Prefata

 

Scopul unui curs universitar este ca viitorii absolventi sa poata face ceea ce fac specialistii din domeniul pentru care se pregatesc si nu acela ca ei sa poata tine discursuri savante despre disciplina respectiva. Din acest motiv, structura si continutul unui astfel de curs nu pot fi discutate decit raportate la practica curenta a comunitatii stiintifice (sau tehnice) respective; pentru fizica experimentala esential este ce fac fizicienii de azi in laboratoarele universitatilor, ale institutelor de cercetare si ale diferitelor companii.

O astfel de analiza arata imediat rolul electronicii in activitatea fizicianului. Chiar si atunci cind acesta preda fizica la liceu, experimentele didactice moderne nu pot fi concepute fara electronica; de exemplu, in manualele bune, expresia tensiunii autoinduse este verificata cu o sursa de curent a carei intensitate are o forma de unda de dinti de fierastrau. Cunostintele de electronica ale profesorului devin si mai importante pe masura ce calculatoarele ajung sa fie o prezenta fireasca in laborator; cu cheltuieli derizorii acestea pot controla experimente si pot fi utilizate in locul aparaturii clasice de masura.

Multi de pe la noi cred ca treaba fizicianului din cercetare este numai sa scrie ecuatii si sa schiteze experimente, dispozitivele experimentale cumparindu-se de-a gata sau fiind construite de echipa de electronisti ce se gaseste mereu in jurul fizicianului ca sa-i materializeze pretioasele ginduri. Realitatea din laboratoarele in care chiar se face fizica este alta: intre traductor si placa de achizitie (sau aparatul de masura controlat de calculator), in zona cea mai sensibila unde semnalele sunt slabe si perturbatiile importante, exista intodeauna un circuit electronic "home made" pe care il realizeaza si il optimizeaza chiar fizicianul. Mai mult, in experimente, anumite marimi fizice trebuie controlate cu acuratete (mentinute constante sau facute sa evolueze dupa o anumita dependenta de timp); nici sistemele care realizeaza acest lucru nu se pot cumpara gata reglate si cuplate la sistemul fizic investigat.

Dincolo de utilitatea sa in aplicatii, electronica este o scoala excelenta pentru viitorul fizician. Aici se intilneste prima data cu modul de comportare al sistemelor liniare si cu descrierea spectrala a semnalelor, aici poate face legatura intre stingerea in timp a unei oscilatii sinusoidale si largimea sa spectrala. Concepte cum sunt timpul de intirziere de grup si relatia cu determinismul a "defazajului inainte" sunt mult mai usor de inteles in cazul unor banale filtre RLC decit in cazul unor fenomene de propagare in spatiu; este graitor faptul ca in contextul unor discutii asupra cauzalitatii unor fenomene de propagare a luminii, fizicieni de prestigiu care lucreaza asupra interactiei intre lumina si atomi se apleaca asupra modestului amplificator trece-banda, tocmai pentru a pune mai clar in evidenta originea avansarii pulsului.

Cu toate acestea, in planul de invatamint al unei facultati de fizica, electronica nu are cum sa ocupe mai mult de doua semestre; din aceasta cauza, alegerea temelor si a stilului in care sunt abordate devine critica si trebuie discutata frecvent, deoarece electronica este o disciplina extrem de dinamica, manuale bune acum zece ani devenind depasite si necesitind editii actualizate. La facultatile noastre de fizica, cursul de electronica s-a intitulat, dupa raspindirea dispozitivelor semiconductoare, "Dispozitive si circuite electronice", inspirat si in continut de cursul cu acelasi nume de la facultatile de profil electric si electronic din Politehnica. Pentru ca era tinut unor viitori fizicieni, partea de fizica dispozitivelor semiconductoare a fost mult accentuata si extinsa, ocupind aproape in intregime primul semestru. Argumentul adus este ca, dupa studierea fizicii dispozitivului electronic respectiv, studentului ii este mai usor sa inteleaga functionarea circuitelor. In opinia noastra, aceasta conceptie este cu totul naiva, daca privim la un circuit electronic si incercam sa intelegem ce functie indeplineste el rationind in termeni de purtatori majoritari si minoritari ce traverseaza bariere de potential sub actiunea difuziei si a fortelor de cimp electric, e aproape sigur ca nu vom reusi niciodata. Instrumentele inteectuale necesare sunt cu totul altele si ele tin de ceea ce se cheama teoria moderna a circuitelor.

