Dispositivi elettronici Esperienze di laboratorio

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1 Dispositivi elettronici Esperienze di laboratorio Universitá degli Studi di L Aquila Massimo Lucresi Luigi Pilolli Mariano Spadaccini maggio 2002

2 Esperienza n. 1 Analisi della risposta in frequenza di un circuito RC Per la 1 a esperienza abbiamo realizzato uno schema del tipo Figura 1: schema di un circuito RC Gli strumenti utilizzati per poter effettuare le misure di seguito riportate sono: un generatore di funzioni per l alimentazione; un oscilloscopio per le misure. I valori teorici e sperimentali sono di seguito riportati: Valori ideali Valori sperimentali Freq(Khz) V out V out /V in Sfasamento V out V out /V in Sfasamento

3 Valori ideali Valori sperimentali Freq(Khz) V out V out /V in Sfasamento V out V out /V in Sfasamento Per i calcoli teorici, abbiamo utilizzato i seguenti accorgimenti: V in = (R jωc )I V out = V in 1 jωc +R; jωc per la fase, abbiamo applicato ai valori sperimentali il metodo dell ellissi tramite la formula φ = arcsin A B. É evidente dalla tabella che la frequenza di taglio inferiore rilevata é pari a 16Khz, in accordo con le previsioni teoriche: 2

4 f t = 1 2πRC = Khz Dai valori riportati di modulo e fase, sono stati ricavati i seguenti grafici in scala semilogaritmica, sia per il modulo (Figura 2) sia per la fase (Figura 3): Figura 2: modulo del circuito Figura 3: fase del circuito 3

5 Esperienza n. 2 Studio della curva caratteristica del diodo D1N4148 Per la 2 a esperienza abbiamo realizzato uno schema del tipo Figura 4: schema del circuito Inserendo in serie a V dc un alimentatore in continua a tensione variabile, utilizzando un voltmetro connesso in parallelo al diodo e un amperometro in serie é stata ricavata la tabella seguente: V µa V µa V µa V µa e per interpolazione dei dati riportati, é stata ricavata la curva caratteristica V-I (Figura 5), graficata 4

6 anche in scala semilogaritmica (Figura 6). Figura 5: curva V-I caratteristica del diodo É facile ricavare dai dati in tabella, la resistenza in polarizzazione diretta e indiretta del diodo: V ind1 = 4.9 I ind1 = 0.5 V ind2 = 1 I ind2 = 0.1 V d1 = I d1 = 805 V d2 = 0.9 I d2 = R ind = R d = = 9.75MΩ = 2.93Ω Per le altre considerazioni, prendiamo in esame l equazione caratteristica del diodo: I = I 0 (e V nv t 1) = I 0 e V nv t e a partire dai dati sperimentali é stato possibile ricavare i valori di I 0 e n: Ad esempio, prendiamo i valori della tabella: ed in corrispondenza ln(i) = ln(i 0 ) + V nv t I = I 0 (e V nv t ) V 1 = 0.526V V 2 = 0.549V I 1 = µA ln(i 1 ) = 8.64 I 2 = µA ln(i 2 ) =

7 Figura 6: curva V-I caratteristica del diodo in scala semilogaritmica Per questi valori, la retta passante per i due punti in scala semilogaritmica sará da cui si ricava I = V + ( ) = 20.86V ln(i 0 ) = I 0 = = nv t n = 1.91 avendo preso V t = 25mV (temperatura di 20 gradi centigradi circa). 6

8 Esperienza n. 3 Analisi di cinque tipi di circuiti utilizzanti diodi Raddrizzatore Per il circuito raddrizzatore, abbiamo realizzato uno schema del tipo Figura 7: schema del circuito Per determinare la tensione di taglio V γ del diodo, abbiamo considerato la differenza tra la tensione di entrata e quella di uscita (v. Figura 7); per un ingresso pari a 3V, abbiamo registrato un uscita pari a 2.35V; il valore sperimentale di V γ é 0.65V. Successivamente abbiamo invertito il diodo (v. Figura 9) ed abbiamo fornito la stessa funzione in ingresso (v. Figura 10) e, come era lecito aspettarsi, abbiamo rilevato gli stessi valori (a meno del segno); in particolare, evidenziamo il valore sperimentale V γ =

