Sähkötekniikka ja elektroniikka Alustava sisällysluettelo c TkT Kimmo Silvonen Teknillinen korkeakoulu Teoreettisen sähkötekniikan laboratorio PL 3000, 02015 TKK kimmo@aplac.hut.fi versio 4.6.2003
2 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 3 Sisältö Alkusanat 16 Sähkötekniikan ja piiriteorian varhaishistoriaa 20 I Sähkötekniikka ja piiriteoria 23 1 Piirianalyysi 25 1.1 Jännite, virta ja Kirchhoffin lait.... 25 1.1.1 Sähkövirta ja Kirchhoffin virtalaki... 25 1.1.2 Keskitetyt komponentit.... 28 1.1.3 Potentiaaliero ja Kirchhoffin jännitelaki..... 28 1.1.4 Jännitteen ja virran mittaaminen.... 31 1.2 Vastus ja resistanssi..... 33 1.2.1 Ohmin laki..... 33 1.2.2 Siemensin laki ja konduktanssi eli johtokyky... 35 1.2.3 Resistanssin mittaaminen... 35 1.3 Tasavirran teho ja energia... 36 1.3.1 Tehon ja energiankulutuksen laskeminen.... 36 1.3.2 Hyötyteho ja tehohäviöt... 38 1.4 Virtapiirien peruskäsitteitä...... 38 1.4.1 Sarjaankytkennässä sama virta..... 38 1.4.2 Rinnankytkennässä sama jännite.... 38 1.4.3 Tähti- ja kolmiokytkentä... 39 1.4.4 Kytkin, suljettu tai avoin piiri, oikosulku..... 39 1.4.5 Napa, portti, maa... 40 1.5 Yleisiä piirirakenteita.... 41 1.5.1 Vastusten sarjaankytkentä... 41 1.5.2 Vastusten rinnankytkentä... 41 1.5.3 Jännitteen jako... 42 1.5.4 Virran jako..... 43 1.5.5 Tähti kolmio-muunnos ja kolmio tähti-muunnos..... 43 1.6 Jännite- ja virtalähteet.... 46 1.6.1 Piirrosmerkit.... 46 1.6.2 Jännite- ja virtalähteen ero... 47 1.6.3 Käytännön jännite- ja virtalähteitä... 48 1.6.4 Lähteiden sarjaan- ja rinnankytkentä... 50 1.6.5 Lähteiden luovuttama tai nielemä teho...... 51
4 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 1.7 Lähdemuunnokset...... 52 1.7.1 Jännitelähde virtalähde-muunnos... 52 1.7.2 Ideaalisten lähteiden muuntaminen... 53 1.7.3 Lähteiden monistaminen... 54 1.8 Ohjatut jännite- ja virtalähteet.... 57 1.8.1 Ohjattu vai riippumaton lähde..... 57 1.8.2 Jänniteohjattu jännitelähde, VCVS... 57 1.8.3 Virtaohjattu jännitelähde, CCVS.... 58 1.8.4 Jänniteohjattu virtalähde, VCCS.... 58 1.8.5 Virtaohjattu virtalähde, CCCS..... 59 1.8.6 Gyraattori vaihtaa virran ja jännitteen rooleja...... 60 1.8.7 Resistanssin laskeminen jännitteen ja virran avulla... 62 1.9 Piiriteoreemoja... 63 1.9.1 Resiprookkisuus eli vastavuoroisuus ja bilateraalisuus...... 63 1.9.2 Tellegenin teoreema..... 65 1.9.3 Théveninin ja Nortonin teoreemat... 67 1.9.4 Piirin lineaarisuuden hyödyntäminen..... 70 1.9.5 Superpositioperiaate eli kerrostamismenetelmä..... 71 1.10 Piirianalyysimenetelmien esittely... 73 1.10.1 Kirchhoffin lakien systemaattinen soveltaminen..... 73 1.10.2 Peruslakimenetelmä..... 76 1.10.3 Haaravirtamenetelmä ja silmukkamenetelmä...... 77 1.10.4 Solmujännitemenetelmä ja solmumentelmä... 77 1.10.5 Modifioitu solmumenetelmä...... 78 1.11 Systemaattiset piirianalyysimenetelmät..... 79 1.11.1 Silmukkamenetelmä..... 79 1.11.2 Matriisimuotoisen yhtälön käsittely...... 82 1.11.3 Solmumenetelmä... 85 2 Passiiviset komponentit, sähkötekniikan materiaalit ja sähkömagnetiikka 89 2.1 Vastus, resistanssi ja johtavuus.... 89 2.1.1 Johdekappaleen resistanssi... 89 2.1.2 Resistanssin lämpötilariippuvuus... 92 2.1.3 Hehkulampun erittäin epälineaarinen resistanssi..... 