آموزش رایگان الکترونیک 3

مباحث این درس بیشتر به بررسی رفتار تقویت‌کننده‌ها در فرکانس‌های بالا می‌پردازد. محدوده فرکانسی این درس در حدی است که ابعاد مدار نسبت به طول موج کوچک‌تر است. در این درس تمرکز بر تحلیل تقویت‌کننده‌های مبتنی بر ترانزیستور دوقطبی است ولی مباحث مربوط به تقویت‌کننده‌های سیماسی هم مد نظر قرار می‌گیرند و مباحثی که این دو را از هم متمایز می‌کند بیشتر تشریح می‌شود. در تهیه این درس سعی شده‌است که هم تقویت‌کننده‌های گسسته و هم تقویت‌کننده‌های مدار مجتمع بررسی شوند. همچنین سعی شده به ذکر نکات عملی و چالش‌هایی که در عمل با آن روبه‌رو می‌شویم پرداخته شود. با توجه به اهمیت نقش استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌ساز در طراحی مدارات الکترونیکی سعی شده‌است که اغلب مدارت معرفی شده در درس با نرم‌افزار اسپایس شبیه‌سازی و نتایج در حین درس ارائه و مدارهای مشابه با هم مقایسه شوند.

در فصل اول پس از یک مرور کوتاه بر فیزیک ترانزیستورها، ابتدا مدل فرکانس بالای ترانزیستورهای دو قطبی و ماسفت به دست می‌آید. سپس تقویت‌کننده‌های امیتر مشترک، بیس مشترک و کلکتور مشترک بررسی می‌گردند. همچنین روش ثابت زمانی صفر مرتبه اول و دوم معرفی می‌گردد. تقویت‌کننده‌های تفاضلی و بارهای فعال مبحث بعدی درس است و سپس مدارات داخلی تقویت‌کننده‌های عملیاتی در حد زمان محدود درس تشریح می‌شوند. تقویت‌کننده‌های عملیاتی تلسکوپی، فولدد کسکود و آینه جریانی در این قسمت بررسی می‌شوند و جهت حفظ تعادل در این قسمت بر خلاف جلسات پیشین تقویت‌کننده‌های سیماسی مد نظر قرار می‌گیرند. نکته قابل ذکر در این مجموعه آن است که فرض شده دانشجو با مفاهیم بار فعال و تقویت‌کننده‌های تفاضلی که درس الکترونیک 2 تدریس شده‌اند آشنایی کامل دارد و در اینجا تنها به یادآوری مباحث فوق پرداخته شده و تمرکز اصلی بر رفتار فرکانسی این تقویت‌کننده‌ها است.

در فصل دوم به‌اختصار اسیلاتورهای RC بررسی می‌شوند و اسیلاتورهای وین بریج، شیف فاز، متعامد و سه‌فاز بررسی می‌گردند. همچنین مقدماتی از بحث اسیلاتورهای LC نیز در حد معرفی اسیلاتور کلپیتس و هارتلی و روابط مربوط به این دو بدون پرداختن به آنالیز غیرخطی این مدارات ارائه می‌شود. سپس در فصل سوم پایداری تقویت‌کننده‌های فیدبک‌دار و روش‌های مختلف جبران‌سازی از قبیل جبران‌سازی میلری و افزودن صفر به شبکه فیدبک بررسی می‌گردد. در فصل سوم تأکید بر استفاده از نمودارهای «بود» است درحالی‌که در حد نیاز به مکان هندسی ریشه‌ها هم پرداخته می‌شود. دو تقویت‌کننده گسسته با دو توپولوژی مختلف در این فصل بررسی می‌گردند. همچون فصل قبل پس از بررسی مدارات گسسته به بررسی روش‌های جبران سازی تقویت‌کننده‌های مدار مجتمع همچون آپ‌امپ تلسکوپی، فولدد کاسکود و دو طبقه پرداخته می‌شود. فصل چهارم نیز به بررسی نویز حرارتی در تقویت‌کننده اختصاص دارد. در این فصل نویز حرارتی مقاومت، دیود و ترانزیستور معرفی می‌شود. همچنین مفاهیمی همچون نویز معادل در ورودی، نسبت سیگنال به نویز و اسپکتروم نویز ارائه می‌گردد. سپس تقویت‌کننده‌های یک طبقه و تقویت‌کننده کاسکود تشریح می‌شود و به‌اختصار نویز زوج تفاضلی بررسی می‌گردد.

 

مراجع درس:

1) Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C. (November 14, 2014). Microelectronic Circuits (7 ed.). Oxford, UK: Oxford University Press.

2) Razavi, Behzad, (Jan 2016), Design of Anaolg CMOS Integrated Circuits (2 ed.), McGraw-Hill.

3) Gray, P. R.,  Hurst, P. J., Ewiz, S and Meyer, R. (December 2011), Analysis and Design of Analog Integrated Circuits (5ed), Wiely, New York.