Aparent inexplicabil, intelegerea electronicii apare studentului de la fizica mult mai dificila decit a disciplinelor cu grad mult mai mare de abstractizare si formalizare matematica. Dificultatea intelegerii functionarii banalului amplificator cu emitor comun nu consta in savante ecuatii cu nabla si delta; ea se rezuma, de obicei, la imposibilitatea aplicarii legii lui Ohm in termeni de potentiale si la necunoasterea conceptului de sursa ideala de curent. in opinia noastra, cauza trebuie cautata in modul in care sunt scrise capitolele de electrocinetica din manualele noastre, arhaic, puternic formalizat, putin intuitiv si, deci, generator de confuzii: explicarea functionarii generatoarelor pe baza conceptului de "cimp imprimat", utilizarea termenului de "tensiune" electromotoare (abandonat pina si de scoala franceza), lipsa prezentarii conventiei de consumator in formularea legii lui Ohm, absenta teoremelor de echivalenta Thevenin si Norton si a conceptelor de sursa ideala de tensiune si sursa ideala de curent, formularea legii tensiunilor in forma kirchhoff(cu forte electromotoare, incluzind si legea lui Ohm, asa cum nu se mai gaseste de loc in manualele moderne), etc..

Revenind la cursurile de "Dispozitive si Circuite electronice", trebuie sa remarcam ca, in mod ciudat, nu a fost tradus in româna nici un astfel de manual de referinta. Si din acest motiv, deficientele congenitale ale acestui stil de a preda electronica (unele prezente inca si in cele mai noi editii ale unor manuale straine "standard") au fost amplificate dincolo de orice limita de catre autorii români de astfel de manuale, aparind astfel un soi de "electronica teoretica". Aceasta poate fi recunoscuta usor dupa citeva trasaturi caracteristice: cit mai multe modele, chiar daca nu mai sunt utilizate apoi nicaieri in cuprinsul cursului, utilizarea parametrilor hibrizi pentru tranzistoare (astfel incit formulele deduse sunt aplicabile in practica numai dupa "traducerea" lor in limbajul altor modele), calcule cit mai stufoase cu aproximatii facute la sfirsit, aproximatii nejustificate cu valori numerice si, bineinteles, cu consecinte asupra preciziei rezultatului de amploare nespecificata, absenta procedurilor sau indicatiilor de proiectare, nici o problema legata de o aplicatie practica, probleme in care rezistentele de polarizare au valoarea 174 kΩ fix, impedanta de intrare rezulta a fi 24.836 kΩ sau care "optimizeaza" amplificarea daca factorul hfe al tranzistoarelor este cunoscut cu precizie de 1 %.

Caracterul din ce in ce mai original al invatamintului nostru, adica renuntarea completa la lectura unui manual, la seminarii, teme pentru acasa si proiecte, intregul efort al studentului restringindu-se la memorarea in timpul sesiunii a formulelor si schemelor pe care profesorul a avut timp sa le realizeze cu creta pe tabla si apoi reproducerea acestora la examen sub numele de "subiect de teorie", a condus pina la urma la sacrificarea celei mai mari parti din continutul de electronica, fie si ea teoretica. Astfel, dupa doua semestre de curs, tinarul fizician nu a auzit de dispozitive esentiale in viitoarea sa activitate (fotomultiplicatoare, diode laser, senzori CCD, amplificatoare de instrumentatie) dar nici de diagrame Bode, stabilitatea sistemelor cu reactie negativa, zgomotul circuitelor electronice, etc., care sunt chestiuni "de supravietuire" in laborator. Privind la ceea ce se preda, ai crede ca electronistii nu fac decit sa deduca ecuatiile modelului Ebers-Moll (pornind de la desene in care baza are aceeasi grosime cu emitorul si colectorul si neavind nici o idee despre gradul de dopare al emitorului si colectorului), sa calculeze factorul pentru toate retelele de polarizare posibile (chiar daca acesta era important numai la tranzistoarele cu germaniu, disparute de mult) si sa obtina formule cit mai complicate si exacte pentru AV ,AI si impedantele de intrare si iesire, daca semnalul este foarte, foarte mic. In aceasta atmosfera teoretica, studentii ajung sa creada chiar ca tranzistoarele au fost inventate doar ca sa putem calcula marimile amintite. Simptomatic este cazul amplificatorului lock-in, un instrument esential in fizica experimentala: despre el nu exista nici o pagina scrisa de vreun autor român si, dupa cite stim, nici macar tradusa in româna.

