TESTI per esercitarsi sulla I prova in itinere del modulo: ELETTRONICA ANALOGICA
Anno Accademico 2016-17
La prova in itinere ha la durata di 2 ore ed è costituita da 3 esercizi di cui lo studente deve
svolgerne 2 a scelta.
D1. Dato il circuito in figura,
R
VI
RL
D
vO
disegnare il circuito equivalente del diodo Zener nelle diverse regioni di funzionamento e
basandosi sul modello linearizzato a tratti, valido per ampi segnali, tracciare il relativo
grafico della caratteristica iD = f(vD), sapendo che V=0.7 V, Vz=5 V, ron=1kΩ, rz=100 Ω,
roff =50MΩ.
1. Considerando R=10 kΩ ed RL infinita, calcolare e disegnare la caratteristica di
trasferimento vO=g(vI) per vI compreso fra -20V e +20V, disegnare l’andamento
temporale di VO, assumendo in ingresso un segnale sinusoidale di ampiezza
picco-picco uguale a 4 V e valor medio = 10 V e un segnale sinusoidale di
ampiezza picco-picco uguale a 16 V e valor medio = 10 V. In riferimento ai
segnali di ingresso sinusoidali, calcolare la massima potenza dissipata sul diodo
e sulla resistenza R. In riferimento ai segnali di ingresso sinusoidali giustificare
quando e perché il diodo Zener, quando lavora in zona di breakdown, si comporta
da regolatore di tensione.
2. Considerando RL≠ ∞, trovarne il valore minimo al di sotto del quale il diodo
Zener non si comporta più da regolatore di tensione.
D2. Dato il seguente circuito, utilizzando per il diodo Zener gli stessi dati dell’esercizio
precedente ed R=10 kΩ,
1. calcolare e disegnare la caratteristica di trasferimento vO=h(vI) per vI compreso
fra -20V e +20V;
2. disegnare l’andamento temporale di VO, assumendo in ingresso un segnale
sinusoidale a valor medio nullo di ampiezza picco-picco tale che la massima
potenza sul diodo Zener sia uguale a 3 mW .
D
VI
R
vO
M1. Disegnare un amplificatore CS con resistenza di source RS, dimensionare
opportunamente RS e RD al fine di soddisfare le seguenti specifiche:
M1 in zona di saturazione, con un margine si VDS maggiore del 20%.
corrente ID pari a 60A
utilizzando i seguenti dati
M1 è un MOSFET ad arricchimento a canale n con caratteristiche
K n 120 A V 2 , 0V 1 , VT 1V
VDD = 3 V.
(ricavare per prima cosa il valore di RS che consente di avere la corrente ID richiesta,
successivamente determinare il valore massimo di RD). Calcolare la potenza erogata
dall’alimentatore (-VDD e +VDD), la potenza dissipata sul MOSFET e sulla resistenza
RD in assenza di segnale di ingresso, cioè solo in polarizzazione.
Calcolare il guadagno di tensione vo/vi.
Calcolare la massima ampiezza del segnale di ingresso (supposto sinusoidale)
affinchè il MOSFET possa essere approssimato (indicare il livello di
approssimazione) con il suo modello lineare.
Stimare, commentando i passaggi, il massimo (valore assoluto) guadagno di
tensione raggiungibile dalla configurazione CS al variare di RS e di RD.
Disegnare il modello del MOSFET in condizioni di alta frequenza, cioè considerando
gli elementi capacitivi nel modello lineare. Quindi calcolare la frequenza di taglio
dell’amplificatore, sapendo che la capacità Gate-Source è 10 volte più grande della
capacità Gate-Drain (trascurare le capacità fra Drain e Body e fra Source e Body)e
supponendo in ingresso un generatore di segnali di tensione sinusoidale con resistenza
uguale a 800Ω. ( Utilizzare il metodo delle costanti di tempo).
n
a1 Ri0 Ci
i 1
n 1
a2 Rio Ci
i 1
n
R
j i 1
i
j
C j
M2. Considerare i seguenti circuiti ed i seguenti dati: K n 100 A V 2 , 0,01V 1 , VT 1V , VDD
= 3V, vBS=0V, la corrente IDS = 50 μA.
Quando non è già specificato applicare il segnale di ingresso e prelevare quello di uscita in modo
che, se possibile, vengano realizzate le tre configurazioni: CS, CD, CG.
Dopo aver polarizzato i dispositivi, per le varie configurazioni date o individuate, calcolare il
guadagno di tensione, la resistenza di ingresso e quella di uscita, la massima ampiezza della
tensione di ingresso che consente la linearizzazione del MOSFET, la tensione di uscita totale e la
sensibilità del guadagno di tensione o corrente in seguito a variazioni del 10% di VTn.
VDD
VDD
VDD
RD
RD
RD
M1
M1
M1
VS
REQ
Rs
Rs
-VDD
VDD
VDD
RD
RD
vo
RG
M1
M1
vo
vi
R2
Rs
Ro
Rs
-VDD
-VDD
R1
RO
vi
VG
Rs
-VDD
-VDD
VO
M3. Dato il circuito in figura con il MOSFET a canale n ad arricchimento con kn1=kn2=120 µA/V2,
λ=0.01 V-1,VT = 1 V, VDD = 3 V, VBS=0 V, VG=1 V identificare la topologia e progettare
opportunamente kn3 ,RR e RD al fine di soddisfare le seguenti specifiche:
VDD
RD
RR
M1
Ro
VG
vo
vi
M2
M3
-VDD
corrente ID1= ID2 pari a 60 µA, VDS1 pari a 3 volte la tensione limite tra la regione di triodo e quella
di saturazione del MOSFET, potenza erogata dall’alimentatore VDD e -VDD al ramo che contiene
RD uguale a 5 volte quella al ramo contenente RR. Si trascuri il contributo di λ in polarizzazione.
Calcolare il guadagno di tensione, la resistenza di uscita Ro ed il valore totale della tensione di
uscita.
M4. Disegnare un amplificatore CS con MOSFET a canale n (M1), con doppia alimentazione, con
carico attivo (MOSFET M2 ed M3) e senza l’uso di resistori. Dimensionare il Kp del MOSFET (M3)
che si trova sul ramo di riferimento del carico attivo con il vincolo che tale ramo pesi in termini di
potenza (in polarizzazione) meno del 10% della potenza totale del circuito. I dati sono: tensione di
alimentazione VDD = 3 V, ׀VTp =׀VTn= 1 V; ID1= 60 µA; kn1= kp2 = 120 µA/V2. Valutare il guadagno
di tensione.
