Laboratorio di Elettronica II. Esperienza 4. Realizzazione e misura di un amplificatore a BJT

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Susanna Casadei
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1 Laboratorio di Elettronica II Esperienza 4 Realizzazione e misura di un amplificatore a BJT

2 Attività Realizzazione dell amplificatore progettato e simulato nella precedente esperienza ( 3 ): - Montaggio del circuito con saldatura dei componenti - Verifica sperimentale del punto di lavoro dei transistors e della funzione di trasferimento Misura del contenuto armonico di un segnale e della distorsione armonica introdotta dall amplificatore

3 Obiettivi di Apprendimento Riconoscere BJT, diodi, condensatori Montare un prototipo con saldatura dei componenti Acquisire sensibilità sull accordo tra simulazioni e risultati sperimentali Definizione della distorsione armonica Utilizzo dell oscilloscopio digitale in modalità FFT Caratterizzazione sperimentale della distorsione armonica

4 Schema dell amplificatore Vcc=15V C 1 680n R 1 47k R 2 39k Q 1 R c 1k2 R e 33 C 4 6.8n 1n4148 Vcc=15V 2k2 Q 2 Q u C 3 R L 330 V OUT C 2 100u + R e2 1k LED verde 120

5 Obiettivi di Apprendimento Intervento Silvia Roncelli: - Spiegazione su condensatori ( vari tipi e come si leggono ) - Spiegazione su diodi ( diodi al silicio, Zener, Germanio, Schottky, Varicap, LED, Laser ) - Spiegazione su transistori (vari tipi, case TO e serie ) - Saldatura dei componenti e montaggio di un prototipo 5

6 Scheda per montaggio con saldatura

7 Prototipo dell amplificatore 7

8 Prototipo dell amplificatore + collegamenti

9 Collegamenti e strumentazione

10 Attività pratica Verificare con il multimetro il punto di lavoro dei transistors (Vce, Ic). Confrontare i risultati sperimentali con le simulazioni PSpice Utilizzando l oscilloscopio e il generatore di funzioni, costruire per punti il diagramma di Bode del modulo della funzione di trasferimento (impostare l ampiezza in ingresso in modo da non avere distorsione apprezzabile visivamente in uscita)

11 Misura di Vce Multimetro in modalità voltmetro Vcc=15V Vin C 1 680n R 1 47k R 2 39k Q 1 R c 1k2 R e 33 C 4 6.8n 1n4148 Vcc=15V 2k2 Q 2 Q u C 3 R L 330 V OUT C 2 100u + R e2 1k LED verde 120

12 Misura di Ic Multimetro in modalità voltmetro Vcc=15V Vin C 1 680n R 1 47k R 2 39k Q 1 R c 1k2 R e 33 C 4 6.8n 1n4148 Vcc=15V 2k2 Q 2 Q u C 3 R L 330 V OUT C 2 100u + R e2 1k LED verde 120

13 Misura della risposta in frequenza Generatore di Funzioni Impostare il trigger su Ch2 Oscilloscopio Wave: sinusoidal Amplitude 100mVpp ch1 ch2 Vcc=15V C 1 680n R 1 47k R 2 39k Q 1 R c 1k2 R e 33 C 4 6.8n 1n4148 Vcc=15V 2k2 Q 2 Q u C C 2 100u + R e2 1k LED verde 120

14 Misura della risposta in frequenza freq Vin Vout Av=Vout/Vin 20Log(Av)

15 Distorsione Armonica x(t) y(t) Se l amplificatore è assunto lineare, y(t) = a x(t) La forma d onda in uscita coincide con quella in ingresso. Il segnale d uscita è una replica, scalata in ampiezza del fattore a, del segnale in ingresso Se l amplificatore è non-lineare, la caratteristica ingresso-uscita può essere descritta da un polinomio: y(t) = a x(t) + a 2 x(t) 2 + a 3 x(t)

16 Distorsione Armonica x(t) y(t) y(t) = a x(t) + a 2 x(t) 2 + a 3 x(t) Gli amplificatori reali sono non-lineari, ma si comportano in buona approssimazione come amplificatori lineari fintanto che i termini con le potenze del segnale di ingresso sono trascurabili rispetto al primo termine. Ciò è tanto più verificato quanto più il segnale è piccolo Quando i termini esponenziali non sono trascurabili, la forma del segnale d uscita differisce da quella del segnale in ingresso L amplificatore introduce distorsione

17 Distorsione Armonica x(t) y(t) y(t) = a x(t) + a 2 x(t) 2 + a 3 x(t) DC fondamentale armoniche

18 Distorsione Armonica V y(t) = a x(t) + a 2 x(t) 2 + a 3 x(t) V ω0 x(t) y(t) V 2ω0 V 3ω0 V 4ω0 ω 0 ω 0 2ω 0 3ω 0 4ω 0 ò

19 Distorsione Armonica Totale y(t) = a x(t) + a 2 x(t) 2 + a 3 x(t) V x(t) y(t) V ω0 V 2ω0 V 3ω0 V 4ω0 ω 0 ω 0 2ω 0 3ω 0 4ω 0 La distorsione armonica totale è definita come radice quadrata del rapporto fra la somma delle potenze delle armoniche e la potenza della fondamentale ò

20 Fast Fourier Transform con Oscilloscopio L oscilloscopio permette di visualizzare la trasformata di Fourier del segnale d ingresso. L asse Y riporta l ampiezza delle armoniche, misuata in Vrms o in dbvrms=20log(vrms)

21 Fast Fourier Transform con Oscilloscopio L asse delle frequenze è strettamente legato all intervallo temporale visualizzato (T) ed al numero di campioni (#samples) acquisiti: T FFT La risoluzione in frequenza è determinata dalla lunghezza temporale della traccia (T). Maggiore è il numero di periodi visualizzati, migliore è la risoluzione La frequenza massima visualizzata è inversamente proporzionale all intervallo di campionamento: T/#samples

22 Attività pratica Misura del contenuto armonico di un segnale ad onda quadra con l oscilloscopio Generatore di Funzioni Oscilloscopio F=5kHz 0.45V rms 1Vpp 0.15V rms 90mV rms 5kHz 15kHz 25kHz

23 Misura del contenuto armonico di un onda quadra Impostare l unità di misura della scala verticale dell FFT in Vrms. L ampiezza delle varie armoniche può essere misurata con i cursori:

24 Distorsione armonica dell amplificatore wave: sinusoid f=1khz Generatore di Funzioni Impostare il trigger su Ch2 e visualizzare FFT del canale 2 Oscilloscopio ch1 ch2 Vcc=15V C 1 680n R 1 47k R 2 39k Q 1 R c 1k2 R e 33 C 4 6.8n 1n4148 Vcc=15V 2k2 Q 2 Q u C C 2 100u + R e2 1k LED verde 120 Misurare la distorsione armonica per due diverse ampiezze di ingresso: (1) la massima ampiezza che non produce distorsione apprezzabile visivamente in uscita (e.g. 100mVpp) (2) ampiezza che produce una debole distorsione apprezzabile visivamente sul segnale di uscita (e.g. 200mVpp)

25 Distorsione armonica dell Amplificatore Vin=100mVpp (scala verticale della FFT in dbvrms) THD ~ HD2 =-57dB

26 Distorsione armonica dell Amplificatore Vin=200mVpp (scala verticale della FFT in dbvrms)

27 Nota: THD db dalle misure di HD ndb

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