9 Figura 8: grafico dell uscita Figura 9: schema del raddrizzatore invertito Figura 10: grafico dell uscita del raddrizzatore invertito 8

10 Limitatore Per il circuito limitatore, abbiamo realizzato lo schema in Figura 11. Figura 11: schema del circuito Per determinare la tensione di taglio V γ del diodo, abbiamo considerato la differenza tra la tensione di ingresso e quella ai capi del diodo (v. Figura 12); per un ingresso pari a 3V, abbiamo registrato un uscita pari a 0.7V. Figura 12: grafico dell uscita Il passo seguente é stato l inserimento di un generatore di tensione continua in serie al diodo secondo lo schema di Figura 13, ed abbiamo osservato come la tensione di taglio del circuito vari in relazione alla variazione della componente continua (Figura 14). 9

11 Figura 13: schema del circuito Figura 14: grafico dell uscita del limitatore di livello 10

12 Successivamente abbiamo girato il diodo (v. Figura 15) ed abbiamo graficato l andamento dell uscita (v. Figura 16). Figura 15: schema del limitatore invertito Figura 16: grafico dell uscita del limitatore invertito Di qui, abbiamo nuovamente inserito un generatore di tensione continua in serie al diodo secondo lo schema di Figura 17, ed abbiamo osservato come la tensione di taglio del circuito vari in relazione alla variazione della componente continua (v. Figura 18). 11

13 Figura 17: schema del limitatore d livello invertito Figura 18: grafico dell uscita del limitatore di livello invertito 12

14 Raddrizzatore con condensa tore di filtro Per il circuito, abbiamo realizzato lo schema in figura. Figura 19: schema del circuito Da notare che ad una frequenze di 500Hz abbiamo osservato una tensione di uscita continua (v. Figura 20). Figura 20: uscita del circuito raddrizzatore con condensatore di filtro 13

15 Nuovamente abbiamo invertito il diodo (v. Figura 21) e registrato l uscita (v. Figura 22). Figura 21: schema del circuito raddrizzatore con condensatore di filtro invertito Figura 22: uscita del circuito circuito raddrizzatore con condensatore di filtro invertito 14

16 Il passo successivo é stato quello di inserire una resitenza di 1kΩ in parallelo (v. Figura 23) ed abbiamo osservato la scarica del condensatore (v. Figura 24). Figura 23: schema del circuito circuito raddrizzatore con condensatore di filtro con la resitenza in parallelo Figura 24: uscita del circuito circuito raddrizzatore con condensatore di filtro con la resitenza in parallelo 15

17 Per esaustivitá di comprensione, abbiamo realizzato lo schema in Figura 25 e ovviamente abbiamo rilevato l uscita (v. Figura 26). Figura 25: schema del circuito circuito raddrizzatore con condensatore di filtro con la resitenza in parallelo (diodo invertito) Figura 26: uscita del circuito circuito raddrizzatore con condensatore di filtro con la resitenza in parallelo (diodo invertito) 16

18 CLAMPER Per il circuito, abbiamo realizzato lo schema in figura. Figura 27: schema del circuito Abbiamo osservato come la tensione di uscita si agganci a 0.9V (v. Figura 28). Figura 28: uscita dell agganciatore di tensione 17

19 Nuovamente abbiamo invertito il diodo (v. Figura 29) e registrato l uscita (v. Figura 30). Figura 29: schema dell agganciatore di tensione invertito Figura 30: uscita dell agganciatore di tensione invertito 18

