1

AnaloogelektroonikaI loeng

SissejuhatusBaasteadmised

2

Loengute ülevaade

� Tutvutakse erinevate analoogelektroonika komponentidega� komponentide tööpõhimõte� kasutamine rakendustes� elementaarne elektriskeemide lugemise ja

koostamise oskus

� Teemad olemas eraldi dokumendis

Antud loengus tutvustatakse olulisemaid analoogelektroonika komponente (nii passiivsed nagu takistid, kondensaatorid ja dioodid, kui ka aktiivsed nagu näiteks transistorid ja operatsioonivõimendid)

Tutvustatakse nende elektroonikakomponentide üldist tööpõhimõtet ja sellest lähtuvaid kasutusvõimalusi erinevates rakendustes. Loengu läbinutel peaks tekkima ka elementaarne elektriskeemide lugemise ning koostamisoskus. See tähendab, et võiks skeemilt ära tunda olulisemad sõlmed näiteks filtri, diferentsastme jne., detailidesse laskumata.

Loengus räägitavad teemad on märksõnadena ära toodud eraldi dokumendis ja loengut kuulanu peaks antud märksõnadele reageerima mitte ainult rõõmsa äratundmisega vaid teadma ka nende märksõnade sisu

3

Loengute ülevaade

� baasteadmised� RCL ahelad� p-n siire, diood� bipolaarne transistor� vahelduvsignaali võimendamine� väljatransistorid� operatsioonivõimendid

Järgnevalt loengute sisust:Kõigepealt korratakse üle edaspidi vajalikud baasteadmised nagu näiteks laeng, vool, elektromotoorjõud, alalis- ja vahelduvsignaal.Seejärel korratakse/tutvustatakse lihtsaimaid passiivseid analoogelektroonikas kasutatavad komponente nagu takisti, kondensaator ja induktiivpool ning vaadeldakse alalissignaali ning vahelduvsignaali käitumist neil komponentidelSamuti tutvustatakse nende baasil realiseeritavaid funktsioonaalseid ahelaid nagu näiteks erinevaid filtreid või pinge- ja voolujagureid, mida saab kasutada nii iseseisvalt või edaspidi tutvustatavate keerulisemate ahelate koosseisus.Seejärel tutvustatakse puhtaid ja p ning n tüüpi legeeritud pooljuhte. Edasi juba p-n siiret vastavalt p ja n tüüpi pooljuhi kokkupuutepinnal ning antud siirdel baseeruvat seadet dioodi koos selle erinevate liikide ja rakendustega.Siis siirdutakse juba bipolaarse transistori tööpõhimõtte ning erinevate pingestamisviiside juurde ning edasi juba peamise rakenduse ehk vahelduvsignaali võimendamise juurde.Samuti tutvustatakse väljatransistore, nende eripära ja võimalikke rakendusiLõpuks tutvustatakse operatsioonivõimendeid, mis on tänapäeval peamised signaalide võimendamiseks kasutatavad elemendid. Natuke aega pühendatakse operatsioonivõimendi üldisele tööpõhimõttele ja omadustele ning seejärel juba kõikvõimalikele rakendustele nii võimendina, kui näiteks integraatori või komparaatorina.

4

Loengumaterjalid

Kohustuslik loengumaterjal:A.C. Fischer-Cripps. The Electron Companion, 2005.

Soovituslikud loengumaterjalidSmith. Electronics: Circuit and Devices, Third Edition. 1989.Millman, Grabel. Microelectronics, Second Edition. NY, 1988.Floyd. Electronic Devices, Second Edition. NY, 1984.Horowitz, Hill. The Art of Electronics. Cambridge, 1989.Lloyd. R. Fortney. Principles of Electronics. NY, 1987.A. Ots. Elektroonika praktikumi juhendid. Tartu, 1996.CD “ABC”” füüsikaraamatukogus.A. Ots. Telekommunikatsiooni aluste praktikumi tööjuhend II,

Tartu, 2004.internet ....

