LABORATORIO SPERIMENTALE ESERCITAZIONE nr. 3 ELETTRONICA I

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1 LABORATORIO SPERIMENTALE ESERCITAZIONE nr. 3 ELETTRONICA I Fig. 1: Vista dall alto della "basetta" utilizzata nell esercitazione con i transistor Fig. 2: Schema dei circuiti presenti sulla scheda elettronica 1

2 Premesse L alimentazione va connessa prima di accendere l alimentatore duale, preventivamente tarato a +5V e -5V. L'alimentazione bilanciata è utilizzata solamente dall'amplificatore differenziale, tutti gli altri amplificatori utilizzano un'alimentazione sbilanciata (+5V, GND). Poiché si esamineranno segnali dell ordine delle decine di millivolt, è preferibile settare l attenuazione delle sonde a x1 I collegamenti effettuati con i ponticelli (in seguito chiamati jumper) possono essere effettuati con alimentazione e segnale inseriti. Porre inizialmente tutti i jumper nello stato OFF (connessione disattivata) salvo i jumper JP13 e JP14 che devono stare nella posizione ON. Fig. 3: Posizioni per lo stato ON e OFF dei ponticelli (jumper) Esperienza n. 1: CE- caratteristica di trasferimento ingresso-uscita e storage time Fig. 4: Componenti utilizzati per analizzare la caratteristica di trasferimento del CE e lo storage time. 2

3 Il transistor BD437 è connesso nella configurazione CE ed è utilizzato per visualizzare sull'oscilloscopio la caratteristica ingresso-uscita dello stadio. Al fine di salvaguardare gli altri circuiti presenti sulla "basetta" occorre porre tutti i jumper nello stato OFF salvo i jumper JP 13 e JP 14 posti nello stato ON. "Settare" l'oscilloscopio nel modo di visualizzazione "X-Y" e utilizzare, come segnale d'ingresso, un'onda triangolare di frequenza fondamentale f o 30 Hz e ampiezza picco-picco V pp 2.5 V. Verificare quindi la caratteristica invertente dello stadio misurando la tensione sul collettore di Q 7 (TP 5 ) al variare della tensione di ingresso. Se la traccia non è continua settare la persistenza dell immagine sull oscilloscopio a 1 sec o valori maggiori. Fig. 5: Schema circuitale per analizzare la caratteristica di trasferimento del CE e lo storage time. Valutare i livelli di saturazione della tensione in uscita (sempre sul collettore di Q 7 ) nei due stati estremi di interdizione e di saturazione del transistor (eventualmente aumentare l ampiezza della tensione di ingresso fino a V pp =3.5 V) Misurare poi l'amplificazione in zona attiva del transistor e verificare la dipendenza di tale amplificazione dalle due resistenze R 20 e R 21. Valutare anche il β del transistor (β 150). Passare quindi alla visualizzazione dello storage time: con un'onda quadra di frequenza fondamentale f o 1 KHz e V pp = 2.7V. Distinguere i vari intervalli di cui si compongono le commutazioni utilizzando scale dei tempi sull oscilloscopio di 1μs o 2.5μs. Per esaminare le due transizioni interdizione-saturazione e saturazione-interdizione agire sulla pendenza di sincronizzazione (trigger slope). Verificare inoltre come aumentando l ampiezza del segnale d ingresso (fino a V pp =3.5 V) aumenti lo storage time. Esperienza n. 2: CE - amplificazione per piccoli segnali Il transistor Q 1 è polarizzato mediante le resistenze R 1,R 3, R 4 e il trimmer TR1. In particolare il valore della resistenza tra base e massa, realizzata appunto con il trimmer TR1, può essere variata da 0 a 5KΩ. I condensatori di blocco C 2 ed eventualmente C 3 impediscono che tensioni esterne in continua modifichino lo stato di polarizzazione del transistor. 3