20 Il passo successivo é stato quello di inserire in serie al diodo un generatore in continua di 1V (v. Figura 31) ed abbiamo nuovamente osservato l uscita (v. Figura 32). Figura 31: schema dell agganciatore di livello Figura 32: uscita dell agganciatore di livello 19

21 Per esaustivitá di comprensione, abbiamo realizzato lo schema in Figura 33 e ovviamente abbiamo rilevato l uscita (v. Figura 34). Figura 33: schema dell agganciatore di livello (diodo invertito) Figura 34: uscita dell agganciatore di livello (diodo invertito) 20

22 Raddrizzatore a doppia semionda Per il circuito, abbiamo realizzato lo schema in Figura 35 Figura 35: schema del raddrizzatore a doppia semionda ed abbiamo osservato la funzione di uscita rappresentata in Figura 36. Figura 36: uscita del raddrizzatore a doppia semionda Abbiamo registrato una caduta di tensione massima sulla resistenza pari a a 1.72V, in accordo con la previsione teorica che prevede un taglio pari a a 2V γ (avendo 2 diodi in serie). Essendo 2V γ =1.28V, V γ = 1, 28 2 V = 0.64V Note sul circuito: per effettuare le misure, é stato necessario utilizzare due sonde per evitare che la terra della sonda e la terra del generatore mettessero in corto una coppia di diodi. 21

23 Esperienza n. 4 Studio delle curve caratteristiche del transistor 2N2222 (BJT) Per il circuito raddrizzatore, abbiamo realizzato uno schema del tipo Figura 37: schema del circuito La tensione di ingresso V bb é stata variata da 2V sino a 3.5V per ottenere una corrente di base costante al variare di V cc tra 0 e 20 Volt. Sono stati ricavati i seguenti valori sperimentali, ottenuti per valori della corrente di base rispettivamente pari a 0.5µA, 15µA, 30µA e 45µA. I b 5µA 15µA 30µA 45µA V ce I c1 I c2 I c3 A I c4 A

24 dai quali é stato ricavato il seguente grafico: I b 5µA 15µA 30µA 45µA V ce I c1 I c2 I c3 A I c4 A Figura 38: curve V ce -I c caratteristica Dai dati sperimentali abbiamo potuto ricavare i valori di h fe, h oe e R sat. 23

25 Per h fe h fe = I c I b per I b = 5µA h fe = = 97 per I b = 15µA h fe = per I b = 30µA h fe = per I b = 45µA h fe = = 104 = = ( Per h oe h oe = I V per I b = 5µA V 1 = 0.3V I 1 = 0.475mA V 2 = 0.7V I 2 = 0.485mA per I b = 15µA V 1 = 0.3V I 1 = 1.55mA V 2 = 0.7V I 2 = 1.57mA per I b = 30µA V 1 = 0.3V I 1 = 3.26mA V 2 = 0.7V I 2 = 3.29mA per I b = 45µA V 1 = 0.3V I 1 = 5.04mA V 2 = 0.7V I 2 = 5.08mA h oe = s h oe = s h oe = s h oe =.10 4 s Per R sat R sat = V I per I b = 5µA V 1 = 0.06V I 1 = 0.14mA V 2 = 0.12V I 2 = 0.39mA per I b = 15µA V 1 = 0.06V I 1 = 0.51mA V 2 = 0.12V I 2 = 1.30mA per I b = 30µA V 1 = 0.06V I 1 = 1.04mA V 2 = 0.12V I 2 = 2.74mA per I b = 45µA V 1 = 0.06V I 1 = 1.66mA V 2 = 0.12V I 2 = 4.10mA R sat = 240Ω R sat = 76Ω R sat = 35Ω R sat = 24.5Ω 24

