elettronica i - laboratorio didattico · 2012. 5. 22. · elettronica i - laboratorio didattico -...
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Elettronica I- Laboratorio Didattico -
BREVE INTRODUZIONE AGLI STRUMENTI DEL BANCO DI MISURA
Generatore di FunzioniT T i - TG2000
Generatore di FunzioniT T i - TG2000
Genera i segnali di tensione Uscita BNC
Regolazioni principali
Forma d’onda del Segnale
Frequenza del Segnale
Ampiezza picco-picco
del Segnale
Offset (componente continua del Segnale)
Generatore di FunzioniT T i - TG2000
ATTENZIONE !!!PRIMA DI COLLEGARE L’USCITA MAIN OUT DEL GENERATORE DI FUNZIONI, ALIMENTARE IL CIRCUITO E VERIFICARE CON L’OSCILLOSCOPIO CHE NON SIANO PRESENTI SULLA PRESA BNC DELLA BASETTA, SEGNALI O COMPONENTI CONTINUE (DC).
( PRIMA DELLA VERIFICA INSERIRE SULLA PRESA BNC DELLA BASETTA UNA SPINA BNC CON CARICO DA 50 Ω ).
Generatore di FunzioniT T i - TG2000
Dopo aver impostato il generatore ed aver effettuato gli opportuni controlli mettere su ON
Oscilloscopio AnalogicoTektronix 2245A
Oscilloscopio Analogicoa Raggi Catodici
Visualizza i segnali nel dominio del tempo (Banda 100MHz)
Pannello Frontale
Schermo Controllo “Trigger”
RegolazioneSchermo
Canali eControlli
Canali di Ingresso
Ingresso BNCCanale 1
Segnale d’ingresso
Accoppiamento in ingresso:Direct Coupling
(DC)Alternate Coupling
(AC)Riferimento di massa
(o linea a 0 V)
Visualizzazione e Posizionedel Livello della Continua
Controllo Posizione della
Continua
Visualizzazione dei canali ON/OFF
Posizione della Continua
NB: La continua del segnale (il suo valore
medio) NON viene alterata!!!
Si cambia solo la posizione del segnale sullo
schermo!!!
Controllo della Scale di Visualizzazione
Scala VerticaleVolt/div
(Una per canale)
Anche in questo caso il segnale NON viene alterato!!!E’ solo la visualizzazione che cambia!!!
Scala Orizzon.(Comune)
Controlli per le Misure di Tempo e Tensione
0.5V
CancellazioneCursori
50Hz 20ms
Regolazione Posizione Cursori(Posizione Iniziale + Offset)
Sonda per le Misure
Coccodrillo di Massa
Punta Sonda
ConnettoreBNC
Elettronica I- Laboratorio Didattico -
Per ogni problema:
Dispense del Laboratorio
Tecnico di Laboratorio
Docente/Tutor
Elettronica I- Prima Esercitazione -
RISPOSTA IN FREQUENZA DI CIRCUITI RC
PASSA BASSO/PASSA ALTO
RC Passa BassoSchema Circuitale
RC Passa BassoDiagramma di Bode - Modulo
Misura di Modulo e Fase di F(j) al variare di
Funzione risposta in frequenza: F(j) = Vout(j)/Vin(j)
Scopo:1. misurare |F(j)| e = arg[F(j)] al variare di 2. Tracciare i diagrammi di Bode di modulo e fase di F(j) e determinare fcProcedura: creazione di una tabella di dati
Freq [Hz] Vin [V] Vout [V] Vout/Vin |Vout/Vin|dB t [s] [°]100
200
500
1k
2k
5k 2 1.8 0.9 -0.45 25·10-6 -22.5
...
1M
Misura di Ampiezza: |F(j)|
Vin
Vout
Misura delle ampiezze di Vin e Vout tramite i cursori orizzontali
Misura di Fase: = arg[F(j)]
Misura del “ritardo” t di Vout rispetto a Vin tramite i cursori verticali
t
Δt : T = : 360 = - 360° · t / T = - 360° · t · f
Vin
Vout
RC Passa BassoDiagramma di Bode - Modulo
f-3dB
RC Passa BassoDiagramma di Bode - Fase
tR: Rise Time (Tempo di Salita) fc = 0.35 / tR
RC Passa BassoRisposta al gradino di Tensione
10%
90%
tR
RC Passa AltoSchema Circuitale
RC Passa AltoDiagrammi di Bode - Modulo
f-3dB
RC Passa AltoDiagrammi di Bode - Fase
RC Passa AltoRisposta al gradino di Tensione
Elettronica I- Seconda Esercitazione -
RISPOSTA IN FREQUENZA DI CIRCUITI CON AMPLIFICATORI
OPERAZIONALI
AlimentatoreTektronix PS283
Generatori di Tensione
Indipendenti
5V(fissi)
0-30V(var.)
ParalleloSerie
Premere i tasti solo a strumento spento!!!
Regolazione Tensione e Limite di Corrente
Spie che indicano i due regimi(Attenzione a C.C.!!!)
V
IIMAX
VDC
C.V. C.C.
