Elektronica en EMC

Op deze pagina vindt u informatie over het vak Elektronica en EMC. Het vak 'elektronica en EMC' heb ik gevolgd als onderdeel van mijn opleiding elektrotechniek aan de Hanzehogeschool Groningen. We hebben de theorie behandeld aan de hand van het dictaat 'Elektronica en EMC' van Stefan van Sterkenburg en het boek 'Elektronica, Kunst en Kunde' van P. Horowitz en W. Hill.

Ruis

Ruis is een verschijnsel dat altijd aanwezig is en dat vooral een storende invloed heeft bij kleine signalen.

EMC

De EMC-richtlijnen zijn in 1995 ingevoerd en beschrijven aan welke eisen een elektronisch product moet voldoen wat betreft het veroorzaken van elektromagnetische storingen en storingsgevoeligheid.

Transistors en hun gedrag

Het basisgedarg van bipolaire transistors is waarschijnlijk al wel bekend (npn en pnp transistor). Onder andere het Miller gedrag en andere typen transistoren, FET's en MOSFET's zijn heel interessant.

Transistoren

"Elektronica, Kunst en Kunde", 2.19, 2.20 en H3

Capaciteit en het Miller-effect

Een belangrijk aspect dat belangrijke gevolgen heeft voor snelle schakelingen en hoogfrequente schakelingen is de aanwezigheid van capaciteiten in externe schakelingen en in de halfgeleiderovergangen zelf.

Miller-effect:
Het verschijnsel dat de ingangscapaciteit van een systeem (bijvoorbeeld een versterker) wordt vergroot door interne terugkoppeling in het systeem. De reële ingangscapaciteit is dus altijd groter dan deze die men aan de hand van de ingangsconfiguratie van het systeem zou verwachten.

Junctie- en belastingscapaciteit

Capaciteiten beperken de snelheid waarmee spanningen in een schakeling kunnen veranderen (de "slew rate") ten gevolge van de eindige impedantie van de signaalbron of de stuurstroom. Wanneer een capaciteit wordt aangestuurd vanuit een eindige bronweerstand, zien we het typische laad- en ontlaadgedrag van een RC-netwerk, terwijl we als de capaciteit wordt aangestuurd door een stroombron een golfvorm zien met een eindige stijgsnelheid (lineair stijgende of dalende spanning, "ramp"). De algemene richtlijn is dat het verkleinen van de bronweerstand en de capaciteit van de belasting, en het vergroten van de signaalstromen binnen een schakeling de boel sneller maken. We hebben echter met enkele subtiele effecten te maken in verband met de terugwerkingscapaciteit en de ingangscapaciteit. Laten we daar in het kort vast enige aandacht aan besteden.

Figuur 2.73:
Junctie- en belastingscapaciteiten bij een transistorversterker.

De schakeling van figuur 2.73 illustreert de meeste problemen die verbonden zijn met junctiecapaciteiten (= pn-overgangscapaciteit). De uitgangscapaciteit vormt in combinatie met de uitgangsweerstand R_L een tijdconstante (R_L omvat zowel de belastingsweerstand als de collectorweerstand, en C_L bevat zowel de junctiecapaciteit als de capaciteit van de belasting), die resulteert in een rolloff (afname van het signaalniveau) bij de frequentie f = ¹/₂πR_LC_L. Het­ zelfde verhaal geldt voor de ingangscapaciteit in combinatie met de bronimpedantie R_s.

Het Miller-effect

C_cb is echter een ander verhaal. De versterker bezit een of andere totale spanningsversterking G_v, zodat een klein ingangssignaal v_in aan de ingang in een Gv maal groter (en geïnverteerd) signaal op de collector (uitgang) resulteert. Dat betekent dat de signaalbron een stroom door C_cb ziet die G_v + l maal zo groot is als wanneer C_bc tussen basis en massa zou zijn aangesloten; met andere woorden: voor de berekening van de ingangs-kantelfrequentie gedraagt de terugwerkingscapaciteit zich als een condensator met een waarde van C_cb(G_v+1) tussen ingang en massa. Deze effectieve toename met C_cb staat bekend als het Miller-effect. Dit effect domineert vaak de frequentiekarakteristiek van versterkers, omdat een typische terugwerkingscapaciteit van 4 pF zich kan gedragen als een condensator van enkele honderden pF naar massa.

Er bestaan diverse manieren om het Miller-effect te omzeilen. In een geaarde-basisschakeling is het helemaal afwezig. Ook kunnen we de bronimpedantie die een geaarde-emitterschakeling aanstuurt, verkleinen door van een emittervolger gebruik te maken. Figuur 2.74 toont twee andere mogelijkheden. De verschilversterker (zonder collectorweerstand voor T₁) vertoont geen Miller-effect; we kunnen deze schakeling opvatten als een emittervolger die een geaarde-basisversterker aanstuurt. De tweede schakeling is de beroemde cascodeschakeling. T₁ is een geaarde-emitterversterker met R_L als collectorweerstand. T₂ is in het collectorcircuit opgenomen om te voorkomen dat de collectorspanning van T₁ kan variëren (waardoor het Miller-effect wordt geëlimineerd), terwijl de collectorstroom onveranderd naar de belasting wordt doorgegeven. V₊ is een bepaalde instelspanning, meestal een paar volt boven de emitterspanning van T₁, waardoor de collectorspanning van T₁ wordt vastgepind en de transistor in het actieve gebied werkt. De deelschakeling zoals die hier is getekend is niet volledig; we zouden voor de gelijkstroominstelling ofwel een ontkoppelde emitterweerstand en een basis-spanningsdeler kunnen toevoegen.