26 Esperienza n. 5 Analisi di un amplificatore ad emettitore comune Per il circuito amplificatore ad emettitore comune, abbiamo realizzato uno schema del tipo Figura 39: schema del circuito Senza il carico R l ed il segnale V in abbiamo calcolato il punto di lavoro: V ce = 5.45V V be = 0.65V I b = 52.21µA I e = 6.382mA I c = 6.330mA Successivamente abbiamo inserito il segnale V in e trovato la frequenza di taglio e il guadagno, utilizzando come carico la resistenza di polarizzazione R c : A v vuoto = 2.00V 0.01V = 200 f t = 20Hz (a vuoto). Dalla frequenza di taglio possiamo ricavare la resistenza di ingresso (R i = hie ) del transitor: f t = 1 2πC(h ie + R s ) h ie = 1 2πCf t 50 = 745Ω 25

27 In accordo con le previsioni teoriche abbiamo trovato un valore di h ie dell ordine del kω. Dall espressione del guadagno, conoscendo h ie possiamo trovare il valre di h fe : R c A v = h fe h fe = A v vuoto (h ie + R s ) = h ie + R s R c Inserito il carico R l (R l precisioni teoriche: = R C ), notiamo che il guadagno si é circa dimezzato, in accordo con le A v carico = 1.00V 0.01V = 100 A R l //R c v carico = h fe = h fe R c h ie + R s 2 h ie + Rs = 1 2 A v vuoto poiché R l //R c = R c //R c = Rc 2. 26

28 Esperienza n. 6 Analisi di un amplificatore a base comune Per il circuito amplificatore a base comune, abbiamo realizzato uno schema del tipo Figura 40: schema del circuito Senza il carico R l ed il segnale V in abbiamo calcolato il punto di lavoro: V be = 653mV I e = 631mA I b = 0.9µA V cb = 5.77V I c = 632mA Successivamente abbiamo inserito il segnale V in e trovato la frequenza di taglio e il guadagno, utilizzando come carico la resistenza di polarizzazione R c : A v vuoto = 3.4V 20mV = 170 f t = 300Hz Dalla frequenza di taglio possiamo ricavare la resistenza di ingresso (R i = hib ) del transitor: f t = 1 2πC(h ib + R s ) h ib = 1 2πCf t 50 = 3.05Ω Dall espressione del guadagno, conoscendo h ib possiamo calcolare il valore di h fb : R c A v = h fb h fb = A v vuoto (h ib + R s ) = 0.9 h ib + R s R c 27

29 e come ci si attendeva, il valore di h fb é vicino all unitá. Inserito il carico R l (R l = R C ), notiamo che il guadagno si é circa dimezzato, in accordo con le precisioni teoriche: A v carico = 1.8V 20mV = 90 A R c //R l v carico = h fb = h fb R c h ib + R s 2 h ib + Rs = 1 2 A v vuoto poiché R l //R c = R c //R c = Rc 2. 28

30 Esperienza n. 7 Analisi di un amplificatore a due stadi Per il circuito amplificatore a due stadi, abbiamo realizzato uno schema del tipo Figura 41: schema del circuito Innanzitutto abbiamo montato solo il primo stadio (quindi escludendo il 2 o ) senza segnale d ingresso, cosí da calcolare il punto di lavoro V be = mV V ce = 5.786V I b = 34.27µA I c = 6.214mA I e = 6.248mA Il passo successiovo stato inserire il segnale per calcolare il guadagno sulla resistenza di collettore R c : A v = 1.55V 0.01mV =

31 Dopo aver trovato questi valori, escludiamo il segnale V in e, montato il secondo stadio, calcoliamo il punto di lavoro dei due transistor: V be1 = mV V be2 = = 0.75V V ce1 = 5.50V V ce2 = 7.2V I b1 = 34.27µA I e1 = 6.229mA I c1 = 6.195mA I b2 = µA I e2 = 48mA I c2 = 47.74mA Abbiamo terminato l esperienza trovando il guadagno sul carico R l (naturalmente inserendo il segnale V in ): A v = 1.2V 0.01mV = 120 e il nuovo guadagno sul collettore del primo transistor: A v 1 o transistor = 1.4V 0.01mV = 140 Note sul circuito: é stato necessario inserire il condensatore C, di elevata capacitá, per evitare che il circuito entri in risonanza a causa delle induttanze parassite, fornendogli un agevole via di fuga verso massa. 30