IMAX : Limite di corrente (2A max)
Spia C.C.per il generatore
5V 3A
Configurazione Invertente (CI)
Circuito ATTIVO: l’amplificatore operazionale va alimentato
-15V
-15V
OpAmp ideale
Rin = +∞Rout = 0 Ω
V+
V-Vo
+
-
Aa = = +∞Vo
V+ - V-
CI con OpAmp ideale
Vout
Vin
R2
R1GCI = = -
Corto Circuito Virtuale:V+ = V-
Guadagno Conf. Invertente:
Configurazione Invertente (CI)
Circuito ATTIVO: l’amplificatore operazionale va alimentato:SATURAZIONE DEL NODO DI USCITA
-15V
-15V
OpAmp A741DdB del Modulo di Aa(jω)
Vedi anche grafico a pag. 81 in basso sulle dispense
Diagramma di Bode (modulo) del guadagnodell’amplificatore operazionale ad anello aperto
Misura di Modulo e Fase di F(j) al variare di
Funzione risposta in frequenza: F(j) = Vout(j)/Vin(j)
Scopo:1. misurare |F(j)| e = arg[F(j)] al variare di 2. Tracciare i diagrammi di Bode di modulo e fase di F(j) e determinare fcProcedura: creazione di una tabella di dati
Freq [Hz] Vin [V] Vout [V] Vout/Vin |Vout/Vin|dB t [s] [°]100
200
500
1k
2k
5k 2 1.8 0.9 -0.45 25·10-6 -22.5
...
1M
Misura di Ampiezza: |F(j)|
Misura delle ampiezze di Vin e Vout tramite i cursori orizzontali
Misura di Fase: = arg[F(j)]
Δt : T = : 360 = - 360° · t / T = - 360° · t · f
t
Configurazione Invertente Diagrammi di Bode - Modulo
OpAmp A741 – Anello ApertoDiagramma di Bode – Modulo
Vedi anche grafico a pag. 81 in basso sulle dispense
Diagramma di Bode (modulo) del guadagnodell’amplificatore operazionale ad anello aperto
OpAmp A741 – Anello ApertoDiagramma di Bode – Modulo
Vedi anche grafico a pag. 81 in basso sulle dispense
Diagramma di Bode (modulo) del guadagnodell’amplificatore operazionale ad anello aperto
Diagramma di Bode (modulo)dell’amplificatore invertente in esame
Configurazione Invertente Diagrammi di Bode - Fase
Corto Circuito Virtuale «Reale»
Effetto del guadagno ad anello aperto sul Corto Circuito Virtuale:
misura dell’ampiezza della tensione V- al variare della
frequenza (V+ = 0 V)
OpAmp A741DdB del Modulo di Aa(jω)
Vedi anche grafico a pag. 81 in basso sulle dispense
Diagramma di Bode (modulo) del guadagnodell’amplificatore operazionale ad anello aperto
Se l’OpAmp Satura, vale ilCorto Circuito Virtuale?
NO! Perché? Pensate al valore di Aa...
L+
L-
Aa = Vo
V+ - V-
tR: Rise Time (Tempo di Salita) fc = 0.35 / tR
10%
90%
tR
Amplificatore InvertenteRisposta al Gradino
Integratore di Miller Approssimato
Stima Diagramma di Bode del Modulo
Log (f/Hz)
Vi
Vo
dB
0
Stima Diagramma di Bode del Modulo
Aa
1MHz0
Log (f/Hz)
Vi
Vo
dB
Stima Diagramma di Bode del Modulo
1
2πR1C
Integratore Ideale
Aa
1MHz0
Log (f/Hz)
Vi
Vo
dB
Stima Diagramma di Bode del Modulo
1
2πR1C
R1
R2
Integratore Ideale
Aa
1MHz0
Log (f/Hz)
Vi
Vo
dB
Stima Diagramma di Bode del Modulo
1
2πR1CAa
R1
R2
1
2πR2C
Integratore Ideale
Integratore App.
1MHz0
Log (f/Hz)
Vi
Vo
dB
Integratore di MillerDiagrammi di Bode - Modulo
Integratore di MillerDiagrammi di Bode - Fase
Integratore di MillerRisposta all’Onda Quadra (1)
Frequenza 50Hz
Integratore di MillerRisposta all’Onda Quadra (2)
Frequenza 1kHz => Integratore!