4 Fig. 6: Componenti utilizzati per l'amplificatore nella configurazione CE Fig. 7: Schema dell'amplificatore nella configurazione CE Verifiche di polarizzazione Si stabilisca inizialmente il punto di lavoro. Utilizzare eventualmente due sonde e misurare la differenza tra due nodi (per es. collettore-emettitore). Con i jumper JP 1, JP 2, JP 3, JP 4, JP 5 e JP 7 OFF, si visualizzino (oscilloscopio in connessione DC) le tensioni sul collettore (TP 1 ) e sulla base per verificarne lo stato. Agendo sul trimmer TR1 si determinino così il valore minimo di tensione sulla base che porta il transistor in interdizione ( 0.4V) e il valore massimo che lo porta in saturazione ( 1.3V). Usare la funzione media per misurare i valori in continua visualizzati sull oscilloscopio. Stabilire infine un valore di TR1 che permetta una tensione in continua sul collettore di circa 2V. 4

5 Verificare che, cortocircuitando la resistenza sull'emettitore di Q 1 (JP 2 ON), il transistor si porta in saturazione e che è più critica la regolazione del punto di lavoro in zona attiva del transistor. Verifiche di amplificazione Con JP 2 OFF e con tensione in continua regolata sul collettore a 2V, applicare un segnale di ingresso sinusoidale (Vpp 40 mv, Freq. 10 KHz) alla base di Q 1 ponendo il jumper JP 5 ON. Utilizzare eventualmente due risoluzioni differenti per i due canali CH1 (segnale d ingresso generato dal generatore di funzioni) e CH2 (segnale in uscita sul collettore del transistor Q 1 ) e settare la connessione di CH2 in AC per eliminare l informazione della polarizzazione. Misurare l'amplificazione prelevando il segnale sul collettore (TP 1 ) ed esaminare lo sfasamento tra ingresso e uscita. A quali componenti del circuito è da addebitare in massima parte il valore di quest'amplificazione? Misurare successivamente la tensione dopo il condensatore di blocco C 3. Non ci sono variazioni di ampiezza del segnale che però sarà privo della componente in continua dovuta alla polarizzazione. Ripetere la misura a frequenza inferiore e verificare che già a 1KHz l'amplificazione si riduce. Eseguire la misura del sag percentuale con onde quadre (fondamentale 12 KHz) e farne una verifica analitica. Modificare il circuito inserendo il condensatore di bypass C 1 (tramite JP 1 ) con lo stesso segnale sinusoidale: l'amplificazione di tensione subisce un forte incremento. Se il segnale è deformato utilizzare un segnale a frequenza più elevata ( 100kHz). Dare una spiegazione sulle eventuali differenze. Una misura del sag percentuale in queste condizioni rivelerà un suo peggioramento. Aggiungere successivamente, come ulteriore carico in parallelo alla resistenza R 4 (1.8 KΩ) sul collettore di Q 1, la resistenza da 180 Ω R 5 (JP 7 ON). Si otterrà una forte riduzione del guadagno (retta di carico dinamica più bassa). Successivamente avremo modo di vedere che, per ovviare a questo problema, occorrerà inserire tra amplificatore e carico, di valore eccessivamente basso, un buffer. In particolare verrà utilizzata una configurazione a collettore comune posta in cascata alla presente configurazione CE. 5

6 Esperienza n. 3: CB - amplificazione per piccoli segnali Fig. 8: Componenti utilizzati per l'amplificatore nella configurazione CB Fig. 9: Schema dell'amplificatore nella configurazione CB Senza modificare lo stato di polarizzazione del transistor Q 1 stabilita nella configurazione CE, si disconnetta il segnale dalla base (JP 5 OFF) e si cortocircuiti a massa un terminale del condensatore C 2 (per il segnale, la base di Q 1 sarà così posta a massa) ponendo JP 4 ON. Si applichi poi il segnale d'ingresso all'emettitore (JP 3 ON). La configurazione così realizzata, con il prelievo del segnale in uscita sul collettore (TP 1 ), è quella del base comune. 6

