testi esercizi prima parte_15_16

TESTI ESERCIZI sulla PRIMA PARTE DI ELETTRONICA 2015-16
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.
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
Dati i seguenti circuiti, sapendo che: K n  100 A V 2 ,   0,01V 1 , VT  1V , VDD = 3V, vBS=0V ,
la corrente IDS uguale a 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 ed 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
_______________________________________________________________________
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
 corrente ID pari a 60A
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 che garantisce con un margine
del 20% il funzionamento di M1 in saturazione; si trascuri il contributo di λ in
polarizzazione). 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. 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    Ri0 Ci
i 1 
n
R
j i 1

ij

C j 

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 ed il valore totale della tensione di uscita.
Disegnare un amplificatore CS con carico attivo, valutarne il guadagno di tensione e la
potenza richiesta dagli alimentatori. Dimensionare i Kp dei 2 MOSFET a canale p con il
vincolo che l’inserimento del ramo di riferimento 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; kn=120 µA/V2.
Dato l’amplificatore differenziale in figura, si valuti il punto di
polarizzazione (tensioni e correnti) e si calcoli l’ampiezza del segnale
di uscita vo1 con ingresso differenziale e di modo comune sapendo che
VDD
vi1  103  3 sin w1t   sin w2t 
RD
RD
vo1 vo2
vi 2  10   3 sin w1t   sin w2t 
3
M1
M2
vi1
kn=500 µA/V2
RS=800 kΩ
RD=8 kΩ
IS=500 µA
vi2
VDD=VSS=3 V
VT=1 V
IS
Si trascuri il contributo di RS nella valutazione del punto di
polarizzazione. Realizzare il generatore di corrente reale (IS e RS) con
-VSS
uno specchio di corrente in modo tale che l’incremento di potenza
richiesta dagli alimentatori sia il 20% rispetto alla potenza richiesta in polarizzazione dal
circuito in figura.
Definire e calcolare la frequenza di taglio (fH) e la frequenza di transizione (fT ) di un
amplificatore in generale e considerando il seguente modello di un amplificatore
operazionale (A.O.) ad un polo,
RO
out
A·VI
VI
CO
calcolare la relativa fH , fT .
Ro Co =0.015s
A= 105 ±25%,
Utilizzando detto A.O. , progettare un amplificatore non invertente con guadagno=30 e
progettare un amplificatore invertente con guadagno=-10. Calcolare la frequenza di taglio
degli amplificatori retroazionati. Calcolare per entrambi gli amplificatori la frequenza oltre
la quale l’errore relativo del guadagno rispetto a quello ottenuto considerando
l’amplificatore ideale , sia minore del 10%. Calcolare per entrambi gli amplificatori la
sensibilità del guadagno di tensione dell’amplificatore retroazionato rispetto alle variazioni
di A e la variazione percentuale del guadagno di tensione del sistema retroazionato.
RS
Progettare un circuito basato su amplificatori operazionali, che realizzi la seguente funzione:
Vo(t)=10V1(t) -10V2(t) ed abbia resistenza di ingresso ai morsetti in cui sono applicati V1(t)
e V2(t) uguali e maggiori di 10 MΩ.
Supponendo che l’amplificatore operazionale utilizzato sia ‘rail to rail’, sia alimentato tra
±12V ed abbia uno ‘slew rate’ di 0,8V/μs, determinare la banda a piena potenza del
circuito. Calcolare la frequenza di taglio dell’intero circuito.
Gli A.O. sono uguali e modellati come di seguito disegnato:
fH=10Hz
RO
out
A·VI
VI
CO
A= 105 ±20%,