4) Gray, P. E. and Searle C. L., (1969), Electronic Principles: Physics, Models and Circuits. Wielly, New York.

 

پیش‌نیازها: کنترل خطی، الکترونیک 2، مدار 2

الکترونیک 3

با فراگیر شدن کرونا آموزش‌های مجازی در بین دانشجویان گسترش زیادی پیدا کرد. بسته آموزش الکترونیک 3 به مباحثی در الکترونیک می‌پردازد و در سه فصل رائه شده است. فصل اول که مهمترین فصل است پاسخ فرکانسی تقویت کننده‌ها است. البته بحث تقویت کننده‌ها در فرکانس‌های بالا مورد بررسی قرار گرفته و پاسخ به فرکانس‌های پایین در الکترونیک 2 آموزش داده شده است.

کتاب میکرو الکترونیک از مهم‌ترین مراجع این فصل است. اسیلاتورهای آر سی و مقدماتی بر آنها نیز در این فصل ارائه می‌شود. جبران سازی نیز از چندین منبع بیان می‌شود که مهم‌ترین آن کتاب گری است. نویز در مدارات مجتمع نیز در این فصل بیان می‌شود. به‌طور کلی در جلسه اول خلاصه‌ای از مهم‌ترین مطالب و منابع مورد استفاده در تدریس معرفی می‌شوند. مدل فرکانس بالای ترانزیستور دو قطبی یکی دیگر از مباحث الکترونیک 3 است. در این مدل رفتار ترانزیستور در یک محدوه معادل سازی یا شبیه سازی می‌شود. بحث ترانزیستورها مورد بحث و بررسی قرار گرفته و مدارهای مربوط به آن رسم می‌شوند.

اسیلاتورهای سینوسی آری سی همانگونه که از نامش پیداست مداری است که از برق مستقیم در موج سینوسی ساخته می‌شود. در این فصل مقاومت خازنی نیز مورد مطالعه قرار می‌گیرد. با استفاده از روشهای مختلف می‌توان موج سینوسی را تولید کرد. با روش مثلثی، مدارهای الکترونیکی و.. می‌توان موج سینوسی تولید کرد. در این فصل توضیح داده می‌شود که از نوسان درآمدن یک حلقه یک موج سینوسی تولید می‌شود.

حلقه بسته است و شرایط لازم برای نوسان آن مورد مطالعه قرار می‌گیرد. اگر در یک فرکانس فاز حلقه صفر باشد و قدر مطلق کابل شبکه در این فرکانس بزرگ‌تر از یک باشد وضعیت اسیلاتورها مورد بررسی قرار می‌گیرد. مبحث بعدی جبران سازی است که از کتاب گری مطرح می‌شود. آخرین بحث نیز نویز در مدارات مجتمع است که از کتاب رضوی گفته می‌شود.

مدل هدایت انتقالی:

وقتی تعداد ترانزیستورها زیاد باشد با کمک یک تقویت کننده که شامل چندین ترانزیستور است می‌توان تحلیل مدارهای بزرگ را آسان ساخت و مدار را به تعداد بلوک‌های کوچکتر تقسیم کرد.

مدل فرکانس بالای ترانزیستور دوقطبی:

در این مبحث مدل ترانزیستور دو قطبی مورد بررسی قرار می‌گیرد. مدل در اینجا به معنای رفتار ترانزیستور در یک محدوه ی شبیه سازی شده است و ترانزیستور عنصر فشرده به حساب می‌آید. طول موج بزرگتر از ابعاد مدار است. ترانزیستور NPN مورد بررسی قرار می‌گیرد که چگالی ناخالصی در آن زیاد است.

مدل فرکانس بالای ترانزیستور ماسفت:

در جلسه سوم از الکترونیک 3 مدل به‌دست آمده در فصل قبل و کاربردهای آن بررسی می‌شود.

تقویت کننده امیتر مشترک - قضیه میلر:

قضیه میلر به معادل سازی بخشی از مدارهای الکتریکی می‌پردازد و یکی از مباحث مهم الکترونیک 3 است. یک تقویت کننده در فرکانس بالا افت می‌کند. فرکانس پایین خازن‌های کوپلاژ و خازن‌های بای پس باعث افت فرکانس می‌شود. بررسی نوع خازن‌های مورد استفاده در ترانزیستورها در این بخش مورد بررسی قرار می‌گیرد.

تقویت کننده بیس مشترک:

یک نوع پیکر بندی دیگر از ترانزیستورهای پیوند دوقطبی یا BJT است. در این پیکربندی، ترمینال بیس ترانزیستور بین سیگنال ورودی و نیز سیگنال خروجی پایه‌ای مشترک داشته و به همین علت به آن تقویت کننده بیس مشترک یا به اختصار CB می‌گویند.