93 2.1.4 Vastuksen ja vahvistimen kohina.... 94 2.1.5 Resistanssi suurilla taajuuksilla, ahtautuminen, tunkeutumissyvyys..... 95 2.1.6 Komponenttien standardiarvot..... 96 2.1.7 Komponenttien värikoodit... 96 2.1.8 Varistori, jännitteestä riippuva vastus..... 97 2.1.9 Termistori, lämpötilasta riippuva vastus.... 97 2.2 Kela, induktanssi ja permeabiliteetti...... 98 2.2.1 Kelan jännite, virta ja energia..... 98 2.2.2 Lieriökäämin induktanssi ja magneettikenttä......101 2.2.3 Para-, dia- ja ferromagneettiset aineet, hystereesi....102 2.2.4 Reluktanssi ja magneettipiirit.....104 2.2.5 Lävistyslaki ja muita magneettikentän kaavoja.....105 2.2.6 Lyhyen lieriökäämin induktanssi....107 2.2.7 Suoran parijohdon ja koaksiaalikaapelin induktanssi...108 2.3 Kondensaattori, kapasitanssi ja permittiivisyys.....110 2.3.1 Konkan jännite, virta ja energia....110
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 5 2.3.2 Tasokondensaattori ja sähkökenttä...113 2.3.3 Suoran parijohdon ja koaksiaalikaapelin kapasitanssi...117 2.3.4 Johdepallon kapasitanssi...118 2.4 Memristori se pitäisi keksiä....118 2.5 Siirtojohto, pitkä johto...119 2.5.1 Ominaisimpedanssi on jännitteen ja virran suhde.....119 2.5.2 Aaltoyhtälö, aalto ajan ja paikan funktiona...120 2.5.3 Etenemisnopeuden ja ominaisimpedanssin laskeminen......122 2.5.4 Koaksiaalijohto ja parijohto...... 123 2.5.5 Heijastus- ja läpäisykerroin...124 2.5.6 Edestakaiset heijastukset...127 2.6 Sinimuotoiset aallot..... 129 2.6.1 Häviötön siirtojohto..... 129 2.6.2 Häviöllinen siirtojohto....132 2.6.3 Seisovan aallon suhde SAS...133 2.6.4 Smithin kartta.... 135 2.6.5 Siirtojohtopiirin sovittaminen..... 139 2.6.6 Tasoaallot ja siirtojohtoanalogia....141 2.7 Sähkömagnetiikan matemaattinen perusta...142 2.7.1 Ampèren ja Biot-Savartin lait, vektoripotentiaali.....142 2.7.2 Maxwellin yhtälöt...... 143 2.7.3 Virtauskentän, magneettikentän ja sähkökentän analogia.....145 3 Muutosilmiöt virtapiireissä 147 3.1 Muutosilmiöiden käsittely differentiaaliyhtälöillä....147 3.1.1 Reaktiiviset komponentit...147 3.1.2 Kondensaattorin varaaminen...... 148 3.1.3 Differentiaaliyhtälö ja yrite...148 3.1.4 Vakioiden määrittäminen, reunaehdot...... 149 3.1.5 Aikavakio määrää muutosilmiön nopeuden...151 3.1.6 Kondensaattorin varauksen purkaminen.....153 3.1.7 Kelan kytkeminen piiriin...155 3.1.8 Kelan energiavaraston purkaminen...156 3.1.9 Diracin deltafunktio on häiriöpiikki...157 3.1.10 RLC-piirien muutosilmiöt...158 3.2 Laplace-muunnos sähkötekniikassa...162 3.2.1 Merkintätavat ja taustaa...162 3.2.2 Komponenttien Laplace-muuntaminen...... 163 3.2.3 Yksikköaskel ja impulssifunktio....166 3.2.4 Laplace-muunnoskaavat ja osamurtokehitelmä...... 167 3.2.5 1. kertaluvun differentiaaliyhtälöt...168 3.2.6 2. kertaluvun differentiaaliyhtälöt...170 3.2.7 Impulssifunktio ja jännite- tai virtapiikki....173 3.2.8 Pulssien ja aaltomuotojen käsittely...174 3.2.9 Laplace-muunnoksen ja osoitinlaskennan ero...176 3.2.10 RC-alipäästösuodatin vai integraattori...... 178 3.2.11 Théveninin menetelmä ja Laplace-muunnos...178 3.3 Fourier-sarja, Fourier-muunnos ja z-muunnos......180 3.3.1 Fourier-sarjan laskeminen...180 3.3.2 Fourier-muunnos ja z-muunnos....185
