Guida alle esercitazioni del
Laboratorio di Segnali e Sistemi II
a.a 2016 - 2017
A.NIGRO
Dipartimento di Fisica, Università La Sapienza di Roma
(Revisione marzo 2017)
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Indice
1 Esercitazione n. 1: PSPICE
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2 Circuiti CMOS con l’integrato CD4007
7
3 Filtri attivi
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4 Filtri attivi switching con l’integrato MF10
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5 Oscillatori
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6 Regolatori di tensione lineari
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7 Regolatori di tensione switching
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3
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Capitolo 1
Esercitazione n. 1: PSPICE
L’obiettivo di questa esercitazione e’ quello di imparare ad utilizzare il programma di simulazione PSPICE, partendo da circuiti piu’ semplici per poi costruire quelli piu’ complessi:
• Simulazione di semplici circuiti passivi (partitore resistivo, filtro RC, ecc)
• Amplificatore ad emettitore comune con BJT 2N2222
• Amplificatore logaritmico (vedi dispense del I semestre)
• Circuiti con operazionali, LM358, TL082.
• Circuiti con transistor NMOS.
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Capitolo 2
Circuiti CMOS con l’integrato CD4007
L’integrato CD4007 contiene 3 coppie CMOS (di cui una connessa a invertitore)
Figura 2.1: Schema funzionale del CD4007
Si ricordi che i MOSFET sono intrinsecamente molto delicati e devono essere manipolati
con cautela, evitando di toccare con le mani i piedini. Prima di toccare l’integrato e’
comunque fondamentale "scaricare" a terra, attraverso un buon conduttore, l’elettricita’
statica eventualmente accumulata sul proprio corpo.
E’ altrettanto importante, per evitare di danneggiare l’integrato, non oltrepassare i limiti
previsti dal costruttore per quanto riguarda la tensione di alimentazione, le tensioni agli
ingressi, ecc.
Misura dei parametri di uno dei transistor NMOS
Nel circuito in Fig 2.2 si ha vDS = vGS quindi il transistor e’ certamente in saturazione.
Si puo’ ricostruire la curva di Fig 2.2 misurando iD vs VGS al variare di VDD (o RD ), e poi
studiarne la derivata (ovvero gm ).
Con due misure, in due punti diversi della curva si possono poi ricavare Vt e k ≡ (1/2)kn′ (W/L):
iD1 =
iD2 =
iD1
iD2
=
1 ′ W
k ( )(vGS1 − Vt )2
2 n L
1 ′ W
k ( )(vGS2 − Vt )2
2 n L
(vGS1 − Vt )2
(vGS2 − Vt )2
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Figura 2.2: Circuito per la misura dei parametri
Da cui si ricava:
r
iD1
vGS1 − vGS2
iD2
r
Vt =
iD1
1−
iD2
Infine
W
iD1
1
k ≡ kn′ ( ) =
2
L
(vGS1 − Vt )2
Multiplexer/demultiplexer analogico a 2 vie
Costruire il circuito come mostrato in figura.
Figura 2.3: Multiplexer/demultiplexer analogico
Verificarne il funzionamento come multiplexer: inviare a uno degli ingressi un segnale
sinusoidale e all’altro una tensione costante. Fornire un opportuno clock utilizzando il
secondo generatore di funzioni disponibile sul banco. Osservare la forma d’onda di uscita.
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Figura 2.4: Multiplexer/demultiplexer analogico
Filtro passa-basso switching
Il circuito in Fig 2.4(a) e’ un semplice passa-basso del primo ordine. Puo’ anche essere implementato con tecnologia switching sostituendo R con un secondo capacitore (Fig
2.4(b)).
Progettare (anche utilizzando PSPICE) un tale circuito, con frequenza di taglio di circa
1 kHz, e costruirlo utilizzando il demultiplexer analogico fatto in precedenza. Studiarne le
prestazioni.
Specchio di corrente
Figura 2.5: Specchio di corrente
Costruire uno specchio di corrente (Fig 2.5) e studiarne le prestazioni al variare di R
(ovvero di vDS2 ). In linea di principio la differenza tra le due correnti dovrebbe consentirci
di misurare λ. Infatti, assumendo che i due transistor utilizzati siano identici, si ha
i1 =
i2 =
1 ′ W
k ( )(vGS − Vt )2 (1 + λvGS )
2 n L
1 ′ W
k ( )(vGS − Vt )2 (1 + λvDS2 )
2 n L
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⇒
i1
(1 + λvGS )
=
⇒ misura di λ
i2
(1 + λvDS2 )
Amplificatore con carico attivo
Progettare un amplificatore con carico attivo (Fig 2.6) simulandone il funzionamento con
PSPICE.
Figura 2.6: Amplificatore con carico attivo
Misurare l’amplificazione di tensione e la resistenza d’uscita. Confrontare i risultati con le
previsioni.
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Capitolo 3
Filtri attivi
Filtro passa basso del IV ordine
Filtro passa basso del quarto ordine
C1
R1
C2
R1
C1
R2
R’=(K’-1)R
R2
C2
R’’=(K’’-1)R
R
R
Progettare e costruire un filtro passa-basso del quarto ordine con frequenza di taglio f0 ≃
1kHz utilizzando l’operazionale TL082.