Din acest motiv, manualul de fata nu este unul de Dispozitive si Circuite Electronice. Stilul de prezentare (inspirat in parte din manualele de electronica moderne americane), este complet diferit deoarece am urmarit, in primul rind, ca cititorul sa inteleaga cit mai usor functionarea circuitelor; aceasta nu se poate face decit utilizind aproximatii rezonabile, modele adecvat de simple si analogii cu sisteme arhicunoscute, cum sunt cele mecanice si hidraulice. Pragmatismul a fost mereu principiul de baza; in acest manual β+1 este practic egal cu β nu pentru ca (asa cum cred multi) β>>1 ci deoarece la utilizarea unui tranzistor bipolar nu se cunoaste niciodata β cu o precizie de o unitate. Chiar si cele mai simple lucruri pot fi prezentate si in asa fel incit sa nu se mai inteleaga nimic. Sa luam cazul unui circuit cu tranzistor NMOS in care curentul (controlat de potentialul portii) vine de la borna de alimentare pozitiva, intra in drena si iese prin sursa pentru a curge apoi spre masa; tranzistorul este un robinet de curent. Ajunge sa acceptam conventia dupa care toti curentii sunt pozitivi daca intra in tranzistor si toata simplitatea se evapora: in tranzistor intra acum doi curenti de semne opuse si valori absolute egale, nu prea mai putem sa ne gindim la un robinet. Din acest motiv, in acest manual curentii prin tranzistoare sunt considerati cu sensurile lor reale, pentru ca le cunoastem in fiecare dintre situatiile analizate. Autori scrupulosi ar putea obiecta ca in cataloage curentii sunt dati cu semne, dupa conventia amintita; e adevarat, dar noi credem ca daca studentul trebuie sa afle din catalog sensul curentului, atunci el a frecventat degeaba cursul de electronica si tot cu acelasi rezultat va citi si foaia de catalog.

Intreaga activitate de intelegere a functionarii, proiectare, verificare si optimizare a unui circuit electronic se desfasoara pe schema circuitului respectiv. Pentru a facilita aceasta activitate, toate informatiile relevante trebuie trecute pe schema. Acest principiu a fost respectat sistematic de catre noi si cititorul este sfatuit mereu sa procedeze la fel, mai ales la rezolvarea problemelor. Chiar in schemele de principiu, pe care se face analiza circuitului respectiv, veti intilni mereu valori numerice pentru componente; ele au rolul sa familiarizeze cititorul cu ordinul lor de marime in aplicatii tipice. Intelegerea intuitiva a functionarii este imposibila fara vizualizarea evolutiei potentialelor nodurilor importante. Veti gasi formele acestor evolutii desenate chiar pe scheme, asa cum sunt in realitate, incluzind si componenta de curent continuu. Pentru veridicitate, am evitat cazul particular al semnalelor sinusoidale.

In cazul circuitelor cu tranzistoare, regimul de repaus este esential; de aceea, valorile potentialelor de repaus sunt trecute intodeauna, utilizind notatia din schemele profesionale. Vom intelege, prin punct static de functionare, starea de repaus a intregului circuit (potentialul colectorului, al emitorului, etc.), in opozitie cu textele teoreticienilor care vorbesc numai de VCE. Avantajul este evident, daca linia de alimentare pozitiva este desenata in partea de sus si daca ne aducem aminte cum curentul curge prin consumatoarele de energie de la potential ridicat la potential coborit.

Pentru a pastra schema circuitului in centrul atentiei, nu am desenat circuite echivalente pentru polarizare (pentru multi, celebrele CEP-uri). Studentul este sfatuit sa ignore condensatoarele cind priveste la schema completa si sa-si noteze pe schema ca tensiunea baza-emitor este aproximativ 0.6 V, cu polaritatea corecta. In acelasi mod, adica privind la schema, trebuie sa-si aminteasca cum in colector tranzistorul se comporta practic ca o sursa de curent si sa utilizeze aceasta informatie.