7 Si applichi l'identico segnale d'ingresso sinusoidale (V pp =40mV, Freq=10kHz) utilizzato nella configurazione CE per confronto. Verificare che il guadagno di tensione è sempre elevato, ma a differenza del CE, il segnale d'uscita è in fase con il segnale di ingresso. Eventuali sfasamenti sono dovuti a una nuova frequenza di taglio a -3dB inferiore che risente delle nuove costanti di tempo, differenti da quelle realizzate con la configurazione CE. Alzando la frequenza del segnale di ingresso ( 100kHz) l ampiezza del segnale in uscita aumenta denunciando una condizione di maggior guadagno. In realtà si osservi come a queste frequenze l ampiezza del segnale fornito dal generatore di funzioni si riduce notevolmente. Spiegarne il motivo. Esperienza n. 4: CC - amplificazione per piccoli segnali Fig. 10: Componenti utilizzati per l'amplificatore nella configurazione CC Fig. 11: Schema dell'amplificatore nella configurazione CC 7

8 Il circuito di polarizzazione è una variante al circuito classico di autopolarizzazione ed è utilizzato per aumentare la resistenza dinamica d'ingresso dello stadio. Tale variante è costituita da un circuito di bootstrap con condensatore. Verificare inizialmente lo stato di polarizzazione del circuito che deve stare in zona attiva (VE 163 mv, VC 2.11V, IC 1mV). Per il segnale utilizzare un segnale sinusoidale V pp =200mV, Freq.=10kHz. Applicare il segnale connettendo JP 10 e verificare, misurando la tensione sull'emettitore (eventualmente dopo il condensatore di blocco (T 2 )), che l'amplificazione è positiva (segnali in fase) e circa unitaria (inseguitore di tensione). E' evidente che il segnale prelevato sul collettore è nullo (utilizzare la connessione AC sull oscilloscopio per visualizzare solo il segnale e eliminare la componente in continua di polarizzazione. Infatti il condensatore elettrolitico da 22μF cortocircuita a massa, attraverso l'alimentatore, il collettore. Con il generatore di segnale assimilabile ad un generatore con una piccola resistenza serie e collegato direttamente alla base del transistor Q 2, il bootstrap non offre particolari vantaggi. La sua utilità si manifesterà nella successiva esperienza relativa a due amplificatori in cascata CE-CC. Esperienza n. 5: Amplificatori CE-CC in cascata Fig. 12: Componenti utilizzati nel multistadio CE-CC 8

9 Fig. 13: Schema delle connessioni nella cascata CE-CC Per ottenere questo doppio stadio occorre porre ON JP 5 e JP 8 mentre devono essere OFF JP 2, JP 3, JP 4, JP 7 e JP 10. Predisponiamo il transistor Q 1 (configurato CE) nelle condizioni di minore amplificazione non inserendo C 1 (JP 1 OFF) e inizialmente poniamo JP 11 OFF (bootstrap escluso). Utilizziamo lo schema con minore amplificazione perché, se inseriamo C 1, il guadagno di tensione dello stadio è molto alto e, poiché il generatore di forme d'onda non riesce a fornire segnali troppo piccoli, supereremmo la massima dinamica consentita (usciamo dalla zona di funzionamento lineare). Lasciamo le polarizzazioni inalterate rispetto ai precedenti casi. Applichiamo un segnale lievemente più grande al transistor Q 1 (40 mv, 10KHz) e preleviamo il segnale d'uscita sull'emettitore di Q 2 (TP 2 ). Il CC bufferizza il carico R 10 =180Ω evitando la forte riduzione dell'amplificazione registrata nell'esperienza con il solo CE, quando un carico analogo R 5 =180 Ω era connesso direttamente in uscita. La tensione presente sul collettore di Q 1 riappare (inseguitore di tensione) lievemente attenuata sull'emettitore di Q 2. Per aumentare la retta di carico dinamica di Q 1 e quindi il guadagno di tensione, inseriamo il condensatore di bootstrap (JP 11 ). Con il teorema di Miller si può dimostrare che la resistenza d'ingresso del secondo stadio è aumentata. Questa variazione può essere rilevata misurando il segnale sul collettore di Q 1 (TP 1 ) nelle due situazioni di JP 11 connesso o meno. 9

