TESTI ESERCIZI sulla PRIMA PARTE DI ELETTRONICA
ELETTRONICA 2013-14
Gruppo PTGP 19/12/2013
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=1,3kΩ, rz=200 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
Gruppo OVPB 20/12/2013
Dati i seguenti circuiti che realizzano amplificatori a singolo stadio, 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 possibile scegliere la tensione VDS in modo che il MOSFET sia in saturazione con almeno
un margine del 20%.
Progettare le resistenze del circuito in condizioni di polarizzazione. Se ci sono più gradi di libertà
che vincoli, si ricordi che le resistenze sono dell’ordine dei KΩ. Si trascuri il contributo di λ in
polarizzazione.
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
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 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
Gruppo MGL 09/01/2014 (2 h 30’)
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 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 che garantisce con un margine
del 10% il funzionamento di M1 in saturazione; si trascuri il contributo di λ in
polarizzazione). Calcolare la potenza erogata dall’alimentatore (-VSS 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 una capacità e 10 volte più grande dell’altra (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
n
n 1
n
delle costanti di tempo). a1 Ri0 Ci
a2 Ri0 Ci Rij C j
i 1
i 1
j i 1
GRUPPO PMLM 09/01/2013 (1h) - 10/01/2013 (1 h 30’ )
Dato il circuito in figura con il MOSFET a canale n ad arricchimento con kn=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 RR e RD al fine di soddisfare le seguenti specifiche:
VDD
RD
RR
M1
Ro
VG
vo
vi
M2
M3
-VDD
a. 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
Consigli: trovare prima RR che soddisfi le specifiche sulla corrente, quindi procedere con il
calcolo di RD. (VG è un generatore di tensione di polarizzazione)
Disegnare un amplificatore CS con carico attivo, valutarne il guadagno di tensione e la
potenza richiesta dagli alimentatori. Dimensionare il fattore di forma del ramo di riferimento
in modo che l’inserimento del ramo di riferimento pesi in termini di potenza (in
polarizzazione) meno del 10% . Utilizzare per i MOSFET gli stessi dati dell’esercizio
precedente (solo il fattore di forma del MOSFET nel ramo di riferimento sarà diverso).
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 103 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=300 kΩ
RD=8 kΩ
IS=500 µA
vi2
VDD=VSS=3 V
VT=1 V
IS
RS
-VSS
Si trascuri il contributo di RS nella valutazione del punto di polarizzazione. Realizzare il
generatore di corrente reale (IS e RS) con 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. Calcolare il CMRR e la tensione totale Vo1
GRUPPO PDR 10/01/2013 (1h) - 13/01/2013 (1 h 30’)
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=20 e
progettare un amplificatore invertente con guadagno=-30. 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.
GRUPPO RBF 10/01/2013 (1h) - 13/01/2013 (2 h 30’)
Progettare un circuito basato su amplificatori operazionali, che realizzi la seguente funzione:
Vo(t)=5V1(t) -5V2(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
A= 105 ±25%,
out
A·VI
VI
CO
Disegnare un diodo di precisione e quindi raddrizzatore a semplice semionda con detto
diodo. Supponendo applicato in ingresso un segnale sinusoidale di ampiezza picco-picco
uguale a 0.8V, valutare e disegnare la tensione di uscita.
Confrontare il risultato con quello ottenuto con un raddrizzatore realizzato con un semplice
diodo.
