): Maks. napięcie "pod prąd", które dioda wytrzyma bez przebicia (zniszczenia). Prąd upływu: Śladowy prąd płynący, gdy dioda powinna być zamknięta. U_F (Spadek napięcia): Napięcie tracone na diodzie podczas pracy (zamieniane na ciepło).

Parametry Diody Zenera

$U_Z$ (Nap. Zenera): Stałe napięcie, jakie dioda utrzymuje na sobie w kierunku zaporowym (stabilizacja). $TKU_Z$: Mówi, jak zmienia się napięcie stabilizacji pod wpływem ciepła. Dla diod $<5V$ napięcie maleje z temperaturą, dla $>5V$ rośnie.

Parametry Diody LED

Długość fali: Decyduje o kolorze światła. Maks. nap. wsteczne: Dla LED jest krytycznie niskie (ok. 5V). Odwrotne podłączenie pod wyższe napięcie pali diodę! Skuteczność świetlna: Sprawność – ile światła otrzymujemy z 1 Wata energii.

Parametry Diody Tunelowej

Punkt Szczytu (I_P, U_P): Maksymalny prąd, po którym następuje jego nietypowy spadek. Punkt Doliny (I_V, U_V): Moment, w którym prąd przestaje spadać i zaczyna normalnie rosnąć. Rezystancja ujemna: Zakres między nimi, gdzie wzrost napięcia obniża prąd.

Dioda Zenera a Temperatura

Zależy od mechanizmu przebicia:<5V (Zener): Ciepło zmniejsza przerwę energetyczną > łatwiejsze tunelowanie > napięcie maleje (ujemny wsp.).>5V (Lawinowe): Ciepło zwiększa drgania sieci krystalicznej > hamuje elektrony > napięcie rośnie (dodatni wsp.).

Zjawisko Tunelowania

Zjwsk kwantowe polegające na przenikaniu cząstki (elektronu) przez barierę potencjału, mimo że ma ona za małą energię, by pokonać ją "górą". Bariera musi (złącze p-n) musi być bardzo cienka. Osiąga się to przez bardzo silne domieszkowanie półprzewodnika.