Antud loengu põhiõpik on toodud esimesena, see on suhteliselt lakooniline aga olulisem on seal ära toodud. Veel on olemas suur hulk erinevaid raamatuid, millest saab täiendavat informatsiooni.

Lõpuks on olemas ka internet, kus on olemas suur hulk näitlikku ja puust-ning-punaselt-ette materjali erineval raskustasemel.

5

Omandamise kontroll

� Kolm kontrolltööd� Teemadega …

� EksamTeemad eraldi dokumendislisatud on ka vastavate lehekülgede numbrid raamatus A.C. Fischer-Cripps “The Electronics Companion”, 2005

Eksamile tuleb neli küsimust/teemat

Antud loengute käigus tehakse kolm kontrolltööd, mis loodetavasti aitavad säilitada tähelepanu kogu semestri jooksul ja võimaldavad enda teadmisi kontrollida juba enne eksamit.

Loengute lõpus tuleb eksam, milles küsitavad teemad on toodud eraldi dokumendis. Eksamil on neli punkti, kus kontrollitakse mõne elektroonika komponendi kohta nii teoreetilisi teadmisi, kui ka elementaarset oskust antud komponenti kasutada ehk numbriline ülesanne.

6

Asjakohased füüsikalised mõisted

� Laeng� Elektriväli� Potentsiaal� Elektrivool� Takistus� Elektromotoorjõud

Antud loengu käigus korratakse üle olulisemad füüsikalised suurused ja mõisted, millega loengus ikka ja jälle kokku puututakse ehk siis …

7

Laeng ja elektriväli

� laeng C – kulon

� elektriväli

�������1��2��2

��������

+

+

��

1,60219·10-19 C

+ –+

� � �

�d

Elektrilaengule võib anda erinevaid definitsioone. Näiteks osakese omadust osaleda elektromagnetilises vastasmõjus või keha omadust mõjuda teisele laenguga kehale elektromagnetilise jõuga. Põhimõtteliselt sarnane massiga, mis näitab omadust mõjuda teistele massiga kehadele gravitatsioonilise jõuga.Eksisteerib elementaarlaeng, ehk väikseim võimalik laengu suurus. Antud laeng on olemas elektronil ja prootonil. Aatomites ja seega ka makroskoopilistes kehades on enamasti mõlemaid ühepalju ja seetõttu nende laeng on keskmiselt null (kuigi piisavalt detailseks minnes leidub piirkondi, kus laeng erineb nullist). Erinevalt massist eksisteerib kaks erinevat tüüpi laengut, mida konventsionaalselt nimetatakse negatiivseks ja positiivseks vastavalt sellele, kuidas nad teisi laenguid mõjutavad. Samuti eksisteerivad neutraalsed osakesed ja kehad.Coulumb’i seaduse järgi mõjub kahe elektrilaengu vahel jõud mis on võrdeline nende laengute suurusega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.Ühemärgilised laengud tõukuvad, erimärgilised laengud tõmbuvad.Elektriväli iseloomustab elektromagnetilist jõudu, mis mingis punktis mõjuks elementaarlaengule, kui see seal oleks (sõltumata sellest kas see laeng on seal või mitte).Elektriväli on aditiivne suurus ehk erinevate laengute poolt tekitatud väljad (mõjud) liituvad igas punktis.

8

Potentsiaalide vahe V – volt (J/C)

� Elektriväljas asuva laengu liigutamisel tehakse tööd

� laengu kohta tehtav töö on +�

�

+��������

�������������

� paralleelsete laetud plaatide korral on konstantse välja korral potentsiaalide vahe lineaarselt seotud plaatide vahelise kaugusega

+ + + + + +

– – – – – –

�

�/2

0

� �/2

Kui elektrivälja asetada vaba laeng, siis hakkab ta elektromagnetilise jõu mõjul liikuma ja laengu liigutamisel kaugusele d elektrivälja suunas tehakse tööd. Kui laeng liigub näiteks teiste osakestega põrkumisel aegajalt ka elektriväljaga risti, siis seda arvestama ei pea, nagu ikka on töö seotud vaid elektriväljaga (jõuga) samas suunas toimuva liikumisega.