10 Esperienza n. 6: Amplificatore differenziale Fig. 14: Componenti utilizzati nell'amplificatore differenziale Fig. 15: Schema dell'amplificatore differenziale Il circuito differenziale con BJT utilizza: Alimentazione bilanciata (-5V, +5V) Una resistenza variabile (trimmer TR 4 ) per compensare le asimmetrie del circuito 10

11 Una resistenza variabile (trimmer TR 2 ) per la regolazione del guadagno Uno specchio di corrente (modificabile in un generatore di corrente di Widlar) con regolazione della corrente erogabile mediante il trimmertr 3 Verifiche di polarizzazione Porre tutti i jumper nella posizione OFF salvo JP 13 e JP 14 ON per connettere tra loro e a massa le due basi dei transistor Q 3 e Q 4. Porre JP 12 ON per realizzare lo specchio di corrente. Misurare le tensioni in continua che si manifestano sui collettori di Q 3 (T 3 ) e Q 4 (T 4 ). Agire dapprima sul trimmer TR 2 alfine di ridurre al massimo le differenze fra le due tensioni (corrisponde al massimo valore resistivo offerto da TR 2 ). Agendo sul trimmer TR 4 si azzeri l eventuale differenza di tensione residua esistente tra in due collettori, originata dalle asimmetrie del circuito. Ottenuta l'identità delle due tensioni, si regoli il trimmer TR 3, che modifica la corrente erogata dallo specchio, fino per es. a ottenere una tensione sui collettori pari a 1V. Si può successivamente provare a modificare il punto di lavoro per portare le stesse tensioni sui collettori a 0V, al fine di avere una tensione continua nulla in assenza di segnale. Verifiche di amplificazione con ingresso single-ended Applicare un segnale di ingresso sinusoidale ad entrambi gli ingressi (JP 14 OFF e JP 13, JP 16 ON) per valutare l'amplificazione di modo comune. Il piccolo valore di tensione registrato, corrispondente ad un alto valore del CMRR, dipende dall'aver utilizzato un generatore di corrente per alimentare il circuito. Se si inserisce la resistenza R 17 da 47 Ω sull'emettitore di Q 5 (JP 12 OFF) otteniamo un generatore di Widlar: la corrente erogata si riduce (cambia lo stato di polarizzazione), aumenta la resistenza del generatore di corrente reale e conseguentemente aumenta il valore del CMRR. Applicare il precedente segnale (V pp 200 mv, Freq 10 KHz) all'ingresso del solo transistor Q 3 cortocircuitando a massa la base del transistor Q 4 (JP 13 OFF e JP 14 ON). Misurare quindi le tensioni che si manifestano sui due collettori di Q 3 e Q 4 controllandone anche gli sfasamenti. E preferibile connettere l oscilloscopio in AC per eliminare la componente in continua. Agire sul trimmer TR 2 per regolare ulteriormente il guadagno dell'amplificatore. Verifiche di amplificazione con ingresso differenziale Occorrono due generatori di funzioni con i relativi collegamenti agli ingressi SOURCE1 e SOURCE2 della scheda elettronica. Applicare il precedente segnale (V pp 200 mv, Freq 10 KHz) all'ingresso del transistor Q 3 e un segnale onda quadra (V pp 60 mv, Freq 150 KHz) all'ingresso del transistor Q 4 (JP 14, JP 13 OFF e JP 15, JP 16 ON). Sull oscilloscopio si visualizzi sul CH1 il segnale proveniente dal generatore di funzioni tarato per fornire il segnale sinusoidale, mentre sul CH2 si colleghi la sonda agganciata al collettore di Q 3 o Q 4. Il trigger sia settato sul CH1. Le connessioni siano preferibilmente AC. Ovviamente il segnale sul CH2 potrebbe avere problemi di sincronismo. Utilizzare allora il tasto sull oscilloscopio RUN-STOP. Si potrà così verificare come sul CH2 sia evidente l operazione di differenza fra i due segnali. 11