Document

ELETTRONICA
CdS Ingegneria Biomedica
LEZIONE A.02
Circuiti a diodi: configurazioni, analisi, dimensionamento
Caratteristica di trasferimento
Tagliatori
Generatori di funzioni
Rivelatori di picco e di inviluppo
Fissatori
Elettronica per bioingegneri
A02.1
Parte 1
Circuiti non lineari senza memoria
Caratteristica di trasferimento
Tagliatori di segnali
Generatore di funzioni lineari a tratti
Elettronica per bioingegneri
A02.2
Caratteristica di trasferimento
 Definizione
 In un circuito elettrico a due porte, la relazione vU-vIN
 Osservazioni
 La caratteristica è ricavata in condizioni statiche
 Solitamente le due porte hanno un riferimento comune
vU
vIN
vU
Elettronica per bioingegneri
vIN
A02.3
Il tagliatore (clipper)
 Circuito a due porte che taglia parti dell’ingresso
 Si può tagliare la parte in alto, in basso o entrambe
 Versione parallela
 Quando il diodo entra in conduzione l’uscita viene tagliata
 Taglio non netto e traslato di Vγ
 Si possono mettere diodi opposti in parallelo (taglio in alto e basso)
 Versione serie
 L’uscita viene tagliata quando il diodo si interdice
 Taglio più netto, ma forma d’onda distorta e traslata di Vγ
 Analisi
 Può essere fatta con il modello per grandi segnali (linearizzato)
 Diodo ideale, generatore di Vγ e resistenza rd
Elettronica per bioingegneri
A02.4
Tagliatori in alto
R1
1k
P
D1
D1N4148
V1
0Vdc
1Vac
TRAN = 0
D2
D1N4148
V2
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 1k
V3
5Vdc
0
R2
1k
0
V4
5Vdc
0
D3
D1N4148
D4
D1N4148
S
V5
0Vdc
1Vac
TRAN = 0
R3
1k
0
V6
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 1k
R4
1k
V7
5Vdc
0
0
V8
5Vdc
0
Elettronica per bioingegneri
0
A02.5
Tagliatori in alto (vU-vIN)
10V
5V
0V
S
P
-5V
-10V
-10V
V(D1:1)
-8V
-6V
-4V
-2V
0V
2V
V_V1
4V
6V
Elettronica per bioingegneri
8V
A02.6
10V
Tagliatori in alto (sinusoide)
10V
5V
0V
-5V
P
-10V
0s
0.2ms
0.4ms
0.6ms
S
0.8ms
1.0ms
1.2ms
1.4ms
1.6ms
Elettronica per bioingegneri
1.8ms
A02.7
2.0ms
Tagliatori in basso
R1
1k
R2
1k
V1
0Vdc
1Vac
TRAN = 0
D1
D1N4148
P
V3
-5Vdc
0
V2
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 1k
0
D2
D1N4148
V4
-5Vdc
0
D3
D1N4148
D4
D1N4148
V5
0Vdc
1Vac
TRAN = 0
R3
1k
V7
-5Vdc
0
0
0
S
V6
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 1k
R4
1k
V8
-5Vdc
0
Elettronica per bioingegneri
0
A02.8
Tagliatori in basso (vU-vIN)
10V
5V
0V
S
-5V
P
-10V
-10V
-8V
-6V
-4V
-2V
0V
2V
4V
6V
Elettronica per bioingegneri
8V
A02.9
10V
Tagliatori in basso (sinusoide)
10V
5V
0V
S
-5V
P
-10V
0s
0.2ms
0.4ms
0.6ms
0.8ms
1.0ms
Time
1.2ms
1.4ms
1.6ms
Elettronica per bioingegneri
1.8ms
A02.10
2.0ms
Tagliatore simmetrico
R9
1k
V17
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 1k
0
0
D9
D1N4148
D10
D1N4148
V18
4.3Vdc
V19
-4.3Vdc
0
Elettronica per bioingegneri
A02.11
Tagliatore simmetrico (sinusoide)
5.0V
0V