Konkreetse elektrivälja korral sõltub laengule mõjuv jõud ja seega ka töö laengu suurusest proportsionaalselt. Seega suurema laengu korral on ka laengu liigutamiseks tehtav töö suurem.

Jagades elektrivälja abil laengu liigutamisel tehtava töö laengu suurusega, saame uue suuruse, mis ei sõltu enam laengust vaid ainult elektriväljast ja laengu liikumise vahemaast.

Antud suurust nimetatakse potentsiaalide vaheks ja tema ühikuks on V – volt.

Potentsiaalide vahe saab olla olemas ka siis, kui liikuvaid laenguid ei tegelikult ei ole ja ta iseloomustab “laengu liigutamise potentsiaali”.

Kui viia kahe paralleelse plaadi korral laengud ühelt plaadilt teisele, siis tekib plaatide vahele konstantne elektriväli E. Potentsiaalide vahe antud juhul on lineaarselt seotud plaatide vahelise kaugusega. Seega sama elektrivälja saamiseks on poole väiksema plaatide vahelise kauguse korral vaja ka poole väiksemat potentsiaalide vahet. (Mõtlemiseks: mis on põhjus, mis tagajärg?)

9

Juhid, isolaatorid ja pooljuhid

� ained koosnevad aatomitest� tuum ja elektronid

� aatomid tahkises seotud korrapärasesse võresse

� välise elektronkihi elektronid –kõige liikuvamad

� juhid – nõrgalt seotud

� isolaatorid – tugevalt seotud

� pooljuhid – vabanevad piisava energia korral

+–

––

–

–

–

–

valentselektronid

Ained (ka elektroonikas kasutatavad � ) koosnevad aatomitest. Aatomid jällegi positiivselt laetud tuumast ja tuuma ümbritsevatest elektronidest. Tuuma laeng on sama suur, kui elektronide laeng kokku ehk aatom on tervikuna neutraalne. Kuigi kvantfüüsika abil saab aatomite ehitust palju täpsemalt kirjeldada võib lihtsamate elektroonikaga seonduvate nähtuste kirjeldamisel piirduda mudeliga, kus elektronid on aatomite ümber kindlatel kaugustel orbitaalidel. mida kaugemal on elektron aatomist, seda nõrgemalt on ta aatomiga seotud ehk seda vähem energiat on vaja, et elektroni aatomist vabaneda. Aatomilähedastele kihtidele mahub aga vähem elektrone ja need täidetakse kõigepealt. Seetõttu on suuremate aatomite korral välimise kihi elektronid vabamad.Tahkistes on aatomid omavahel seotud (enamasti) korrapärasesse võresse. Sisemiste kihtide elektronid on siis endiselt seotud konkreetsete aatomitega, samas aga välimise kihi elektronid osalevad aatomite vaheliste sidemete loomises ning on vabamad. Neid välimise kihi elektrone tahkises nimetatakse valentselektronideks.Aineid võib vastavalt valentselektronide seotusele jagada kolmeks. Esimene rühm aineid ehk metallid on sellised, kus valentselektronid ongi vabad (antud tahkise piirides). Teises rühmas ehk isolaatorites on valentselektronid ka toatemperatuuril aatomitega tugevalt seotud ning vabad elektronid puuduvad. Kolmanda rühma moodustavad pooljuhid, kus valentselektronid on küll seotud, kuid juba toatemperatuuridel on arvestataval hulk elektronidel piisavalt energiat ning nad on juba vabad.