6 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 4 Vaihtovirtapiirit 187 4.1 Jaksolliset vaihtovirrat...187 4.1.1 Tehollisarvo, keskiarvo ja tasasuuntauskeskiarvo....187 4.1.2 Sinimuotoinen virta ja jännite.....191 4.1.3 Sinin hetkellisarvoilla laskeminen...193 4.2 Osoitinlaskenta, kompleksiluvut...194 4.2.1 Yleistä höpinää...194 4.2.2 Koordinaatistomuunnokset...197 4.2.3 Kompleksilukujen laskusääntöjä....200 4.2.4 Sinimuotoinen virta vastuksessa, kelassa ja kondensaattorissa...203 4.2.5 Impedanssi Z, admittanssi Y ja yleistetty Ohmin laki...205 4.2.6 Osoitindiagrammi...... 209 4.2.7 Useita taajuuksia samanaikaisesti...210 4.3 Resonanssipiirit...212 4.3.1 Yleistä...212 4.3.2 Sarjaresonanssi...212 4.3.3 Rinnakkaisresonanssi..... 214 4.3.4 Resonanssitaajuuden laskeminen, yleinen tapaus....216 4.3.5 Kidekone...... 221 4.3.6 Resonanssipiirit suodattimissa, kvartsikiteet...223 4.3.7 Resonanssipiirin hyvyysluku eli Q-arvo....224 4.4 Vaihtovirran teho ja kompleksinen teho....227 4.4.1 Hetkellinen teho vai keskimääräinen teho...227 4.4.2 Näennäisteho, pätöteho, loisteho ja tehokerroin.....229 4.4.3 Kompensointikondensaattorin mitoittaminen...... 236 4.4.4 Tehosovitus..... 237 4.5 Mittasillat tarkkuusmittauksiin....240 4.5.1 Tasapainoyhtälö...241 4.5.2 Tasavirtasillat, Wheatstone ja Thomson....242 4.5.3 Vaihtovirtasillat...243 4.5.4 Wienin silta ja Wienin silta -oskillaattori....244 4.6 Muuntajat..... 247 4.6.1 Sovelluskohteita...247 4.6.2 Käämien induktanssi ja keskinäisinduktanssi......248 4.6.3 Muuntajayhtälöt yleisessä tapauksessa..... 249 4.6.4 Kytkentäkerroin...250 4.6.5 Muuntajan sydän...250 4.6.6 Muuntaja sinimuotoisessa tapauksessa..... 251 4.6.7 Muuntajan T-sijaiskytkentä...255 4.6.8 Käämien sarjaankytkentä ja rinnankytkentä...256 4.6.9 Ideaalimuuntaja ja muuntosuhde....257 4.6.10 Impedanssimuuntaja..... 258 4.6.11 Muuntajan sijaiskytkentä suurilla tehoilla...261 4.6.12 Ohjattuihin lähteisiin perustuva muuntajan piirimalli...264 4.6.13 Muuntaja silmukka- ja solmumenetelmässä...265 4.7 Kolmivaihejärjestelmä...266 4.7.1 Yksivaihe- ja kolmivaihejärjestelmät...... 266 4.7.2 Kolmiokytkentä ja tähtikytkentä....267 4.7.3 Symmetrinen kolmivaihejärjestelmä...... 268
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 7 4.7.4 Kolmivaihejärjestelmän vakaa tehonsiirto....271 4.7.5 Kolmivaiheisen tehon mittaaminen...271 4.7.6 Yksivaiheinen sijaiskytkentä...... 273 Sähkömoottoreiden ABC 281 Tämä luku on poistettu......281 5 Piirisimulointiohjelmat 283 5.1 Yleistä...283 5.2 APLAC......284 5.2.1 APLACin Windows-version käyttöohje.....284 5.2.2 Syöttötiedoston kirjoittaminen ja dc-analyysi...285 5.2.3 Virran laskeminen APLACilla.....286 5.2.4 Tavallisimmat komponentit...287 5.2.5 Jatkuvan tilan ac-analyysi...291 5.2.6 Taajuusvasteen piirtäminen...291 5.2.7 Aika-alueanalyysi eli transienttianalyysi..... 293 5.2.8 Säädettävät komponenttiarvot..... 294 5.2.9 Optimointi tekee työn puolestasi....295 5.2.10 APLAC ohjelmoitavana funktiolaskimena....296 II Elektroniikka 299 6 Diodi 301 6.1 Diodityypit.... 301 6.1.1 Ideaalidiodi..... 301 6.1.2 Puolijohdediodi ja pn-liitos...302 6.1.3 Zenerdiodi..... 309 6.1.4 Varaktori eli kapasitanssidiodi.....313 6.1.5 Led ja fotodiodi...313 6.1.6 Schottky-diodi...314 6.1.7 Muita diodeja.... 