Diodi e transistor sono spesso utilizzati in circuiti ad elementi discreti, insieme a R, C, L. Il diodo è spesso utilizzato nei circuiti

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1 Diodi e transistor sono spesso utilizzati in circuiti ad elementi discreti, insieme a R, C, L. Il diodo è spesso utilizzato nei circuiti raddrizzatori per convertire la corrente alternata, fornita dalla rete di distribuzione a frequenza di 50 Hz, in corrente continua, su cui è invece basata la gran parte della eletronica per piccoli segnali. Il circuito raddrizzatore più utilizzato è il ponte a diodi:

2 Consideriamo il seguente circuito: Dopo il secondario del trasformatore, ho una tensione alternata (a 50 Hz) di ampiezza voluta. Il diodo fa passare corrente nel carico R solo quando la polarizzazione ai suoi capi è diretta (Rdiodo ~ 0 Ohm) mentre quando la polarizzazione è inversa (Rdiodo ~ Ohm) non circola corrente e quindi la caduta di tensione su R è nulla.

3 Per una maggiore efficienza è meglio utilizzare questo circuito: In questo modo, si raddrizza anche la seconda parte dell onda.

4 Per ovviare alla oscillazione, si utilizzano 2 C di alta capacità (più eventualmente 2 diodi zener)

5 Sul funzionamento del diodo funzionano i LED (e quindi tutte le loro applicazioni) e le celle solari. Il transistor è invece utilizzato come elemento amplificatore o come interruttore. Tipico circuito amplificatore: notate la rete di polarizzazione e il segnale di ingresso (con il condensatore di isolamento) applicato alla base. Cerchiamo di capire perché un transistor può funzionare da amplificatore:

6 Nel caso più semplice, il mio circuito sarà del tipo: Trascuriamo per ora il generatore v i, che ci servirà in seguito per simulare il segnale di ingresso. V BB rappresenta la tensione di polarizzazione della giunzione BE, mentre V CC la tensione di polarizzazione della giunzione CE. Questi 2 generatori, insieme alle resistenze R B e R C fissano il punto di lavoro del transistor, cioè il valore delle correnti di base e collettore e la caduta di tensione sulle giunzioni.

7 Per stabilire il valore di I B e V BE devo utilizzare il grafico che riporta la relazione tra queste 2 quantità (è fornito dal costruttore nei cosiddetti data sheet) Punto di lavoro

8 Vado quindi a vedere sul grafico I C vs. V CE a quale curva di corrente di base devo fare riferimento In questo grafico, fornito anch esso dal produttore, ho una famiglia di curve, parametrizzate dal valore della corrente di base. Scelgo la curva corrispondente al valore di I B fissato in precedenza, e fisso V CC e R C per trovare il punto di lavoro Q che mi interessa

9 A questo punto, ho fissato la polarizzazione del mio transistor, cioè le condizioni in cui voglio che il transistor lavori. Cosa succede se ora aggiungo un piccolo segnale v i? Ovviamente, questo segnale farà variare (di poco!) la tensione alla giunzione V BE e quindi anche il valore di I B (indichiamo questa piccola variazione di corrente con il termine i B)

10 La piccola variazione della corrente di base fa variare il punto di lavoro della giunzione CE. Di conseguenza, si avrà una variazione della corrente di collettore i C e della tensione v CE E per questo motivo che ottengo l amplificazione del segnale!

11 In conclusione, in un circuito amplificatore con transistors devo svolgere i seguenti passi: 1) Scelgo una configurazione 2) Scelgo un punto di lavoro statico, polarizzando opportunamente le 2 giunzioni con opportune reti passive (generatori, resistenze ) 3) Verifico in approssimazione di piccoli segnale se l uscita che ottengo è una buona copia (amplificata) del mio segnale di ingresso

12 Per tenere conto delle caratteristiche non lineari di diodi e transistor si utilizzano modelli di tali componenti. Questi modelli possono essere rappresentati come combinazioni di R,C,L + generatori di tensione o corrente pilotati da grandezze (tensioni,correnti) in particolari punti del circuito. Modello di Ebers-Moll

13 Diodi e transistor come elementi circuitali singoli vengono oggigiorno utilizzati in circuiti particolari, specialmente nel campo dei circuiti di potenza. Invece nel campo dei piccoli segnali (audio,video) si preferiscono utilizzare circuiti integrati, per motivi di praticità, economicità, velocità e facilità di progettazione.

14 Nel campo della trattazione analogica di (piccoli) segnali, oggigiorno sono molto spesso utilizzati i cosiddetti amplificatori operazionali: con questo termine indichiamo circuiti complessi, costituiti da decine di componenti attivi e passivi, racchiusi ed integrati in un unico circuito. Per l utilizzatore, tali dispositivi si presentano come dei circuiti integrati IC che completati con pochi altri componenti attivi o passivi sono in grado di svolgere diverse funzioni.

15 Questo è il circuito di un tipico IC che utilizzeremo (amplificatore operazionale 741)

16 Dal punto di vista funzionale, un Amp Op può essere visto come un dispositivo a due porte (concetto già introdotto nelle precedenti lezioni), dove il segnale di ingresso viene modificato in maniera opportuna per ottenere un determinato segnale di uscita. Possiamo quindi introdurre il concetto di Amp Op ideale, che rappresenta l idealizzazione di un circuito non realizzabile tecnologicamente ma comodo da usare nella descrizione di un circuito. Nel seguito, trascureremo la polarizzazione (cioè la necessaria rete di alimentazione per portare il circuito in condizioni operative) dell AmpOp: infatti, la rete di polarizzazione è già integrata nell IC e sarà in genere sufficiente fornire al dispositivo la corretta alimentazione per portarlo al punto di lavoro.