10

Elektrivool A – amper (C/s)

� näitab ajaühikus mingit piirkonda läbivat laengut

1 ���1�� 2 ���2��

++

+ +

+

+

––

–

––

� �

��2 ��� ���1��1� ��1������

�� ����2��2� ���2������

ruumala

� � � laengukandjate arv ruumala ühikus� � � ühe laengukandja laeng

������� ���� ����� �������1��1��1 ���2��2��2 �

���������üldiselt

+–

voolu suundVoolutihedus, A/cm2

Elektrivool näitab ajaühikus mingit piirkonda läbivat laengut. Olgu meil juhe läbilõike pindalaga S, millele on rakendatud elektriväli tugevusega E. laetud osakestele juhtmes mõjub välja tõttu jõud, mistõttu nad hakkavad liikuma. Positiivse laenguga osakesed välja suunas ja negatiivse laenguga osakesed vastupidises suunas väljaga. Kuna osakesed põrkavad omavahel ja ka neutraalsete aatomitega, siis saavutavad nad sõltuvalt elektrivälja tugevusele mingisuguse keskmise kiiruse. See keskmine kiirus on erinevate laengutele erinev ja sõltub laengu massist. Ajaühikus �t läbivad positiivsed osakesed keskmiselt teepikkuse l1 ja negatiivsed osakesed teises suunas teepikkuse l2. Selles ajaühikus läbib järelikult ka mingis fikseeritud kohas pinda S teepikkusega l1 määratud ruumalas asuv positiivne laeng Q+ ja teepikkusega l2 määratud ruumalas asuv negatiivne laeng Q-. Konkreetsed laengute suuruse sõltuvad ka positiivsete ühiklaengute ja negatiivsete ühiklaengute tihedustest (arvust) n1 ja n2. q1 ja q2 on siis vastavalt ühiklaengu suurused.Summaarne laeng, mis pinnaühikut S läbib, on nende kahe laengu summa. Kuna negatiivsed laengud liiguvad vastupidises suunas, kuid on ka vastupidise märgiga, siis kokkuvõttes laengud liituvad. Voolu, mis seda pinna läbib, saab jagades summaarse laengu ajaühikuga, mille jooksul see laeng pinna läbib. Ühikulist pinda läbivat voolu nimetatakse voolutiheduseks ja see sõltub positiivsete ja negatiivsete laengute tihedusest ning kiirustest. Kuigi voolust võtavad osa nii positiivsed, kui ka negatiivsed laengud (elektrijuhtides ainult negatiivsed), on kokkuleppeliselt voolu suunaks märgitud positiivsete laengute liikumise suund.

11

Takistus � – oom

� pinge rakendamisel vooluringi osale mõjub laengukandjatele elektriväli

� elektrivälja mõjul laengukandjad liiguvad kiirendusega

� põrgetel kiirus väheneb

� triivkiirus sõltub elektriväljast

� pinge tõstmisel kasvab vool proportsionaalselt pingega ��� �

soojus

���������

Oomi seadus

Pinge rakendamisel vooluringi osale mõjub selles vooluringis olevatele laengukandjatele elektriväli ja seega ka jõud. Vabad laengukandjad hakkavad selle jõu mõjul liikuma ja kuni nad teiste osakestega kokku ei põrka, liiguvad nad kiirendusega. Kui tegemist ei ole just vaakumiga, on selles vooluringi osas ka teisi laengukandjaid ja aatomeid millega laengukandjad aegajalt põrkuvad ja seetõttu saavutavad nad lõpuks teatud keskmise triivkiiruse millega nad välja mõjul liiguvad. Mida suurem on elektriväli, seda suurem on see triivkiirus.

Paljudel juhtudel kasvab triivkiirus ja seega ka vool pinge tõstmisel proportsionaalselt pingega, kuna elektriväli kasvab proportsionaalselt pinge.

Võrdetegur, mis seob voolu pingega, on sellisel juhul antud vooluringi osa jaoks konstantne ja seda nimetatakse takistuseks. Antud sõltuvust nimetatakse oomi seaduseks.