316 6.2 Diodin matemaattinen käsittely....316 6.2.1 Jännitteen ja virran laskeminen.....316 6.2.2 Newton Raphson-iterointi...318 6.2.3 Piensignaalianalyysi, staattinen ja dynaaminen resistanssi....321 6.2.4 Paloittain lineaariset sijaiskytkennät...328 6.2.5 Chuan diodi ja kaaosteoria...330 6.3 Diodi APLACissa...... 332 7 Tasasuuntaajat ja teholähteet 337 7.1 Puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntaus...... 337 7.2 Tasasuunnatun jännitteen spektri...339 7.3 Huipputasasuuntaaja.... 340 7.3.1 Aaltomuodot.... 340 7.3.2 Likimääräinen analyysi.... 341 7.3.3 Tarkempi matemaattinen analyysi...344 7.4 Lineaariset teholähteet...346 7.4.1 Yleistä...346
8 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 7.4.2 Rinnakkais- ja sarjaregulointi.....347 7.4.3 Regulaattorimikropiirit.... 349 7.4.4 Regulaattorin lähtövirran kasvattaminen....352 7.4.5 Regulaattorin jännitteensäätö...... 355 7.4.6 Vakiovirtalähde...357 7.5 Hakkuriteholähteet..... 358 7.5.1 Etuja ja haittoja...358 7.5.2 Hakkureiden perusrakenteiden analyysi....358 7.5.3 Step-down eli buck (forward).....359 7.5.4 Step-up eli boost...366 7.5.5 Buck-boost eli invertteri...370 7.5.6 Hakkuriteholähteet käytännössä....373 7.6 Jäähdytyslevyn mitoitus...376 8 Bipolaaritransistori 379 8.1 Transistorin rakenne ja toiminta, virtavahvistus....379 8.2 Transistorin toiminta tasavirralla...382 8.2.1 Toimintapisteen laskeminen...... 382 8.2.2 Yhtälöt ja ominaiskäyrät...385 8.2.3 Takaisinkytkennän vaikutus toimintapisteeseen.....391 8.2.4 Transistori kytkimenä, sulkutilassa ja kyllästyneenä...393 8.2.5 Ebers Moll-sijaiskytkentä...397 8.3 Transistori signaalinkäsittelyssä...400 8.3.1 Taylorin sarja ja piensignaalianalyysi.....400 8.3.2 Hybridi π-sijaiskytkentä ja transkonduktanssi...... 401 8.3.3 T-sijaiskytkentä...403 8.3.4 Transistorin h-parametrit...403 8.3.5 Millerin teoreema...410 8.3.6 Transistorivahvistimen graafinen analyysi...410 8.3.7 Yksitransistoristen vahvistinasteiden päätyypit.....414 8.3.8 Puskurivahvistin...416 8.4 Transistori APLACissa...418 8.5 Transistorin SPICE-malli...423 9 Kanavatransistorit 425 9.1 FET-tyypit..... 425 9.2 Mosfetit......426 9.2.1 Avauskanavatransistori, e-tyyppinen mosfet...426 9.2.2 Avauskanavatransistorin ominaiskäyrät....428 9.2.3 Fettien virtayhtälöt......429 9.2.4 Kanavanpituusmodulaatio...430 9.2.5 Sulkukanavatransistori, d-tyyppinen mosfet...431 9.2.6 Sulkukanavatransistorin ominaiskäyrät....432 9.3 Liitoskanavatransistori, JFET..... 433 9.3.1 Rakenne ja ominaiskäyrät...433 9.3.2 GaAs-MESFET...434 9.4 Fettien matemaattinen käsittely....435 9.4.1 Jännitteiden ja virtojen positiiviset suunnat...435 9.4.2 DC-analyysi ja tasavirtasijaiskytkentä.....435 9.4.3 Piensignaalianalyysi ja piensignaalisijaiskytkentä....442