17 Un AmpOp ideale può essere rappresentato in questo modo: La tensione di uscita Vout è proporzionale, tramite Ao, alla differenza tra le tensioni in ingresso (V2-V1)

18 Quindi la funzione di base di un Amp Op è molto semplice moltiplicazione Introduciamo il concetto di amplificatore ideale: Ao infinito resistenza di ingresso Rin infinita resistenza di uscita Rout nulla banda passante infinita

19 La prima domanda che ci possiamo porre è quale sia il significato di un AmpOp ideale. Se il guadagno è infinito, qualsiasi differenza di tensione all ingresso provoca in uscita una tensione infinita!! Ovviamente questo non ha senso la tensione di uscita è limitata dalla tensione di polarizzazione, generalmente pari a +15V e 15V. Consideriamo il circuito seguente:

20 V Se il guadagno fosse infinito, il segnale di uscita sarebbe eguale a V+ o V-, se V2 > 0 oppure V2 < 0 Ovviamente non vero ma questa dipendenza può essere utile in alcuni circuiti (oscillatori)

21 Confronto tra un AmpOp ideale ed uno reale

22 1) -OFFSET NULL 2) -Vin 3) +Vin 4) V- 8) NC 7) V+ 6) OUT 5) +OFFSET NULL

23 Nella maggior parte dei casi, l AmpOp è inserito in un circuito più complesso, che ha il duplice scopo di stabilizzarne il comportamento e di fargli compiere operazioni più complesse della semplice amplificazione. Il circuito più semplice può essere considerato il seguente: Amplificatore invertente N.B. in tutti i circuiti che vedremo, non sarà riportata la tensione di polarizzazione (Microcap fa la stessa cosa)

24 Dimostreremo che il guadagno del circuito è dato dalla semplice formula: A V = - R F / R I Questa espressione è vera nel caso di amplificatore ideale ma funziona anche per amplificatori reali, almeno con una precisione più che sufficiente per qualsiasi scopo. Se guardate il circuito, potete notare una particolarità: la tensione di uscita è rimandata indietro all ingresso semplice esempio di controreazione (feedback)

25 Il modello circuitale di un amplificatore ideale è il seguente: In questa approx, la resistenza di ingresso è infinita, quella di uscita è nulla, il guadagno è infinito o comunque molto grande.

26 Ne segue che le correnti di ingresso sono nulle 1 regola d ora: i p = i n = 0 Inoltre, il guadagno infinito comporta che la differenza tra le tensioni applicate ai due ingressi deve essere nulla, altrimenti il valore della tensione di uscita sarebbe infinito 2 regola d oro: Vp = Vn Applicando tali regole, è possibile calcolare il guadagno del circuito in cui è inserito l amplificatore. Se si vuole invece effettuare un calcolo più preciso, occorre passare ad un modello più realistico dell amplificatore (modello lineare):

27 In tale modello, la resistenza di ingresso è finita, quindi c è assorbimento di corrente. Inoltre, la resistenza di uscita ha un valore finito che può influenzare il comportamento di tutto il circuito a valle. Le regole d oro non sono più applicabili, e per calcolare le grandezze di interesse devo risolvere il problema mediante una analisi più dettagliata.

28 Alla luce di quanto detto, analizziamo ora qualche tipico circuito: - Amplificatore invertente: è la configurazione base per tutti gli schemi in cui il segnale è applicata all ingresso invertente Sostituiamo all amplificatore il suo modello ideale:

29 Poiché i n = 0, la corrente di ingresso deve essere annullata dalla corrente che passa attraverso R2

30 Se Ao è molto grande (infinito) si ha che

31 Allo stesso risultato si poteva arrivare più velocemente utilizzando la seconda regola d oro: In conclusione: Utilizzando la configurazione base dell amplificatore invertente, abbiamo ottenuto un blocco amplificatore il cui guadagno dipende solo dai componenti aggiunti.

32 Configurazione base dell amplificatore non-invertente In tale circuito, il segnale è applicato all ingresso + ed il feedback entra all ingresso Applicando le regole d oro

33 Un caso patologico di questa configurazione si ottiene quando R2 = 0 e R1 = inf voltage follower V 0 1 V = i Si può dimostrare che in questa configurazione si ottiene una elevata Rin e una piccolissima Rout (utilizzo come buffer)

34 Riprendiamo i due amplificatori di base: 1) In ambo i casi, si puo osservare che se il segnale di ingresso è nullo, il segnale di uscita è tuttavia diverso da zero segnali di offset. In sintesi, questa caratteristica dipende dal fatto che stiamo trattando componenti reali e non ideali. Per minimizzare tale effetto, che può essere fastidioso in apparati molto precisi, si utilizzano i pin 1 e 5 dell AmpOp 741 (offset null).

35 2) Una seconda sorgente di errore deriva dalla corrente, piccola ma non nulla, che entra nell AmpOp dai morsetti di ingresso. Questo effetto puo essere minimizzato aggiungendo al morsetto libero una resistenza pari al parallelo delle 2 resistenze di feedback: Amplificatore non invertente

36 Amplificatore invertente 3) Anche le variazioni di tensione dei generatori di polarizzazione possono introdurre rumore indesiderato nel circuito. Per minimizzare tale effetto, spesso si usa introdurre un filtro opportuno in prossimità dei morsetti di collegamento.

37 Il costruttore dell AmpOp fornisce sempre il data sheet del dispositivo: una lettura attenta di tali caratteristiche aiuta nella scelta del corretto device per l applicazione voluta: nelle tabelle come quella riportata nella pagina seguente sono indicati i valori minimi, massimi e tipici dei parametri dell IC, insieme alle condizioni con cui sono stati misurati. Inoltre, il data sheet è spesso una miniera di informazioni utili per una progettazione veloce di un circuito.

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