-5.0V
0s
0.2ms
0.4ms
0.6ms
0.8ms
1.0ms
1.2ms
1.4ms
1.6ms
Elettronica per bioingegneri
1.8ms
A02.12
2.0ms
Realizzazione a zener
 Il generatore può essere realizzato a zener
 Per la versione simmetrica si possono usare 2 zener
 Configurazione “back to back”
 Scelte di progetto
 VTAGLIO = VZ +Vγ
 R > > rd +rz
 Si possono realizzare anche tagliatori non
simmetrici
 Zener diversi
 Zener e diodo normale
Elettronica per bioingegneri
A02.13
Tagliatore a zener
V
R10
1k
D11
1N4731
V20
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 1k
D12
1N4731
0
0
Elettronica per bioingegneri
A02.14
Tagliatore a zener (sinusoide)
5.0V
0V
-5.0V
0s
0.2ms
0.4ms
0.6ms
0.8ms
1.0ms
1.2ms
1.4ms
1.6ms
Elettronica per bioingegneri
1.8ms
A02.15
2.0ms
Generatore di funzioni lineari a tratti
 Circuito a due porte che approssima funzioni
generiche
 Partitore con una resistenza non lineare
 Parallelo di rami che si inseriscono per certe tensioni
 Realizzati con resistenze, diodi, generatori (o zener)
vU
VIN
R
VU
vIN
RNL
Elettronica per bioingegneri
A02.16
Osservazioni
 Non è possibile avere pendenze superiori a 1
 Il diodo non è un “amplificatore”
 Si può normalizzare l’uscita in modo da rendere pari a 1 la pendenza
del tratto più inclinato
 Il caso della funzione crescente con derivata
monotona decrescente
 Per diminuire la pendenza, va ridotta la RNL con VU
 Una RNL che decresce con VU si può realizzare aggiungendo
resistenze in parallelo
 Il caso della simmetria
 Si usano coppie di diodi e generatori opposti
VU)
 Così RNL(VU) = RNL(−
Elettronica per bioingegneri
A02.17
Valutatore di funzione
V
R1
32k
V1
0Vdc
1Vac
TRAN = 0
R2
64k
0
0
0
R3
16k
R4
4k
R5
1k
R6
16k
R7
4k
R8
1k
D1
D1N4148
D2
D1N4148
D3
D1N4148
D4
D1N4148
D5
D1N4148
D6
D1N4148
V2
2.3Vdc
V3
4.3Vdc
V4
5.3Vdc
V5
-2.3Vdc
V6
-4.3Vdc
V7
-5.3Vdc
0
0
0
0
Elettronica per bioingegneri
0
A02.18
Funzione simmetrica (vU-vIN)
8.0V
4.0V
0V
-4.0V
-8.0V
-40V
-30V
-20V
-10V
0V
10V
20V
Elettronica per bioingegneri
30V
A02.19
40V
Parte 2
Rivelatori, fissatori
Il rivelatore di picco
Il rivelatore di inviluppo
Il fissatore a valore fisso
Misuratore di valore picco-picco
Elettronica per bioingegneri
A02.20
Il rivelatore di picco
 Memorizza in una capacità la massima tensione
positiva (o negativa) Vin
 Un diodo impedisce la scarica del condensatore
 Il condensatore si scarica a causa della IS e della
corrente di uscita
 Il circuito di uscita deve avere una resistenza di
ingresso elevatissima
 Può essere necessario un tasto di reset
Elettronica per bioingegneri
A02.21
Rivelatore di picco
V
D1
D1N4148
V
V11
C1
10n
0
0
Elettronica per bioingegneri
A02.22
Tensioni nel rivelatore di picco
5.0V
Uscita
4.0V
3.0V
2.0V
Ingresso
1.0V
0V
0s
1ms
2ms
3ms
4ms
5ms
6ms
7ms
8ms
Elettronica per bioingegneri
9ms
A02.23
10ms
Il rivelatore di inviluppo