تقویت کننده کاسکود:

یکی از مباحث الکترونیک 3 تقویت کننده کسکود یا کاسکود است. یک تقویت‌کننده دوطبقه‌ای که یک طبقه امیتر مشترک ورودی و یک طبقه بیس مشترک را تغذیه می‌کند. تقویت کننده تفاضلی اختلاف ولتاژ بین پایه‌های ورودی را تقویت می‌کند. تقویت کننده‌ی مشترک با روش ثابت زمانی صفر یکی دیگر از مباحث مربوط به الکترونیک 3 است.

ترکیب تقویت کننده کلکتور مشترک و بیس مشترک:

تقویت کننده کلکتور مشترک باعث تولید ولتاژ خروجی در طول بار متصل به امیتر می‌شود که این ولتاژ خروجی، فازی یکسان با فاز سیگنال ورودی دارد. یکی دیگر از پیکربندی‌های مهم ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT) است که ولتاژ ورودی به ترمینال بیس متصل می‌شود و سیگنال خروجی از ترمینال امیتر ترانزیستور دریافت می‌شود.

می‌توان گفت که ترمینال کلکتور بین مدار ورودی و مدار خروجی مشترک است. این نوع پیکربندی را کلکتور مشترک (CC) می‌نامند؛ زیرا پایه کلکتور به‌صورت موثری از طریق منبع تغذیه به زمین متصل شده است.

تقویت کننده امیتر پیرو، مروری بر بار فعال، قطب و صفر آین جریان، تقویت‌کننده عملیاتی تلسکوپی، تقویت‌کننده عملیاتی فولدد کاسکود، تقویت‌کننده عملیاتی آینه جریانی و تقویت‌کننده دوطبقه از دیگر مباحث مربوط به درس الکترونیک 3 مکتب خونه هستند.

اسیلاتورهای RC:

اسیلاتورها ترکیبی از یک شبکه و یک تقویت کننده هستند. اسیلاتورها به‌دلیل اختلاف فاز بین طبقه‌های مختلف نوسان تولید می‌کنند. بایاس شدن تقویت کننده ترانزیستوری یک طبقه و ایجاد اختلاف فازی معادل 180 درجه بین فاز ورودی و خروجی یکی از بحث‌های مربوط به اسیلاتورهای RC و الکترونیک 3 است. اگر در یک مدار فیدبک کافی با تقویت کننده ترانزیستوری وجود داشته باشد فیدبک مثبت باعث می‌شود تا نوسان اسیلاتور ثابت بافی بماند.

مقدمه‌ای بر اسیلاتورهای و مقدمات جبران‌سازی:

مباحث مربوط به جبران سازی و اینکه سیستم‌های حلقه بسته و فیدبک که قطب‌های مزدوج داشته باشد و دو قطبی باشد؛ اگر قطب‌ها مزدوج بوده و در زوایه 45 نسبت به محور حقیقی باشند باعث آور شوت در منحنی و پاسخ پله می‌شوند. در تقویت کننده‌های یک قطبی ناپایدار نشده و پهنای باند زیاد می‌شود.

این دو قطب می‌توانند رفتار تقویت کننده را تحت تأثیر خود قرار دهند. در سیستم حلقه بسته ناپایدار می‌شود که فاز حلقه صفر شده و گین حلقه بزرگتر از یک است. جبران‌سازی تقویت‌کننده تلسکوپی، جبران‌سازی تقویت‌کننده سه‌طبقه، جبران‌سازی به روش قطب غالب، جبران‌سازی به کمک مکان هندسی ریشه‌ها، جبران‌سازی به کمک افزودن صفر به شبکه فیدبک، جبران‌سازی تقویت‌کننده دو‌طبقه و نرخ چرخش از دیگر مبحثی است که در الکترونیک 3 به آن پرداخته می‌شود.

مفاهیم اولیه نویز در مدارت الکترونیکی:

مدارات الکترونیکی باید به شکلی طراحی شوند که کمترین نویز را داشته باشند. بحث مربوط به مفاهیم اولیه نویز در مدارات الکتریکی موضوع فصل سوم درس الکترونیک 3 است که راه‌های شناسایی منبع نویز و بر طرف کردن آن را بررسی می‌کند. اینکه منبع نویز کدام قسمت‌ها بوده و چگونه می‌توان آنها را شناسایی کرد.

در یک مدار الکتریکی ورودی، خروجی و تقویت کننده می‌توانند نویز ایجاد کنند. به‌عبارت دیگر می‌توان گفت سیستم‌های الکترونیکی باید بتوانند در شرایط مختلف بخوبی کار کرده و نویز دیگر وسائل الکترونیکی روی آنها اثر نداشته باشد. از طرفی خود سیستم‌های الکتریکی باید به شکلی طراحی شود که قسمت‌های مختلف آن روی هم تداخل نداشته باشند.

منابع نویز برابر در ورودی، تقویت‌کننده سورس مشترک و بررسی نویز تقویت‌کننده گیت مشترک، سورس فالوور، کاسکود و تفاضلی نیز از دیگر موضوعاتی است که در الکترونیک 3 به آن پرداخته می‌شود.