Configurazione Non Invertente
Configurazione Non Invertente Diagrammi di Bode - Modulo
Configurazione Non Invertente Diagrammi di Bode - Fase
Effetto della Tensione e delle Correnti di Offset
A causa degli offset di tensione e corrente,in assenza di segnale applicato, si osservauna tensione di uscita Vo pari a:Vo = e0 ( 1 + R2 / R1 ) + R2 ( I- - I+ ) Vo ≈ e0 ( 1 + R2 / R1 )
V0
I+
I-
e0
R1 = 100 Ω
R2 = 10 kΩ
R1||R2 ≅ 100 Ω
Vo
Effetto della Tensione e delle Correnti di Offset
A causa degli offset di tensione e corrente,in assenza di segnale applicato, si osservauna tensione di uscita Vo pari a:Vo = e0 + R ( I- - I+ ) Vo ≈ R ( I- - I+ )
I+
I-
Vo
e0
R = 10 MΩ
R = 10 MΩ
Elettronica I- Terza Esercitazione -
CIRCUITI CON DIODI
Caratteristica I(V) diodo 1N4148
I
V
Datasheet del diodo a pag. 70
I = IS(e - 1)V
nVT
Raddrizzatore a Singola Semionda (uscita 1)
Raddrizzatore a Singola Semionda
Caratteristica Vout(Vin)
Raddrizzatore aPonte di Diodi (uscita 2)
Raddrizzatore aPonte di Diodi
Caratteristica Vout(Vin)
Limitatore al Valore Superiore Clipping (uscita 3)
Limitatore al Valore Superiore Clipping
Caratteristica Vout(Vin)
Limitatore al Valore Inferiore Clipping (uscita 4)
Limitatore al Valore Inferiore Clipping
Caratteristica Vout(Vin)
Limitatore Max/MinClipping
Limitatore Max/MinClipping
Caratteristica Vout(Vin)
Aggancio del Massimo Clamping (uscita 5)
Aggancio del Massimo Clamping
Aggancio del Minimo Clamping (uscita 6)
Aggancio del Minimo Clamping
Polarizzazione e Parametri di Piccolo Segnale
rD Vγ
E < 0 V Diodo in Diretta
VI
E > 0 V Diodo in Inversa
VI
Ce
V
Vo
I
E
vs
RL2.2 kΩ
Polarizzazione Diretta (E < 0V)
rDvs vo
RL2.2 kΩ
dIdV
rD = =nVT
I
rD
rD + RLvo = vs
-1
Polarizzazione Inversa (E > 0V)
Cevsvo
RL2.2 kΩ
11 + jωCeRL
vo = vs
C0Ce =EVC
1 +½
Polarizzazione Inversa (E > 0V)
Elettronica I- Quarta Esercitazione -
INVERTITORI REALIZZATI CON TRANSISTORI NMOS
TRANSISTORE NMOS AD ARRICCHIMENTO (1)
TRANSISTORE NMOS AD ARRICCHIMENTO (2)
VGS varia da 0 a 5V (passo .5V)
Famiglia delle caratteristiche Id - Vds
Invertitore NMOS con Carico ad Arricchimento (1)
Invertitore NMOS con Carico ad Arricchimento (2)
Caratteristica Vout - Vin
Invertitore NMOS con Carico ad Arricchimento (3)
Risposta ad un ingresso ad onda quadra
Vout
Vin
Invertitore NMOS con Carico ad Svuotamento (1)
Invertitore NMOS con Carico ad Svuotamento (2)
Caratteristica Vout - Vin
Invertitore NMOS con Carico a Svuotamento (3)
Vout Vin
Risposta ad un ingresso ad onda quadra
Invertitore CMOS (VDD = 3V)
3V
Risposta statica all’onda quadra(f = 1 kHz)
VDD
VDD
CaratterizzazioneInvertitore CMOS
Misure sulla caratteristica Vout(Vin):• Tensioni di soglia dei MOSFET (VtN e VtP)• Tensione di soglia dell’invertitore (VTH)• Margini di rumore (VIL e VIH)• Guadagno G dell’invertitore usato come amplificatore
di tensione
Misure nel dominio del tempo:• Tensione di soglia dell’invertitore (VTH)• Risposta all’onda quadra con carico Capacitivo• Tempi di propagazione con carico Capacitivo• KP e KN (con carico Capacitivo)
Stima di VTH: Vout = Vin = VTH
VTH VTH
VDD VDD
Caratteristica Vout(Vin)
VtN VIL VIHVTH VDD - |VtP| VDD
VDD VOH
VOL
-1
-1
1
Stima di VIL e VIH
VILVin
VIHVin
-Vou
t
-Vou
t
1 1
Stima di G
Risposta all’onda Quadra con carico Capacitivo (f = 10kHz)
Stima di tr e tPLH (con C)
VDD
0.9VDD
0.1VDD
VTH
VDD
0.9VDD
0.1VDD
VTHtPLH
Stima di tf e tPHL (con C)
VDD
0.9VDD
0.1VDD
VTH
VDD
0.9VDD
0.1VDD
VTHtPHL
Stima di KN (con C)
KN ≈ -(VDD - VtN)2
C /ΔVo Δt
Vin
N
ICIN
+ VoC
Se Vo ≥ VDD - VtN N è in Saturazione:
IN = KN(VDD - VtN)2
dVo
dt IC = C
IN = - IC
Consideriamo trascurabile l’effetto Early
Vo(t) = VDD - / tINC
Stima di KP (con C)
Vin
P
IC
IP
+
VoC
VDD
Se Vo ≤ |VtP| P è in Saturazione:
IP = KP(VDD - |VtP|)2
dVo
dt IC = C
IP = IC
Consideriamo trascurabile l’effetto Early
KP ≈(VDD - |VtP|)2
C /ΔVo Δt
Vo(t) = / tIPC