Exista o multime de modele de semnal mic utilizate pentru tranzistoarele bipolare. "Obiectivul principal al analizei manuale ramine obtinerea unei intelegere intuitive a factorilor care afecteaza comportarea circuitului". Dupa Gray si Meyer ("Principiile electronicii moderne"), exista un principiu unic al analizei manuale: alegerea "celui mai simplu model posibil care mai asigura inca nivelul de precizie dorit". In contrast cu analiza manuala, analiza prin simulare pe calculator necesita modele cit mai precise si valori numerice corecte ale parametrilor modelului. Pretul platit este insa absenta "intelegerii intuitive necesare pentru proiectare". Modelele de tranzistor bipolar pe care le intilnim prin cartile autorilor nostri nu corespund nici unuia dintre aceste scopuri: analiza manuala este prea laborioasa si foarte putin intuitiva iar pentru analiza pe calculator ele sunt insuficient de precise.

Modelul utilizat de noi este cunoscut ca "modelul cu re" si decurge direct din modelul Ebers-Moll, in urma unor aproximatii rezonabile; in afara binecunoscutului parametru β, mai exista doar rezistenta dinamica re, calculabila direct din curentul de colector de repaus. Cu acest model, analiza etajelor fundamentale este incredibil de simpla si de intuitiva iar formulele obtinute sunt foarte usor de utilizat la calculul valorilor numerice ale performantelor circuitelor concrete. Din acest motiv, astazi "anumite institutii folosesc exclusiv modelul cu re" . Desenarea unor circuite echivalente care nu mai seamana cu schema originala a circuitului (la fel de celebrele CES-uri) a fost evitata chiar si pentru variatii mici: in loc sa desenam sursa de curent controlata am desenat simbolul tranzistorului completat cu rezistenta dinamica din emitor.

Pentru a impiedica aplicarea mecanica a formulelor la rezolvarea problemelor propuse, in formularea acestora, pe scheme au fost trecute doar valorile si nu notatii ca RC sau RB1 . Oriunde s-a cerut calculul unor marimi dependente de factorul β al tranzistoarelor bipolare, expresia utilizata a fost "estimare" pentru a aminti faptul ca este cunoscut cu precizie foarte proasta.

Simbolurile utilizate de noi pentru sursele ideale de tensiune si, respectiv, curent, sunt simbolurile ANSI, folosite de toate universitatile si firmele americane, de imensa majoritate a celor europene precum si de producatorii de software. Desi in literatura de limba româna ele apar in carti de referinta (de exemplu Cartianu et al., "Semnale, circuite si sisteme", de multi ani originalii nostri ingineri si autorii de manuale de fizica de pe la noi au facut alegerea care produce gradul maxim de confuzie: ei utilizeaza, pentru sursa de tensiune, simbolul ANSI al sursei de curent ,sursa de curent. In aceasta situatie contradictorie, am preferat ca studentii nostri sa invete aceleasi simboluri ca si cei de la Harvard University, cel putin pina cind politehnistii autohtoni vor da peste cap standardele din literatura internationala prin articolele lor stiintifice sau prin productia de software. Asa cum se face in multe manuale, am utilizat, pentru simplitate, aceleasi simboluri si pentru sursele comandate.

Cu toate ca este structurat in parte pe baza temelor lucrarilor de laborator de la cursul de Dispozitive si Circuite Electronice, acest manual incearca, asa cum am aratat, sa fie altceva decit un simplu Caiet de laborator. Am fi dorit ca textul sa fie mai concis decit este dar, din considerente care speram sa apara acum clare, a trebuit sa prezentam din nou modul de functionare al dispozitivelor si circuitelor studiate. Explicarea detaliata a conceptelor si circuitelor utilizate, impreuna cu proceduri de proiectare si prezentarea experimentelor propuse, este similara cu ceea ce contin "manualele pentru studenti" utilizate in universitatile americane, un excelent exemplu constituindu-l chiar cel aferent cursului "The Art of Electronics". Este motivul princpal pentru care si aceasta carte se intituleaza "Manualul studentului".

