Università degli Studi di Lecce Facoltà di Ingegneria Informatica N.O. A.A. 2003/2004. Tesina Esame di Elettronica Analogica II

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1 Università degli Studi di Lecce Facltà di Ingegneria Infrmatica N.O. A.A. /4 esina Esame di Elettrnica Analgica II Studentessa: Laura Crchia Dcente: Dtt. Marc Panare

2 INDICE Presentazine del prgett del cnvertitre AC-DC a valr medi pagg. - Dimensinament dei cmpnenti pagg. - Simulazini in PSpice pagg. -7 Valutazine del rumre d ingress e d uscita in PSpice pagg. 7-8 Valutazini cnclusive pagg. 8-

3 Cnvertitre AC-DC a valr medi Un cnvertitre AC-DC permette di ttenere un segnale cntinu funzine di un dei parametri caratteristici del segnale alternat applicat all ingress. ali parametri caratteristici sn essenzialmente il valr medi, il valr massim di cresta e il valr efficace. Il cnvertitre AC- DC a valr medi utilizza pertant cme parametr caratteristic il valr medi. Si definisce valr medi di un segnale alternat il valr medi del su valre asslut; ess viene anche chiamat valr medi raddrizzat, ppure valr medi asslut. Ad esempi, se tale segnale è una crrente, si può scrivere: I m = i dt, dve I m è il valr medi raddrizzat, i il valre asslut della crrente e il perid. Per realizzare un cnvertitre a valr medi è pertant necessari un raddrizzatre a dppia seminda (all uscita del quale si ha il valre asslut del segnale alternat) cn in cascata un filtr passabass. Utilizziam il seguente circuit per il raddrizzatre a dppia seminda: R R D R Vce U Vce U Vi R V+ V- OS OU OS D R/ V+ V- ua74 OS OU OS V Vcc Circuit del raddrizzatre a dppia seminda. Vcc che è cstituit dal raddrizzatre ad una seminda cn in cascata un amplificatre smmatre al quale è applicata anche la tensine di ingress v i. Quand risulta v i >, la tensine all uscita del limitatre è nulla ( v =). Pertant il smmatre funzina cme un invertitre a guadagn unitari ( v =- v ). Quand risulta invece v i <, è il limitatre che funzina cme invertitre a guadagn unitari ( v = v ). All uscita del smmatre si ha: i

4 R R v = vi v = vi. R R / Pertant risulta: v = se v > v i v = se v < v i i i dve v è la tensine all uscita e v i quella all ingress. Ne cnsegue che la tensine in uscita, uguale in mdul a quella in ingress, è sempre negativa qualsiasi sia il segn della tensine all ingress. La caratteristica di trasferiment è pertant la seguente: V -V -V -.V -4.V -.V V.V 4.V.V V(R:) V_V4 Caratteristica di trasferiment del raddrizzatre a dppia seminda. Per realizzare il nstr cnvertitre AC-DC è sufficiente aggiungere al circuit precedente un cndensatre in parallel alla resistenza di retrazine del secnd perazinale per limitare superirmente la banda passante. Affinché l azine del filtr sia adeguata è necessari che la sua frequenza di tagli f s sia mlt minre della minima frequenza del segnale applicat al cnvertitre, ciò significa che f s deve essere almen dieci vlte più piccla della frequenza del segnale in ingress. L schema del cnvertitre è il seguente: R R4 R D D R C DN448 DN448 Vce U Vce U V C R V+ V- ua74 OS OU OS V+ V- ua74 OS OU OS R Vcc R7 Vcc Circuit cmplet del cnvertitre AC-DC a valr medi. 4

5 dve il cndensatre C tglie l eventuale cmpnente cntinua svrappsta al segnale e le resistenze R e R7 hann la funzine di limitare l ffset e sn rispettivamente uguali a R // R e R // R. Si tenga presente che vist che si prcederà cn la simulazine in PSpice si è suppst di usare cme perazinali il µa74 e per i didi il DN448. Dimensinament dei cmpnenti Prcediam al dimensinament dei cmpnenti: se la frequenza minima del segnale applicat in ingress è di Hz allra f s al massim dvrà essere pari a Hz: f s Hz ma ωs f s =, dve ωs = e π τ s τ = s R C allra, f s = Hz π RC π Hz RC si ha infine: RC π Hz.798 s fissiam allra R = KΩ si avrà che C.98µF ma vist che quest è il valre che C deve assumere quand f s è la massima pssibile (per quant suppst prima), pssiam fissarl più grande, ad esempi: In cnclusine abbiam: C = 4.7µF. R = R = R = R = KΩ R = R = KΩ 4

