Prova scritta I° parte –ELETTRONICA I – 05/09/06

TESTI ESERCIZI sulla PRIMA PARTE DI ELETTRONICA
ELETTRONICA 2012-13
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 -9V e +9V.
2. Considerando R=10 kΩ ed RL infinita, disegnare l’andamento temporale di VO,
assumendo in ingresso un segnale sinusoidale di ampiezza picco-picco uguale a
15 V e valor medio nullo.
3. Considerando R=10 kΩ ed RL infinita ed in riferimento al segnale di ingresso
sinusoidale, calcolare la massima potenza dissipata sul diodo.
4. Considerando RL=20 kΩ, rispondere a quanto richiesto nei punti 1,2,3.
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 -9V e +9V;
2. disegnare l’andamento temporale di VO, assumendo in ingresso un segnale
sinusoidale di ampiezza picco-picco uguale a 15 V e valor medio nullo;
3. in riferimento al segnale di ingresso sinusoidale, calcolare la massima potenza
dissipata sul diodo.
D
VI
R
vO
Dato il circuito in figura con il MOSFET a canale n ad arricchimento
caratterizzato da K n  100 A V 2 ,   0V 1 , VT  1V , VDD = 2.5V,
vBS=0V
VDD
RD
Progettare opportunamente RS e RD al fine di soddisfare le seguenti
specifiche:
a. corrente ID pari a 50A
b. VDS uguale a 3 volte la tensione limite oltre la quale il
MOSFET si trova in regione di saturazione
M1
Consigli: dalla maglia di ingresso insieme all’equazione del
MOSFET trovare RS, quindi procedere per il calcolo di RD.
Rs
c. Applicare il segnale di ingresso (sottoforma di generatore
ideale di tensione o di corrente) e prelevare il segnale di
-VDD
uscita in modo da realizzare un amplificatore in
configurazione CG e facendo attenzione che detta operazione non influisca sul
circuito di polarizzazione. Calcolare in forma simbolica e numerica la resistenza
vista dal generatore di ingresso, dopo aver disegnato il circuito equivalente alle
variazioni.
Dato il circuito in figura con il MOSFET a canale n ad arricchimento caratterizzato da
K n  100 A V 2 ,   0V 1 , VT  1V , VDD = 2.5V, vBS=0V
VDD
Progettare opportunamente RS e RD al fine di soddisfare le seguenti
specifiche:
corrente ID pari a 100A
VDS uguale a 2 volte la tensione limite oltre la quale il
MOSFET si trova in regione di saturazione
Consigli: dalla maglia di ingresso insieme all’equazione del
MOSFET trovare RS, quindi procedere per il calcolo di RD.
RD
M1
RO
VS
Rs
VO
Individuare la configurazione dell’amplificatore e
-VDD
motivarne la scelta, calcolare in forma simbolica e
numerica la resistenza RO vista dai terminali di uscita, dopo aver disegnato il
circuito equivalente alle variazioni.
Disegnare un amplificatore a MOSFET in configurazione CS con doppia alimentazione
±VDD e resistenza sul Drain RD . Trovare RD eVDD affinché siano soddisfatte le seguenti specifiche:
 VGS= 3V, VDS=3V
utilizzando i seguenti dati
 M1 è un MOSFET ad arricchimento a canale n con caratteristiche
K n  100 A V 2 ,   0V 1 , VT  1V
Scrivere in forma simbolica l’espressione in serie di Taylor dell’equazione: corrente di drain in
funzione della tensione gate-source, al fine di individuare la massima ampiezza V1 di un segnale
sinusoidale applicabile in ingresso affinché siano rispettate le condizioni di linearità.
Calcolare il guadagno di tensione vo/vi e disegnare l’andamento della tensione di uscita (valori
totali) supponendo in ingresso il segnale sinusoidale di ampiezza precedentemente determinata V1.
Dimensionare opportunamente RS e RD al fine di soddisfare le seguenti specifiche



VDD
RD
M1 in zona di saturazione
corrente ID pari a 50A
resistenza REQ (resistenza vista dal source dopo aver staccato la RS)
pari a 10kΩ
M1
Rs
-VDD
utilizzando i seguenti dati
 M1 è un MOSFET ad arricchimento a canale n con caratteristiche
K n  100 A V 2 ,   0V 1 , VT  1V
 VDD = 2.5V.
Applicare un generatore di segnali in ingresso e prelevare la tensione di uscita su un carico
RL uguale a 8kΩ in modo da realizzare una configurazione CD, trovare in forma simbolica
l’espressione del guadagno di tensione e calcolarne il valore.
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  100 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). Calcolare il
VDD
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.
R
D
Dato il circuito in figura con il MOSFET a canale n ad arricchimento
K n  100 A V 2 ,   0V 1 , VT  1V , VDD = 3V,
caratterizzato da
vBS=0V
M1
RO
VS
Rs
-VDD
VO
REQ
Progettare opportunamente RS e RD al fine di soddisfare le seguenti specifiche:
d. corrente ID pari a 80A
e. VDS uguale a 2 volte la tensione limite oltre la quale il MOSFET si trova in
regione di saturazione
Consigli: dalla maglia di ingresso insieme all’equazione del MOSFET trovare RS, quindi
procedere per il calcolo di RD.
Individuare la configurazione dell’amplificatore e motivarne la scelta, calcolare in forma simbolica
e numerica la resistenza RO vista dai terminali di uscita.
Disegnare un amplificatore CS con resistenza di source RS e doppia alimentazione,
dimensionare opportunamente RS e RD al fine di soddisfare le seguenti specifiche:


M1 in zona di saturazione e tale che VDS sia maggiore del doppio della
tensione limite oltre la quale il MOSFET si trova in regione di saturazione.
corrente ID pari a 70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 = 4 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 il guadagno di tensione
vo/vi in forma analitica e numerica. Stimare, commentando i passaggi, il massimo (valore
assoluto) guadagno di tensione raggiungibile dalla configurazione CS al variare di RS e di
RD.
Disegnare un amplificatore CD con doppia alimentazione, dimensionare opportunamente
VDD ed RS al fine di soddisfare le seguenti specifiche:


M1 in zona di saturazione e tale che VDS sia uguale a 5 volte la tensione
limite oltre la quale il MOSFET si trova in regione di saturazione.
corrente ID pari a 70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
Calcolare il guadagno di tensione vo/vi e la resistenza di uscita in forma analitica e numerica.
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¸ ID3= ID2/3
b. VDS1 pari a 3 volte la tensione limite tra la regione di triodo e quella di
saturazione del MOSFET
c. Si trascuri il contributo di λ in polarizzazione.
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)
Si consideri il seguente circuito a due poli
G·VI
IS
RS
R1
C1
VI
RO
R2
C2
VO
Si ricavino i poli della funzione di trasferimento VO/IS utilizzando il metodo delle costanti di
tempo e si verifichi l’applicabilità del metodo.
R1=1 kΩ
R2=5 kΩ
RS=500 kΩ
G=30 mS
C1=10 pF
C2=10 pF
RO=25 kΩ
n
a1   Ri0 Ci
i 1
n 1 
a2    Ri0 Ci
i 1 
n
R
j i 1

ij

C j 

Si consideri il seguente circuito a due poli
R2
A·VI
IS
R1
C1
VO
C2
VI
Si ricavino i poli della funzione di trasferimento VO/IS utilizzando il metodo delle costanti di
tempo e si verifichi l’applicabilità del metodo.
R1 = 5kΩ
C1 = 10pF
A = 10
R2 = 1kΩ
C2 = 5pF
Si consideri il seguente circuito a due poli
R1
VS
A·VI
C1
R2
C2
VI
VO
Si ricavino i poli della funzione di trasferimento VO/VS utilizzando il metodo delle costanti di
tempo.
R1 = 100 Ω
A = 100
R2 = 10 kΩ
C1 = 10 pF
C2 = 10 pF
Si ricavino i poli della funzione di trasferimento VO/VS utilizzando il metodo delle costanti di
tempo e si verifichi l’applicabilità del metodo. Calcolare la frequenza di taglio superiore.
Si consideri il seguente circuito a due poli
n
a1   Rii0 Ci
i 1
Rs
IS
R1
n 1

a2    Rii0 Ci
i 1 
n
R
j i 1
i
jj
G·VI
C1
RO
VI
R2
C2
VO
Si ricavino i poli della funzione di trasferimento VO/IS utilizzando il metodo delle costanti di tempo.
Dopo aver verificato l’applicabilità del metodo.
R1 = 100 Ω R2 = 10 kΩ RS = 50
RO = 100 kΩ
G = 100
C1 = 5 pF
C2 = 10 pF
Si consideri il seguente circuito a due poli
Rs
VS
R1
A·VI
C1
VI
R2
R3
C2
VO
Si ricavino i poli della funzione di trasferimento VO/VS utilizzando il metodo delle costanti di
tempo e si verifichi l’applicabilità del metodo.
n
n 1 
n
Rs=50Ω R1=10kΩ R2=50Ω R3=100kΩ

a1   Rii0 Ci
a2    Rii0 Ci  R ijj C j 
C
=10pF
2
A=10
C1=10pF
i 1
i 1 
j  i 1

Si consideri il seguente circuito a due poli

C j 

R1
IS
R2
C1
Rs
VI
A·VI
R3
C2
VO
Si ricavino i poli della funzione di trasferimento VO/IS con il metodo delle costanti di tempo.
Discutere l’applicabilità del metodo.
n
n 1 
n
Rs=500kΩ R1=10kΩ R2=50Ω R3=100kΩ

a1   Rii0 Ci
a2    Rii0 Ci  R ijj C j 
A=0.2
C1=10pF C2=0.5pF
i 1
i 1 
j  i 1

Definire 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
CO
VI
calcolare la relativa fH , fT .
Ro Co =0.015s
A= 105 ±25%,
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.
Disegnare un amplificatore non invertente. Sapendo che detto amplificatore (retroazionato)
presenta in continua un guadagno reale di 40dB ed una resistenza di uscita di 0.4Ω.
Calcolare il guadagno in continua dell’amplificatore operazionale impiegato, assumendo R0
= 100Ω e fornire un dimensionamento per R1 e R2.