Figuur 2.74:
Twee mogelijkheden om het Miller-effect te vermijden. Mogelijkheid b is de cascodeschakeling.

...

 

Uitwerking toets EMC_14 van 23-1-2004

Opgave 1

Richtlijnen zijn verplicht en zijn vaak algemeen omschreven (bijv. "een product moet veilig zijn" of "elektronische producten mogen elkaar niet storen"). Normen zijn een uitwerking van de richtlijnen en geven gedetailleerd aan wat je kunt doen om te voldoen aan de richtlijnen (De normen die betrekking hebben op de EMC-richtlijnen geven bijv. aan wat de maximale emissie van een apparaat mag zijn)

Opgave 2

a) Overspraak via een gemeenschappelijke impedantie

b) De impedantie van de printspoor heeft voor 400MHz-signalen een orde grootte van:

X L = w L = 2 p f * (4cm*10nH/cm) = 100 W . De spanning over het printspoor is dan:

U=X L * I = 0.1V.

c) Circuit A en circuit moeten een eigen printspoor krijgen die naar de nul van de voeding loopt.

Opgave 3

a) Zie figuur. In deze figuur geldt:

S 1 = 4kT/R = 4.9*10 -24 A 2 /Hz

S 2 = 2qI = 2*1.6*10 -19 *2.2m = 7.07*10 -22 A 2 /Hz

I = (12-4.7)/3304=2.2mA

b) Er geldt :

S VDC = R 2 p * (S 1 + S 2 ) = 16* 7.12*10 -22 = 1.1*10 -20 V 2 /Hz

  Opgave 4

a) Zie figuur

b) Berekenen via superpositie:

- Twee meest linkse ruisbronnen kunnen samen genomen worden:

V uit = 22k*(stroombron 1 + stroombron 2)

S Vuit = 22k 2 *(7.4*10 -24 + 6.4*10 -25 ) = 3.9*10 -15 V 2 /Hz

- Onderste stroombron (van 6.4*10 -25 A 2 /Hz) heeft geen invloed (die is kortgesloten met de nul).

- Invloed van 3.6*10 -16 V 2 /Hz-bron:

S Vuit = 3.6*10 -16 V 2 /Hz

- De meest rechtse ruisbron (van 4*10 -16 A 2 /Hz) heeft geen invloed.

Dus totaal: S Vuit = 4.2*10 -15 V 2 /Hz

c) V 2 eff,signaal = 5m 2 * 10 2 = 0.0025V 2 , V 2 eff,ruis = 4.2*10 -15 * 100k = 4.2*10 -10 V 2

S/N = 10 * 10 log (0.025/4.2*10 -10 ) = 68dB

Opgave 5

a) 1.25V

b) Voor de constante k van de MOSFET geldt: k = 8mA/(2.5-V th) 2 = 5.12 mA/V 2

DC-instelling: V g = 15*3.9/(12+3.9) = 3.68V.

Verder geldt: I d0 = k*(V gs - V th ) 2 = 5.12m*(3.68-I d0 *2.2k-1.25) 2 = 24781*I d0 - 54.7*I d0 + 0.0302 à

24781*I d0 - 55.7*I d0 + 0.0302 = 0 à I d0 = 0.912mA à V uit0 = 15 - I d0 *8.2k = 7.52V

AC-gedrag: Er geldt: i d = S*v gs = S*(v g - i d *2.2k) à i d *(1+S*2.2k)=S*v g à i d = S*v g / (1+S*2.2k)

Hierin is: S = 2*?(I*k) = 4.3mS en v g = V in (immers f>>f -3dB = 795Hz)

We vinden dan: i d = 4.3m*0.1/(1+9.5)=41?*sin(?t) à v uit = -i d *8.2k = 0.34*sin(?t)

Totale oplossing wordt dan: V uit = 7.52 - 0.34*sin(?t)

Opgave 6

DC-instelling: I b = (0.8-0.6)/100k = 2 ? A à I c = ? *I b = 0.6mA à V uit0 = 12 - 0.3m*10k = 9V

AC-gedrag: Er geldt (Miller-capaciteit in rekening gebracht):

i b = v in / R b + j?C m *v uit en v uit = -i Rc *R c = -(j?C m *v uit + ?*i b )*R c = -?*v in /R b - j?C m *v uit *(?+1)R c à v uit *(1+ j?(?+1)*C m *R c ) = ?*v in *R c /R b = 30*v in /(1+jf/f 0 ) met f 0 = 1/(2?*(?+1)*R c *C m ) = 35kHz

a) Bij 1kHz vinden we: v uit = 30*0.1/(1+0.03j)=3 hoek -1.6 o .

Voor V uit geldt dan:V uit = 9 - 3*sin(?t-1.6 o )

a) Bij 1MHz vinden we: v uit = 30*0.1/(1+28.3j)=0.106 hoek -88 o .

Voor V uit geldt dan:V uit = 9 - 0.106*sin(?t-88 o )

© Copyright 2009 Roderik Emmerink, hosting en webdesign door Archytas.
Alle rechten voorbehouden |