32 Esperienza n. 8 Curve caratteristiche MOSFET Per analizzare le curve caratteristiche del MOSFET, abbiamo realizzato uno schema del tipo Figura 42: schema del circuito Utilizzando due generatori di tensione, un amperometro ed un voltometro, abbiamo registrato le caratteristiche del MOSFET, variando V ds per ottenere una V ge costante. V gs1 = 2V V gs2 = 2.5V V gs3 = 3V I ds1 (ma) V ds1 (V ) I ds2 (ma) V ds2 (V ) I ds3 (ma) V ds3 (V )

33 V gs1 = 2V V gs2 = 2.5V V gs3 = 3V I ds1 (ma) V ds1 (V ) I ds2 (ma) V ds2 (V ) I ds3 (ma) V ds3 (V )

34 V gs1 = 2V V gs2 = 2.5V V gs3 = 3V I ds1 (ma) V ds1 (V ) I ds2 (ma) V ds2 (V ) I ds3 (ma) V ds3 (V )

35 Interpolando i valori della tabella precedente, si possono graficare le curve caratteristiche: Figura 43: curve desunte dai valori in tabella Il seguente grafico rappresenta invece il valore della corrente di DRAIN in funzione dei valori V gs. Figura 44: curva I d V gs 34

36 Dai dati sperimentali é stato possibile calcolare la trasconduttanza del dispositivo: Ad esempio: 1 o caso g m = I d V gs I d1 = 2.9mA V gs1 = 2.2V I d2 = 9.2mA V gs2 = 2.4V g m = I d2 I d1 V gs2 V gs1 = S 2 o caso I d2 = 9.2mA V gs1 = 2.4V I d3 = 19.4mA V gs2 = 2.6V g m = I d3 I d2 V gs3 V gs2 = S Successivamente abbiamo calcolato la pendenza delle curve nel tratto iniziale R ch (resistenza di channel): R ch = V ds (in interdizione) I d Distinguiamo i differenti casi: V gs = 2.0V I ds1 = 2.47mA V gs1 = 0.05V I ds2 = 3.56mA V gs2 = 0.15V R ch = ( )V ( )mA = 91.7Ω V gs = 2.5V I ds1 = 3.57mA V gs1 = 0.35V I ds2 = 13.77mA V gs2 = 0.045V R ch = ( )V ( )mA = 30Ω V gs = 3V I ds1 = 8.08mA V gs1 = 0.05V I ds2 = 46.4mA V gs2 = 0.35V R ch = ( )V ( )mA = 7.82Ω Dalla pendenza nella zona attiva, é stato possibile ricavare il valore di R o : R o = V ds I d (in saturazione) Distinguiamo i differenti casi: 35

37 V gs = 2.0V I ds1 = 4mA I ds2 = 4.02mA V gs1 = 10V V gs2 = 14V R o = (14 10)V (4.02 4)mA = 200kΩ V gs = 2.5V I ds1 = 19.66mA I ds2 = 22.8mA V gs1 = 10V V gs2 = 15V R o = (15 10)V ( )mA = 1.592kΩ V gs = 3V I ds1 = 81.8mA I ds2 = 89mA V gs1 = 5V V gs2 = 10V R o = (10 5)V ( )mA = 694.5Ω 36

38 Esperienza n. 9 Amplificatore MOSFET a common source Per il circuito amplificatore MOSFET a common source, abbiamo realizzato uno schema del tipo V gg = 2.816V V dd = 7.34V V ss = 0.464V Figura 45: schema del circuito Senza segnale di ingesso e senza carico abbiamo trovato il punto di lavoro: { Vgs = V gg V ss = 2.352V V ds = V dd V ss = 6.876V e I d = I s = 4.68mA Note sul circuito 1. La resistenza di source R ss ha l effetto di stabilizzare il circuito con un feedback negativo: quando aumenta la temperatura del transistor la corrente di drain aumenta (e quindi anche quella di source); l aumento della corrente di source provoca una maggiore caduta di potenziale su R ss, che abbassa il valore di V gs e, quindi, anche quello di I d, riducendo la variazione di I d con la temperatura (e quindi con g m che é il principale parametro dipendente dalla temperatura). 37