 È un rivelatore di picco con una resistenza di
valore opportuno per scaricare il condensatore
 Permette al circuito di adattarsi alle variazioni lente di
ampiezza dell’ingresso
 Demodula le modulazioni di ampiezza
 Occorre dimensionare attentamente C e R
 Un valore elevato di C comporta elevate correnti di
carica per il generatore di segnale
 Il prodotto RC (costante di tempo) deve essere grande
rispetto al periodo della portante e piccolo rispetto a
quello del segnale modulante
Elettronica per bioingegneri
A02.24
Un esempio
 Modulazione di ampiezza
 Portante a 1 MHz
 Segnale a 1 kHz
 Profondità di modulazione del 50%
v IN = (1 + M sin( 2πfs t ) ) sin( 2πfp t ) =
= sin( 2πf p t ) + M sin( 2πfs t ) sin( 2πfp t ) =
M
M
= sin( 2πf p t ) + cos( 2π ( fp − fs )t ) − cos( 2π ( f p + fs )t )
2
2
Elettronica per bioingegneri
A02.25
Demodulatore di ampiezza
V
D1
D1N4148
V
V1
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 1MEG
V2
VOFF = 0
VAMPL = 2.5
FREQ = 1001k
C1
10n
R1
10k
V3
VOFF = 0
VAMPL = 2.5
FREQ = 999k
0
0
0
Elettronica per bioingegneri
A02.26
Demodulatore di ampiezza
15V
10V
5V
0V
- 5V
- 10V
- 15V
0s
V( V1 : + )
0 . 2 ms
V ( R1 : 2 )
0 . 4 ms
0 . 6 ms
0 . 8 ms
1 . 0 ms
1 . 2 ms
1 . 4 ms
1 . 6 ms
1 . 8 ms
T i me
Elettronica per bioingegneri
A02.27
2 . 0 ms
Il fissatore a valore fisso
 La tensione di uscita è una replica di quella di
ingresso traslata verticalmente
 È maggiore uguale a un valore assegnato
 La tensione di traslazione è memorizzata su una
capacità
 Una resistenza di uscita permette alla capacità di
seguire l’andamento del segnale
Elettronica per bioingegneri
A02.28
Fissatore
C3
10n
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 1k
V5
D3
D1N4148
R2
330k
V6
0
0
0
Elettronica per bioingegneri
A02.29
Fissatore a 0
30V
20V
10V
0V
-10V
0s
0.5ms
1.0ms
1.5ms
2.0ms
Elettronica per bioingegneri
2.5ms
A02.30
Fissatore a 5 V
30V
20V
10V
0V
-10V
0s
0.5ms
1.0ms
1.5ms
2.0ms
Elettronica per bioingegneri
2.5ms
A02.31
Il misuratore di valore picco-picco
 Fissatore a zero…
 Il segnale viene “appoggiato” sull’asse delle ascisse
 … seguito da rivelatore di picco positivo
 Il massimo di questo segnale è pari al valore piccopicco
 L’uscita di questo circuito può essere maggiore del
massimo valore dell’ingresso
Elettronica per bioingegneri
A02.32
Misuratore del valore picco-picco
D1N4148
D4
C4
10n
VOFF = 0
VAMPL = 10
FREQ = 1k
V7
D5
D1N4148
R3
1Meg
C5
V8
0.7Vdc
0
0
R4
1Meg
10n
0
0
Elettronica per bioingegneri
0
A02.33
Misuratore del valore picco-picco
20V
15V
10V
5V
0V
-5V
-10V
0s
1ms
2ms
3ms
4ms
5ms
6ms
7ms
8ms
Elettronica per bioingegneri
9ms
A02.34
10ms
Fatto & Da fare
 Caratteristica di
trasferimento
 Tagliatori
 Valutatori di funzioni
 Rivelatori
 Fissatori



Raddrizzatori
Circuiti filtranti
Regolatori a zener
Elettronica per bioingegneri
A02.35