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 9 9.4.4 Signaalin säröytyminen fetissä, transistorissa ja elektroniputkessa.....447 9.4.5 Body-efekti..... 449 9.4.6 FET säädettävänä vastuksena.....451 9.4.7 FET kytkimenä...452 9.5 Kanavatransistorit APLACissa....454 10 Operaatiovahvistin ja muut mikropiirit 457 10.1 Mikropiirien luokittelu...457 10.2 Operaatiovahvistin..... 459 10.2.1 Ideaalinen operaatiovahvistin..... 459 10.2.2 Lineaarinen toiminta ja operaatiovahvistinmies ;-)....461 10.2.3 Negatiivinen takaisinkytkentä säätelee vahvistimen toimintaa...462 10.2.4 Käytännön operaatiovahvistin..... 464 10.3 Operaatiovahvistimen peruskytkentöjä..... 465 10.3.1 Invertoiva vahvistin...... 465 10.3.2 Summausvahvistin...... 466 10.3.3 Aktiivinen ylipäästösuodatin...... 467 10.3.4 Ei-invertoiva vahvistin....469 10.3.5 Jännitteenseuraaja...... 470 10.3.6 Lähtövirran kasvattaminen...472 10.4 Operaatiovahvistin signaalinkäsittelyssä....473 10.4.1 Symmetrointivahvistin.... 473 10.4.2 Instrumentointivahvistin...474 10.4.3 Erotusvahvistin...476 10.4.4 Negatiivisen resistanssin simulointi...477 10.4.5 Vakiovirtalähde...478 10.4.6 Integraattori..... 479 10.4.7 Derivaattori..... 480 10.4.8 Logaritminen vahvistin.... 482 10.4.9 Antilogaritmivahvistin ja analoginen kertoja...482 10.4.10 Tasasuuntaus.... 483 10.4.11 Sakara-aalto-oskillaattori...484 10.4.12 Jänniteohjattu oskillaattori, VCO...485 10.5 Audiosovelluksia...... 486 10.5.1 Äänensävynsäädin...... 486 10.5.2 Äänirasian RIAA-esivahvistin..... 489 10.5.3 Ekvalisaattori eli taajuuskorjain....490 10.6 Operaatiovahvistimen epäideaalisuuksia....492 10.6.1 Offset-jännite sekä bias- ja offset-virta......492 10.6.2 Lähtöjännitteen muutosnopeus slew rate...493 10.6.3 Vaimennussuhteet CMRR ja PSRR...494 10.6.4 Jännite- ja virtakohina....495 10.6.5 Äärellinen jännitevahvistus, tulo- ja lähtöresistanssi...496 10.7 Operaatiovahvistin APLACissa.... 499
10 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 11 Kaksiportit, ideaalivahvistimet, takaisinkytkentä 503 11.1 n-porttiparametrit......503 11.1.1 Kaksiportti on musta laatikko....503 11.1.2 Eri parametriesitykset....504 11.1.3 z-parametrit.....505 11.1.4 y-parametrit.....508 11.1.5 ABCD eli ketjuparametrit K...509 11.1.6 Käänteiset ketjuparametrit K...512 11.1.7 Hybridi- eli h-parametrit...512 11.1.8 g-parametrit.....513 11.2 Sirontaparametrit...... 514 11.2.1 S- jat -parametrit...... 514 11.2.2 S-parametrien laskeminen...515 11.2.3 Passiivisten komponenttien S-parametrit...516 11.2.4 T -parametrien laskeminen...517 11.2.5 Vuokaavio..... 519 11.2.6 S-parametrien laskeminen APLACilla..... 521 11.3 Parametriesitysten sijaiskytkennät ja muunnoskaavat......522 11.3.1 Resiprookkisuus ja symmetria.....522 11.3.2 Kaksiporttien sijaiskytkennät...... 522 11.3.3 Muunnoskaavat parametriesitysten välillä...525 11.4 Ideaalivahvistimet...... 529 11.4.1 Vahvistin, signaalilähde ja kuorma...529 11.4.2 Jännite- ja virtavahvistus, tulo- ja lähtöresistanssi, siirtokonduktanssi...529 11.4.3 Tulo- ja lähtöimpedanssien valintaperusteita...532 11.5 Takaisinkytkentä...... 534 11.5.1 Sarjaan tai rinnan...534 11.5.2 Takaisinkytkennän vaikutus vahvistukseen...536 11.5.3 Takaisinkytkennän vaikutus tulo- ja lähtöimpedanssiin......537 11.5.4 Takaisinkytkennän vaikutus taajuusvasteeseen...... 538 11.5.5 Vahvistimen stabiilisuus vai syntyikö meille oskillaattori?...540 11.6 Uusia vahvistintopologioita...... 541 11.6.1 Nullaattori, noraattori ja Tellegenin ideaalivahvistimet......541 11.6.2 Vahvistus vs. kaistanleveys...542 11.6.3 Jännite- ja virtaseuraajat vahvistimina.....544 11.6.4 CCI- ja CCII-vahvistimet...545 11.6.5 CFOA-vahvistin...547 12 Suodattimet 549 12.1 Matemaattinen analyysi ja peruskäsitteet....549 12.1.1 Suodattimien luokittelu.... 