39 2. Per polarizzare il gate del transistor siamo costretti ad utilizzare le due resistenze R g1 e R g2 (a differenza del BJT in cui possiamo utilizzare anche una sola resistenza). Se avessimo utilizzato solo la resistenza R g1, poiché nel gate non scorre corrente, la tensione di gate sarebbe coincidente con V dd, e nella resistenza R g1 non scorrerebbe corrente. 3. Abbiamo utilizzato il condensatore C s in parallelo a R ss per mettere a massa il source (per il segnale). Utilizziamo C s molto grande per evitare che la sua frequenza di taglio sia troppo alta. Poiché A v carico = 2.75V 0.2V = 13.75V A v vuoto = 5.7V 0.2V = 28.5V A v vuoto = g m R d g m = A v vuoto R d = S 4. Per quanto riguarda la frequenza di taglio, abbiamo notato la dipendenza da C s : senza carico, la 1 frequenza di taglio é di circa 200kHz invece del valore teorico f t = 2πC g (R g1 //R g2 + R s ) = 2Hz. Come dimostrazione, abbiamo provato a cambiare le due resistenze R g1 e R g2 in modo tale che il loro rapporto rimanga 3,3:1, ma il loro parallelo sia piú piccolo: R g1 = 3.3kΩ R R g2 = 1kΩ g1 //R g2 R g1 //R g2 Il valore della frequenza di taglio rimane circa 20kHz a dispetto del valore teorico 1 f t = 2πC g (R g1 //R g2 + R s ) = 20Hz, a dimostrazione che il valore della frequenza di taglio dipende da C s. 38

40 Esperienza n. 10 Per questa esprerienza abbiamo realizzato due schemi (v. Figura 46 e Figura 47) Senza segnale di ingesso e senza carico abbiamo trovato il punto di lavoro: V cc = 8.37V V ee = 0.37V V bb = 1.65V { Vbe = V bb V ee = 1.28V V ce = V cc V ee = 8V Il passo successivo é stato inserire il segnale per calcolare il guadagno: I b = 30.8µA I c = 3.67µA Note sul circuito La resistenza di R e ha l effetto di stabilizzare il circuito (feedback negativo - v. esperienza n o 9). Dal momento che non utilizziamo un condensatore per mettere a massa l emettitore (per il segnale) la resistenza R e deve essere un compromesso tra stabilitá (piú) é alta, piú il circuito é stabile) e guadagno (piú é bassa, piú alto é il guadagno). 1. Senza carico V in = 40mV V out = 400mV A v = 400mV 40mV = 10 e infatti il guadagno di un amplificatore ad emettitore comune con resistenza sull emettitore é A v = R c//r l R e = 1kΩ// 100Ω La frequenza di taglio per questo circuito é f t = 10Hz. = Carico sul collettore V in = 40mV V out = 180mV A v = 180mV 40mV = 4.5 e infatti il guadagno di un amplificatore ad emettitore comune con resistenza sull emettitore é A v = R c//r l R e La frequenza di taglio per questo circuito é f t = 12Hz. = 5 39

41 Figura 46: schema del circuito con carico sul collettore Figura 47: schema del circuito con carico sull emettitore 3. Carico sull emettitore V in = 40mV V out = 32mV A v = 32mV 40mV = 0.8 La frequenza di taglio per questo circuito é f t = 150Hz. La frequenza di taglio senza carico permette di calcolare la resistenza di ingresso vista dalla base: f t = 1 2πC b (R i + 50) R i = 1 2πC b f t 50 = 1.54kΩ 40