Linearna elektronika

Opis predmeta

Predmet podaja osnove linearnih elektronskih vezij na nivoju tranzistorjev. Na začetku ponovimo osnovne pojme (definicija linearne elektronike, komponente, delovna točka, odmik od delovne točke, fazorji, Théveninovo in Nortonovo nadomestno vezje, moč, prilagoditev bremena in prevajalna funkcija).

Sledi sklop o dvovhodnih vezjih, kjer spoznamo admitančne, impedančne in hibridne-h parametre ter pretvarjanje parametrov. Obravnavamo osnovne lastnosti dvovhodnih vezij, kot so napetostno in tokovno ojačenje, vhodna in izhodna admitanca, ojačenje moči, recipročnost, aktivnost, pasivnost, absolutna stabilnost in potencialna nestabilnost. Sledi razlaga orientacij tropola in postopek za preračun parametrov ob spremembi orientacije.

V naslednjem sklopu vpeljemo linearizirane modele osnovnih nelinearnih elektronskih komponent (dioda, Zenerjeva dioda, bipolarni tranzistor, MOSFET in spojni FET). Naučimo se izračunati delovno točko vezja na osnovi poenostavljenih nelinearnih karakteristik tranzistorjev. Vpeljemo pojem odmika od delovne točke in analizo za velike signale, iz katere izračunamo nelinearna popačenja. Ob predpostavki majhnih odmikov od delovne točke vpeljemo model vezja za majhne signale.

Sledi analiza orientacij bipolarnega tranzistorja in unipolarnih tranzistorjev (skupni emitor/izvor, skupna baza/vrata in skupni kolektor/ponor). Vsako orientacijo ilustriramo s tipičnimi vezji iz prakse. Sledi analiza večstopenjskih ojačevalnikov (kaskadna vezave ojačevalnih stopenj, Darlingtonova vezava, kaskodni ojačevalnik in diferencialni ojačevalnik).

Na osnovi prevajalne funkcije vpeljemo pojem spodnje frekvenčne meje ojačevalnika. Nato razložimo nelinearni kondenzator in njegov model za majhne signale ter ga ilustriramo z lineariziranim modelom diode. Podamo modele tranzistorjev, ki veljajo za frekvenčno področje od enosmernih razmer pa do visokih frekvenc. Vpeljemo Millerjevo preslikavo in izpeljemo zgornjo frekvenčno mejo ojačevalnika za različen orientacije tranzistorja.

Sledi sklop o modeliranju in analizi šuma. Na osnovi opisa šuma v frekvenčnem prostoru (spekter gostote moči) podamo šumne modele elektronskih komponent za majhne signale. Modele uporabimo za izračun šuma na izhodu ojačevalnika.

Znanje o linearnih sistemih z negativno povratno vezavo dopolnimo z diagrami lege korenov, Nyquistovim diagramom in Nyquistovim kriterijem stabilnosti. Na osnovi slednjega vpeljemo fazni in amplitudni razloček.

Kot zadnji sklop obravnavamo sinusne oscilatorje, ki so izvedeni kot linearni sistemi s pozitivno povratno vezavo. Izpeljemo Barkhausenov pogoj in si ogledamo lego polov oscilatorja, na osnovi katere razložimo zagon oscilatorja in stabilizacija amplitude. Nato obravnavamo konkretne primere sinusnih oscilatorjev, kot so oscilatorji na osnovi faznega zasuka, LC oscilatorji in kvarčni oscilatorji.

Predmet učimo na programih

Cilji in kompetence

Cilj predmeta Linearna elektronika je študentu podati osnovna znanja potrebna za analizo, sintezo in vrednotenje linearnih elektronskih vezij. Študent se seznani z linearizacijo kot orodjem za analizo linearnih vezij izvedenih z nelinearnimi komponentami. Spozna orientacije tranzistorjev in vezave, ki se uporabljajo v linearnih vezjih, vpliv kapacitivnosti na spodnje in zgornje frekvenčne meje, osnove šumne analize, učinke povratne vezave, pojem stabilnosti vezija in siusne oscilatorje. Študenti pridobijo izkušnje z analiziranjem in meritvami linearnih vezij. Predmet daje teoretične osnove za delo na področju načrtovanja diskretnih in integriranih analognih elektronskih vezij.

Metode poučevanja in učenja

Na predavanjih so predstavljene teoretične osnove in rešitve preprostih primerov. Študentom je na voljo literatura s podrobno vsebino. V okviru laboratorijskih vaj analizirajo zahtevnejša vezja. Znanje poglobijo z meritvami različnih linearnih vezij.

Predvideni študijski rezultati

Po opravljenem izpitu naj bi študent znal:

računati z dvovhodnimi vezji,
linearizirati nelinearne elemente,
zgraditi in analizirati linearizirani model vezja,
izbrati ustrezno vezavo tranzistorjev za izvedbo ojačevalnika, napetostnega ali tokovnega vira,
analizirati vpliv kapacitivnosti na spodnje in zgornje frekvenčne meje vezja,
izračunati šum na izhodu,
analizirati vpezja s povratno vezavo,
analizirati linearne oscilatorje,
meriti osnovne lastnosti linearnih vezij.

Temeljni viri in literatura

Bűrmen, Á., Linearna elektronika, Založba FE, 2012.
Neamen, D. A, Microelectronics: circuit analysis and design, McGraw-Hill, 2010.