In formularea obiectivelor lucrarilor practice am urmarit in special ca studentul sa inteleaga de ce face o anumita operatie si sa-si formuleze in scris constatarile facute, alaturi de schemele circuitelor cu care a obtinut aceste rezultate. Nu ne-am multumit cu observatii calitative, precum caracteristica curent-tensiune a diodei semiconductoare in coordonate lin-lin, ci am incercat sa obtinem de la experiment cit mai multe informatii cantitative relevante; la dioda se urmareste dependenta curent-tensiune pe mai mult de patru decade de variatie a curentului, se verifica respectarea dependentei exponentiale si se calculeaza coeficientul de emisie.

Desi temele lucrarilor experimentale le includ pe cele din "Dispozitive si circuite electronice - Lucrari de laborator, Editura Universitatii din Bucuresti, 1993", orice asemanare se opreste aici. Toate textele explicative ne apartin iar desfasurarea lucrarilor practice a fost gindita din perspectiva celui care utilizeaza circuitele electronice si nu din aceea a celui care verifica performantele componentelor.

Au fost introduse teme noi. Unele, cum sunt studiul surselor ideale de tensiune si curent, precum si circuitele cu rezistoare, condensatoare si inductoare si-ar fi gasit poate un loc mai bun in laboratorul de electricitate. In capitolul dedicat circuitelor cu reactie am largit mult cadrul discutiei, abordind si sistemele de control automat; este mult mai probabil ca viitorul fizican sa trebuiasca sa mentina constanta intr-un experiment o marime fizica decit sa utilizeze reactia negativa pentru largirea benzii amplificatoarelor sau, cum pretind unii autori, sa micsoreze zgomotul lor. Deoarece sunt putin sau de loc prezentate la curs, amplificatoarelor operationale si circuitelor digitale le sunt dedicate capitole extinse, cu multe informatii necesare in aplicatiile practice. In prezentarea filtrelor si a reactiei am fost pusi in fata unei provocari: o abordare coerenta nu se poate face decit in formalismul Laplace. Am riscat si am utilizat sistematic functiile de transfer Laplace, mizind pe simplitatea calculului lor (mai simplu chiar decit calculul in complex pentru circuitele de curent alternativ) si pe caracterul extrem de intuitiv al legaturii intre pozitia polilor si tipul raspunsului.

Numarul total de experimente propuse (96) este cu mult mai mare decit al acelora care se efectueaza in cele doua semestre; dintre ele se pot alege cele mai relevante, restul pot fi utilizate la cercul de electronica sau ca experimente demonstrative la cursurile de specialitate.

Autorul tine sa multumeasca, in primul rind, celor care i-au aratat ca acest manual este necesar si l-au incurajat sa-l scrie: studentilor care cereau mereu referate din care sa poata intelege si care, prin intrebarile puse in timpul lucrarilor practice, doreau sa stie la ce folosesc dispozitivele si circuitele prezentate la curs. Un rol special l-a avut Sandel Simion datorita experientei sale de practican si de cititor de manuale de electronica; in urma observatiilor sale multe capitole au fost rescrise. Se cuvin multumiri, de asemenea, studentilor care au citit manuscrisul si au facut observatii critice. O contributie importanta a avut colegul meu Dr. Petrica Cristea, prin discutiile indelungate si aprinse asupra textului manualului si a metodelor de a prezenta lucrurile clar si corect, si Dr. Cornel Niculae, prin seriozitatea si profesionalismul manifestat constant in conducerea lucrarilor practice din laboratorul de Electronica. Se cuvin multumiri, de asemenea, colegului Dr. Doru Plesea pentru incurajarea sa constanta si sprijinul logistic in editarea acestui manual. Citeva dintre experimente au fost proiectate in urma discutiilor cu Dr. Liviu Giurgiu; impresionanta sa experienta precum si precizia si diversitatea informatiilor oferite cu generozitate ne-au facut uneori sa ne aducem aminte de oamenii-carti din "Fahrenheit 451".

Si nu in ultimul rind, trebuie amintiti o multime de specialisti care, prin modul in care scriu manuale si predau electronica pe la noi, au facut un asemenea manual mai mult decit necesar, aproape inevitabil.

Mihai P. Dinca

 

 

 

 

 

 

Pagină actualizată la 20 Septembrie 2011.