549 12.1.2 Passiiviset RC-, RL- ja (R)LC-suodattimet...552 12.1.3 Taajuusvasteen itseisarvo ja vaihe...554 12.1.4 Boden diagrammi...555 12.1.5 Spektrianalyysi...556 12.1.6 Ryhmäkulkuaika eli viive...557 12.1.7 Askelvaste ja impulssivaste...559 12.2 Suodatinapproksimaatiot...564 12.2.1 Vaimennuskerroin määrää vasteen...564 12.2.2 Polynomisuodattimet ovat yksinkertaisia...567
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 11 12.2.3 Laakalatvainen eli Butterworth-approksimaatio...... 567 12.2.4 L-suodattimet (Legendren approksimaatio)...568 12.2.5 Tasa-aaltoinen eli Tshebyshev-vaste...568 12.2.6 "Vaihelineaarinen" eli Besselin approksimaatio......569 12.2.7 Rationaalisuodattimet ja siirtonollat...569 12.2.8 Käänteinen Tshebyshev-approksimaatio..... 569 12.2.9 Elliptinen suodatin-approksimaatio...570 12.2.10 Suodatin-approksimaatioiden vertailu...... 572 12.3 Suodatintyyppien väliset muunnokset ja skaalaus....577 12.4 Aktiiviset RC-suodattimet...... 578 12.4.1 Sallen Key-alipäästö, -ylipäästö ja -kaistanpäästö.....579 12.4.2 MFB-kaistanpäästösuodatin...... 581 12.4.3 Bikvadraattinen suodatin...582 12.4.4 State variable- eli tilamuuttujasuodatin.....583 12.4.5 Leapfrog, pukkihyppypiiri...584 12.4.6 Yleiskäyttöinen 2. asteen suodatin...585 12.4.7 Induktanssin simulointi operaatiovahvistimilla...... 586 12.4.8 Kokopäästösuodatin vaiheenkorjaukseen....587 12.4.9 Kaistanestosuodatin eli notch.....588 12.5 Kytkin kapasitanssi- eli SC-suodattimet....589 12.5.1 Toimintaperiaate...589 12.5.2 SC-piirien analyysi ja varauksen säilyminen...590 12.5.3 Siirtofunktion käsittely z-jas-tasossa......592 12.5.4 Eräiden jatkuva-aika-piirien SC-vastineet....593 12.6 APLAC suodatinsuunnittelun tukena...... 596 12.6.1 Taajuusvasteen optimointi APLACilla...... 596 12.6.2 Siirtofunktion kertoimien laskeminen...... 597 12.6.3 Manuaalinen optimointi...599 12.6.4 SC-piirien analyysi APLACilla....600 13 Digitaalitekniikka 603 13.1 Logiikkapiirit...603 13.1.1 Bitit ja positiivinen logiikka......603 13.1.2 Piiriperheet..... 606 13.1.3 Kombinaatiologiikka..... 608 13.1.4 Boolen algebra...611 13.1.5 De Morganin teoreema....613 13.1.6 Lukujärjestelmät...613 13.1.7 Logiikkatehtävän ratkaiseminen....620 13.1.8 Karnaugh n kartta...... 621 13.1.9 7-Segmenttinäyttö...... 627 13.2 Sekvenssipiirit...629 13.2.1 Jaottelu...629 13.2.2 Multivibraattorit...629 13.2.3 S R-veräjä eli S R-latch...632 13.2.4 D-tyypin kiikut...635 13.2.5 J K-kiikku..... 637 13.2.6 Isäntä/orja- eli master/slave-tyyppiset kiikut...639 13.2.7 Taajuuslaskin.... 640 13.2.8 Ajastinpiirit 555 ja 556....642