Misurare la funzione di trasferimento (ampiezza e fase) nelle varie configurazioni, Butterworth, Chebyshev e Bessel. Confrontare con le simulazioni.
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Capitolo 4
Filtri attivi switching con l’integrato MF10
In questa esercitazione utilizzeremo l’integrato MF10. E’ importante quindi studiarne il
datasheet per comprenderne il funzionamento e scegliere adeguatamente i parametri.
Filtro del II ordine
Progettare un filtro del II ordine con frequenza caratteristica f0 = 5 ÷ 10 KHz, di tipo
Butterworth (quindi con il Q opportuno), utilizzando l’integrato MF10 nel modo 3 (Fig
4.1a).
Per ridurre i disturbi ad alta frequenza e’ consigliabile (seguendo i suggerimenti del costruttore) mettere un condensatore da 100 nF tra il pin 8 e il pin 9, e un altro tra il pin
13 e il pin 12.
Studiare l’andamento in frequenza delle 3 uscite (LP, BP e HP) per costruire i diagrammi
di Bode. Confrontare i risultati ottenuti con quelli attesi.
Modificare il circuito ottimizzandolo per ottenere un buon passa banda, ovvero con un Q
dell’ordine di almeno 10 o piu’. Studiare l’andamento in frequenza dell’uscita passa-banda.
Filtro del IV ordine
Aggiungere un secondo stadio (Fig 4.1b), scegliendo i parametri in modo da ottenere un
filtro passa-basso Butterworth del IV ordine. Studiare l’andamento in frequenza dell’uscita
LP.
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Figura 4.1: a): Filtro del II ordine; b): Filtro del IV ordine
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Capitolo 5
Oscillatori
Oscillatore sinusoidale a ponte di Wien
Figura 5.1: Ponte di Wien
Progettare e costruire un oscillatore sinusoidale a ponte di Wien con frequenza f0 ≃ 1kHz
utilizzando l’operazionale TL082 (Fig 5.1) .
Simulare il circuito con PSpice studiando l’ampiezza delle oscillazioni al variare della regolazione del trimmer. Effettuare misure sul circuito e confrontarle con i risultati attesi,
in base alla teoria e con quelli ottenuti con la simulazione PSPICE.
Modificare il circuito per aumentare la frequenza di oscillazione. Valutare la massima
frequenza a cui si puo’ arrivare con questo circuito, mantenendo una ragionevole qualita’
della sinusoide.
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Capitolo 6
Regolatori di tensione lineari
Regolatore di tensione con operazionale
Progettare e costruire un regolatore di tensione con uscita +10 V , corrente massima di
uscita di 70 ÷ 80 mA (circa), dotato di circuito di foldback (Fig 6.1), corrente di corto
circuito limitata a circa 30 mA.
Verificarne il funzionamento (compresa l’efficacia del foldback) utilizzando come Vin l’alimentatore triplo (uscita positiva 0÷20 V ). Misurare la regolazione di linea e la regolazione
di carico ottenuta.
Utilizzare un operazionale LM358, il diodo Zener BZX55C4V7 (4.7 V ) e il transistor
2N2222A.
(Attenzione: in questo esperimento occorre tenere conto della massima potenza dissipabile
nei transistor e nei resistori!)
Figura 6.1: Regolatore di tensione con operazionale
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Figura 6.2: Regolatore di tensione con LM723
Regolatore di tensione con integrato LM723
Progettare e costruire un regolatore di tensione con uscita +3 V , corrente massima di
uscita 70 ÷ 80 mA (circa) , dotato di circuito di foldback (Fig 6.1), corrente di corto
circuito limitata a circa 30 mA (Fig 6.2).
Verificarne il funzionamento (compresa l’efficacia del foldback) utilizzando come Vin l’alimentatore triplo (uscita positiva 0÷20 V ). Misurare la regolazione di linea e la regolazione
di carico ottenuta.
(Attenzione: anche in questo esperimento occorre ovviamente tenere conto della massima
potenza dissipabile nei resistori!)
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Capitolo 7
Regolatori di tensione switching
Anche nei circuiti di oggi occorre tenere conto della massima potenza dissipabile nei resistori
utilizzati come carico finale
Regolatore di tensione autocostruito
Costruire un regolatore di tensione switching seguendo lo schema riportato in Fig 7.2.
Questo progetto prevede una tensione di uscita ≃ 7.3 V ottenuta a partire dal diodo Zener
BZX55C4V7.
Verificarne il funzionamento utilizzando come VCC l’alimentatore triplo (uscita positiva
0 ÷ 20 V ). Misurare la regolazione di linea e la regolazione di carico ottenuta.
Regolatore di tensione con LM2575
Figura 7.1: Regolatore di tensione switching con LM2575
Costruire un regolatore di tensione switching con tensione d’uscita ≃ 7.3 V utilizzando
l’integrato LM2575 (Fig 7.1). In questo caso e’ solo necessario costruire il partitore per
ottenere la tensione di riferimento voluta e il filtro passa basso di uscita.
Verificarne il funzionamento utilizzando come VCC l’alimentatore triplo (uscita positiva
0 ÷ 20 V ). Misurare la regolazione di linea e la regolazione di carico ottenuta.
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Figura 7.2: Regolatore di tensione switching
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