6 R =. 7KΩ 7 C = C 4.7µ F. = Ora se suppniam di dare in ingress un segnale sinusidale V ( t) = V sin( ωt), peridic di π perid =, si tterrà in uscita: ω π / ω π ω V V V m = V sin( ωt) dt = sin udu = π π π. Simulazini in PSpice Nella nstra simulazine abbiam suppst che l ampiezza del segnale in ingress sia V = V, allra v =. 8V. I mrsetti di alimentazine sn rispettivamente V cc = V e π V ce = V. Per quant riguarda la frequenza del segnale d ingress, cme si evince dalla simulazine per f = Hz l andament del segnale in uscita è scillante intrn al valre medi asslut dell ingress, quest perché in fase di prgettazine abbiam assunt questa cme frequenza minima ammissibile in ingress affinché il circuit funzini cme gli si richiede ma anche perché C una vlta raggiunt il valr medi si scarica in minima parte su R. Si può valutare l errre cmmess in uscita a causa della scarica del cndensatre cme segue: RC V = Vp Vpe dve è il semiperid del segnale in ingress e V p è il valre di picc, prcedend cn l svilupp in serie di aylr, e RC RC allra V V p RC l errre sarà pari a: e = V = V p RC Nel nstr cas per f=hz, e=,9.

7 4.V.V V s.s.4s.s.8s.s V(C:) ime Andament della tensine in uscita per f=hz. Per f = Hz le scillazini sn men apprezzabili perché cme si è vist l errre in uscita è direttamente prprzinale al perid del segnale di ingress e di cnseguenza inversamente prprzinale a f. 4.V.V V s.s.4s.s.8s.s V(C:) ime Andament della tensine in uscita per f=hz. Un sservazine che si può fare analizzand le simulazini è che il valre d equilibri all uscita si raggiunge dp qualche ms a causa dell effett di settling time. Valutazine del rumre d ingress e d uscita cn Pspice Quest prim grafic, ci mstra l andament di V(INOISE) che nn è altr che il valr efficace della smma dei cntributi dei singli cmpnenti, divis per il guadagn (V(ONOISE) riprtat all ingress): 7

8 uv uv V.Hz Hz KHz.MHz MHz GHz V(INOISE) Frequency Andament della tensine di rumre in ingress. uscita: Il seguente grafic, invece rappresenta il valr efficace della smma dei cntributi in nv nv V.Hz Hz KHz.MHz MHz GHz V(ONOISE) Frequency Andament della tensine di rumre d uscita. E evidente che per frequenze fin a ca. Hz è prevalente il rumre flicker, per frequenze superiri si ha essenzialmente rumre bianc anche se tra i KHz e MHz si ha un cmprtament del rumre in uscita nn classificabile dvut a caratteristiche intrinseche del circuit. Valutazini cnclusive La dinamica d uscita del circuit è ntevlmente cndizinata da limiti che sn prpri dei dispsitivi reali. In prim lug si deve tenere cnt del fatt che nn è pssibile mettere in ingress al cnvertitre un segnale cn ampiezza superire alla tensine di alimentazine se si vule ttenere il crrett cmprtament in uscita, perché gli A.O. in quest cas si prterebber in saturazine e ciò cmprterebbe la degradazine del segnale d uscita, cme si evince dalla seguente simulazine in PSpice, dve si è pst V = V (mentre l alimentazine cme vist precedentemente è ± V ). 8

9 V V V s.s.4s.s.8s.s V(C:) ime Il valre che ci si aspetterebbe in uscita è v. 74V mentre si ttiene circa.8v. Le cse peggiran se si aumenta ulterirmente l ampiezza del segnale d ingress. Altra csa di cui bisgna tener cnt è che i due µ A74hann una prpria banda passante che cme si evince dalla seguente simulazine è cmpresa tra Hz e circa KHz. - -.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz MHz DB(V(ut)/V(in)) Frequency Quindi i segnali d ingress cn frequenza maggire verrann defrmati in uscita perché presenterann velcità di variazine superire a quella ammessa dal circuit. Quest fenmen è dett slew rate. Ecc csa succede per un segnale di ampiezza pari a V e frequenza MHz:.mV.mV V s.s.4s.s.8s.s V(C:) ime 9

10 Il seguente grafic rappresenta l andament della tensine d uscita al cnvertitre AC-DC in funzine dell ampiezza del segnale d ingress. Nel valutare l uscita si è mantenuta la frequenza del segnale. Si è prcedut anche, a cnfrntare l uscita cn quell che è il reale valr medi del segnale d ingress, quest ci permette di ntare che il cmprtament del circuit è effettivamente quell crrett finché nn si raggiunge la saturazine, finché ciè l ampiezza dell ingress è minre uguale al valre dell alimentazine. La valutazine è stata fatta per 4V Vamp 4V, perché dalle simulazini in PSpice si è ntat che quand in ingress si ha un segnale cn ampiezza maggire uguale a ca. 4,V il segnale d uscita viene distrt.,, V,Vm,,,,, -, -4, -,,, 4,, Vamp V Vm V amp v V m -4,9,4 -,,7-7,,9,4-9,7 9,49 -, 7,8 7,98 -,8, -7, 4,9 4,4 -,,8 -,,7,,,7,98,8 7, 4, 4,4,8,, 7,88 7,98 9,8 9,49 7,,8,4,8,7 4,9,4 La tabella riassume i valri che hann cndtt al grafic precedente.

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