Põrgetel vooluringi osa neutraalsete aatomitega annavad laengukandjad osa enda energiat ära ja seetõttu toimub soojenemine.

12

Eritakistus � m

� mingi kindlast materjalist keha korral sõltub keha takistus konstantsel temperatuuril keha� pikkusest – � pindalast – �� materjalist – �

� materjali iseloomustav suurus � on eritakistus� sõltuvus vabade laengukandjate arvust ja vaba tee

pikkusest (mobiilsusest)

� sõltuvus ka temperatuurist

� � ����� � ��������

����� � ���� + +

++

+

+

�

�

l

�� ���� �1 � �����0��

Kindlast materjalist keha (vooluringi osa) korral sõltub selle keha takistus (ehk vool antud pingel) selle keha kujust ja temperatuurist. Kindlal temperatuuril sõltub keha takistus keha pikkusest (välja suunas), pindalast (juhtmel näiteks ristlõikepindalast) ja materjalist.

Materjali iseloomustav suurus on eritakistus, mis sõltub vabade laengukandjate arvust ja keskmisest vaba tee pikkusest. Need suurused on puhaste materjalide korral antud materjali jaoks konstantsed ja seega saab puhtast materjalist keha jaoks takistuse välja arvutada teades keha mõõtmeid. Laengukandja vaba tee pikkus on otseselt seotud mobiilsusega, mida enamasti kasutataksegi arvutustes.

Materjali eritakistus sõltub tegelikult ka temperatuurist ja elektrijuhtide jaoks võib sõltuvust temperatuurist lugeda lineaarselt vähenevaks. Temperatuurisõltuvust võib selgitada sellega, et kuigi keha moodustavad aatomid on kindlates punktides fikseeritud, võnguvad nad selle punkti ümber ja temperatuuri kasvades võnkumine suureneb. Seega on laengukandjatel kõrgematel temperatuuridel suurem tõenäosus põrgeteks ning nende keskmine vaba teepikkus väheneb ja takistus seega kasvab.

Eritakistuse pöördväärtus on juhtivus, mis iseloomustab keha võimet voolu juhtida.

13

Näiteid

Materjal ���� (���� cm) (20 ����C)hõbe 1,64 10-6vask 1,72 10-6alumiinium 2,83 10-6volfram 5,50 10-6

räni (1015cm- 3) 4

Elektronide kontsentratsioon 1–10 1022 cm-3

Materjal (C-1����-1)

plaatina 3,0 10-3vask 3,9 10-3volfram 4,5 10-3

100 �C kohta u. 0,5

Erinevate elektrijuhtide eritakistused võivad väga oluliselt erineda rääkimata pooljuhtidest ja isolaatoritest. Vabade elektronide ehk laengukandjate kontsentratsioon ruumalaühikus varieerub kuni suurusjärk ja lisaks varieerub ka nende liikuvus.

Parimate juhtide eritakistused on suurusjärgus mikro-oom sentimeetri kohta ja seega on näiteks ruutmillimeetrise ristlõikega kilomeetrise pikkusega juhtmete takistus suurusjärgus 0,1- 1 oomi.

Hõbeda eritakistus on üks väiksemaid, kuid kuna vase eritakistus on üsna lähedane ning vask on oluliselt odavam, kasutatakse sageli juhtmetena vaske. Alumiiniumi eritakistus on ka suhteliselt väike ja pikkade ning suure ristlõikega juhtmete korral kasutataksegi seetõttu alumiiniumit, mis on vasest veel odavam. Volframil, mida kasutatakse näiteks hõõgniidina, on eritakistus juba suurem.

Võrdluseks võib tuua ka pooljuhi räni eritakistuse, mis sõltub küll lisanditest, kuid on sageli näiteks 4 oom sentimeetrit ehk ligi miljon korda suurem.

Teises tabelis on toodud erinevate juhtide eritakistuste sõltuvused temperatuurist. 100 kraadisel temperatuuri tõusul suureneb nende takistus ligikaudu poole võrra.