12 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 13.3 Digitaaliset mikropiirit käytännössä......644 14 A/D- ja D/A-muuntimet 651 14.1 Esimerkki mittaus- ja säätöjärjestelmästä....651 14.2 Resoluutio, signaalikohinasuhde...652 14.3 Näytteistys.... 656 14.3.1 Näytteenotto- ja pitopiiri...656 14.3.2 Näytteenottoteoreema, laskostuminen..... 656 14.3.3 Nyquist rate vastaan oversampling....657 14.4 D/A-muuntimet (DAC)...659 14.4.1 Lähtöjännite binäärikoodin eri esitysmuodoissa.....659 14.4.2 Binäärisesti painotetut vastukset....660 14.4.3 R 2R-tikapuuverkko..... 661 14.4.4 Käänteinen R 2R-tikapuu...662 14.4.5 2 n R-muunnin....664 14.4.6 Yksibittinen Sigma Delta-muunnin...... 665 14.5 A/D-muuntimet (ADC)...670 14.5.1 Analoginen komparaattori eli 1-bittinen A/D-muunnin......670 14.5.2 1. asteen Σ -modulaattori..... 671 14.5.3 Laskurityyppinen A/D-muunnin....673 14.5.4 Punnitseva A/D-muunnin...673 14.5.5 Kaksoisintegroiva A/D-muunnin.... 675 14.5.6 Simultaani- eli flash-a/d-muunnin...... 677 14.5.7 A/D-muuntimien kaskadikytkentä...678 Tietoliikenne-elektroniikka kumin hajua valtatiellä 681 Tämä luku jää pois...681 III Liitteet 683 A Tietopakki 685 A.1 Suureet ja yksiköt......685 A.1.1 SI-järjestelmä....685 A.1.2 Standardi kirjainten ja alaindeksien kaltevuudesta....688 A.1.3 Desibeli...688 A.2 Kreikkalaiset aakkoset...690 A.3 Prefiksit......691 A.4 Muita lukuja.... 691 A.5 Vakioiden arvoja......692 A.6 Mittayksiköitä...692 A.7 Kirjallisuutta...692 A.7.1 Sähkötekniikan ja elektroniikan yleisteoksia...692 A.7.2 Piirianalyysi.... 693 A.7.3 Elektroniikka eli hituvirtatekniikka...... 693 A.8 Lopuksi vielä anagrammeja sanasta sähkötekniikka...693 Hakemisto 694
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 13 Taulukot 1 TKK:n opintojakson S-55.103 (sähkötekniikka, 2,5 ov) sisältö v. 2003... 17 1.1 Eräiden jännitelähteiden lähdejännite eli napajännite.... 48 1.2 Yleisimmät resiprookkiset komponentit..... 63 2.1 Eräiden materiaalien johtavuus ja resistiivisyyden lämpötilakerroin.... 91 2.2 Eristemateriaalien tyypillisiä resistiivisyyksiä lämpötilassa +20 C.... 91 2.3 Johteiden resistiivisyys eri lämpötiloissa..... 93 2.4 Standardivastusarvot, E192....... 97 2.5 Standardivastusarvot, E24....... 97 2.6 Vastusten ja kondensaattorien värikoodit.... 98 2.7 Suhteellisen permeabiliteetin arvoja....... 103 2.8 Tyypillisiä magneettivuontiheyksiä elimissä, laitteissa ja maailmankaikkeudessa... 104 2.9 Käämilangan suositeltava paksuus erilaisilla virranvoimakkuuksilla....108 2.10 Materiaalien suhteellisia permittiivisyyksiä....115 2.11 Materiaalien suurimpia sähkölujuuksia (ennen läpilyöntiä).....117 2.12 Virtauskentän, magneettikentän ja sähkökentän perussuureiden analogia.......145 3.1 Eksponenttikäyrän väliarvoja ajan funktiona.......152 3.2 Yleisimpien passiivisten komponenttien Laplace-muunnokset.......164 3.3 Jännite- ja virtalähteiden Laplace-muunnokset......164 3.4 Tavallisimpien jatkuvien aaltomuotojen Laplace-muunnokset.......165 3.5 Yleisimmät Laplace-muunnoskaavat....... 167 3.6 Osamurtokehitelmiä..... 168 4.1 Eräiden signaalien ja sähkömagneettisten aaltojen taajuuksia....192 4.2 Nuottitaajuudet keskimmäisessä oktaavissa....193 4.3 Laskimien muunnosrutiineja...... 198 4.4 Vastuksen R, kelan L ja kondensaattorin C kaavoja....206 4.5 Eräiden kotitalouskoneiden energiankulutus...232 4.6 Tyypillisiä sähköenergian tuotantolaitoksia....232 5.1 APLACin etuliitteet eli prefixit....286 5.2 APLACin tuntemia matemaattisia funktioita.......297 6.1 Kyllästysvirran ja diodivirran suhde eri jännitteillä....307 6.2 Esimerkkejä käytännön diodeista....307 6.3 Tyypillisiä zenerjännitteen arvoja voltteina....310 6.4 Zenerdiodin tehonkeston vaikutus hintaan....311
14 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 7.1 Diodivirran keskiarvo erilaisissa tasasuuntaajissa....343 7.2 Regulaattorin maksimivirran vaikutus hintaan......350 7.3 Hakkuriteholähteiden peruskaavat (step-down)...367 7.4 Hakkuriteholähteiden peruskaavat (step-up)...371 7.5 Hakkuriteholähteiden peruskaavat (invertteri)...375 7.6 Hakkuriteholähteiden vertailu.....376 8.1 Eräiden erikokoisten transistorien parametriarvoja....389 8.2 Transistorin kolme erilaista toimintatilaa....395 8.3 Ebers Moll-piirimallin jännite- ja virtayhtälöt.....399 8.4 Transistorin h-parametrit eri kytkennöissä....404 8.5 Vahvistinasteiden peruskytkennät...414 8.6 CE-, CC- ja CB-asteen pääominaisuudet....415 8.7 Bipolaaritransistorin SPICE-mallin parametreja....424 9.1 Fettien liitäntäjohdot.....425 9.2 Fettien vertailutaulukko...436 9.3 FET-kytkimen ohjaus tasajännitteellä......454 10.1 Tavallisia operaatiovahvistinpiirejä....... 465 11.1 Kaksiportin tai n-portin jännitteisiin ja virtoihin perustuvat parametriesitykset....504 11.2 Jännitteiden ja virtojen lineaarikombinaatioihin perustuvat parametriesitykset....514 11.3 Symmetria ja resiprookkisuus parametriesityksissä....523 11.4 Parametriesitysten väliset muunnoskaavat....526 11.5 Muut parametriesitykset lausuttuna S- ja T -parametrien avulla....... 527 11.6 S- jat -parametrit lausuttuna muiden parametrien avulla.....528 11.7 Ideaalivahvistimien vahvistuksen riippuvuus lähde- ja kuormaresistansseista....543 11.8 Siirtofunktion vakio K resistanssien funktiona.....544 12.1 Aktiivisten ja passiivisten suodattimien vertailua....550 12.2 Ensimmäisen ja toisen asteen siirtofunktiot perustapauksissa....551 12.3 Vaimennuskertoimen vaikutus suodattimen vasteeseen asteluvuilla n 4...566 12.4 Suodatinapproksimaatiot asteluvuilla n 4....576 12.5 Suodatintyyppimuunnokset...... 578 12.6 Erilaisia tapoja muuntaa s-tason siirtofunktio ekvivalentiksi z-tason siirtofunktioksi. 593 13.1 ASCII-kooditaulukko....605 13.2 TTL-piiriperheiden ominaisuuksia....606 13.3 CMOS-piiriperheiden ominaisuuksia...... 606 13.4 ECL-piiriperheiden ominaisuuksia....607 13.5 Logiikkapiiriperheiden maksimivirtoja (µa)....607 13.6 Logiikkapiirien totuustaulukot....609 13.7 Boolen algebran laskusääntöjen tarkistaminen totuustaulukon avulla....612 13.8 Heksadesimaalilukujen määrittely...614 13.9 Gray-koodin määrittely....617 13.10 Valikoima TTL-numeroinnin mukaisia logiikkapiirejä......645 13.11 Valikoima TTL-numeroinnin mukaisia logiikkapiirejä (jatkoa)......646 13.12 Valikoima TTL-numeroinnin mukaisia logiikkapiirejä (jatkoa)......647 13.13 Valikoima RCA:n numeroinnin mukaisia 4-alkuisia CMOS-piirejä....648
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka, 4.6.2003 15 13.14 Valikoima 4-alkuisia CMOS-piirejä (jatkoa)....... 649 14.1 D/A-muuntimen lähtöjännite binäärikoodin eri esitysmuodoissa......660 14.2 Muunnoksen kulku 1-bittisessä D/A-muuntimessa....666 14.3 Muunnoksen kulku 1-bittisessä sigma delta-modulaattorissa....672 14.4 Muunnoksen kulku laskurityyppisissä A/D-muuntimissa......674 A.1 SI-järjestelmän perusyksiköt...... 685 A.2 SI-järjestelmän johdannaisyksiköitä....... 687 A.3 Teho-, jännite- ja virtasuhteita desibeleinä....690