14

Võimsus W – vatt (J/s)

� põrgetel muutub kineetiline energia soojuseks

� elektrienergia soojusenergiaks muutumise kiirus on takistusel eralduv võimsus

� konstantse pinge korral

� konstantse voolu korral

������ ��

�����!����

�����!� ��

Elektriväljas liikuvate vabade laengukandjate põrgetel aatomitega muutub laengukandjate kineetiline energia aatomite võnkumise energiaks ehk soojuseks.

Elektrienergia soojusenergiaks muutumise kiirus on takistusel eralduv võimsus, mis on võrdne takistusele rakendatud pinge ja takistit läbiva voolu korrutisega.

Arvestades oomi seadust saame, et mingil etteantud pingel on takistusel eralduv võimsus võrdeline pinge ruuduga ja pöördvõrdeline takistusega. Seega, mida väiksem takistus, seda suurem võimsus eraldub (elektripirnidel näiteks suurema võimsusega pirnidel väiksem takistus).

Konstantse voolu korral aga on eralduv võimsus võrdeline voolu ruuduga ja takistusega. Seega, mida suurem takistus seda rohkem võimsust eraldub.

15

Elektromotoorjõud V–volt

� Keemiline energia muundatakse elektrienergiaks

� positiivsed laengud – a ja negatiivsed laengud – c

� emj. – energia, mida keemiline element kulutab liigutades 1 C laengut c- sta- ni elemendi sees

lahtise vooluringi korral "#���$%

+–

+ –

++

+–

––

a c

Eelnevalt võib tekkida küsimus, kuidas ahelas pinget tekitada. Tavaliselt on kusagil ahela alguses olemas mingisugune energiaallikas, mis tekitab ahela otstel potentsiaalide vahe e. pinge. Patarei või aku korral kasutatakse elektrienergia saamiseks keemiline energia. Antud juhul liiguvad keemilise energia toimel positiivsed laengud ühe klemmi (a - anood) juurde ja negatiivsed laengud teise klemmi (c - katood) juurde. Seetõttu saab anood positiivse laengu ja katoodnegatiivse laengu ning anoodi ja katoodi vahele tekibki potentsiaalide vahe.

Keemilise elemendi elektromotoorjõuks nimetatakse (keemilist) energiat, mida keemiline element kulutab 1 kulonilise laengu liigutamiseks elemendi sees katoodist anoodini.

Lahtise vooluringi korral ongi pinge anoodi ja katoodi vahel võrdne keemilise elemendi elektromotoorjõuga.

16

Elektromotoorjõud

� Koormustakisti ühendamisel klemmidele selgub, et pinge a ja c vahel �$%� "#

� keemilise energia muundamine elektriliseks pole 100 % efektiivsusega

&� sisetakistus

suletud vooluringi korral

+ –a c

��

�&

positiivsed laengud

"#���$%�����&�

Kui keemilise elemendi klemmidel vahele ühendada takistus Rk ehk elektriahel sulgeda, selgub, et pinge a ja c vahel ei ole enam võrdne elektromotoorjõuga vaid on väiksem.

Keemilise energia muundamine elektriliseks pole 100 % efektiivsusega sest osa energiat kulub ka keemilises elemendis laengute liigutamiseks. Lahuse soojendamine ja laengu vahetamine klemmidel.

Keemilise elemendi poolt voolule rakendatavat takistust nimetatakse sisetakistuseks. Põhimõtteliselt on ka teiste elektromotoorjõuallikate korral olemas suurem või väiksem sisetakistus, mistõttu jääb pinge emj. allika otstel väiksemaks elektromotoorjõust.

Seetõttu tuleb elektromotoorjõuallikat sisaldava suletud vooluringi jaoks oomi seadust modifitseerida arvestades ka sisetakistust.

Antud oomi seadusest on näha, et mida suurem on emj. allika sisetakistus, seda väiksem on klemmipinge sama voolu korral.