GUIDA ALLE ESERCITAZIONI DI ELETTRONICA DI BASE

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1 GUIDA ALLE ESERCITAZIONI DI ELETTRONICA DI BASE ELETTRONICA APPLICATA I (DU) Queste note contengono i testi di alcune esercitazioni di laboratorio proposte nei corsi di Elettronica Applicata I del Diploma Universitario in Ingegneria Elettronica (Politecnico di Torino, sedi di Torino e Ivrea). Ciascuna esercitazione prevede circa 4 ore per il montaggio e l esecuzione delle misure. I montaggi e le verifiche proposte in queste note richiedono generalmente un tempo superiore; i punti non completati nelle ore di laboratorio possono essere utilizzati per esercitazioni libere. Prima di iniziare a svolgere le esercitazioni è opportuno leggere il documento Svolgimento delle esercitazioni e stesura delle relazioni (eserelxx). Indicazioni sulle modalità d uso delle basette per i montaggi senza saldature sono nel documento Uso della basette per montaggi (usobasxx). Revisioni prima stesura DDC aggiunta parte su diodi FB completata parte transistori e AO DDC portato su WRD DDC aggiunta appendice A DDC aggiunta appendice B DDC aggiunta parte ELN II DDC/RP revisione.g DDC revisione h; app A come introd. DDC rev i: tolta app B DDC aggiornamento eserc. 3 e 4 DDC/FB separazione ELN I/II, rev 9a DDC revisione generale DDC La raccolta di esercitazioni di Elettronica Applicata I DU è stata realizzata da: Dante Del Corso Fabrizio Bonani 1

2 Temi delle esercitazioni di Elettronica Applicata I 1) Circuiti RC Cella passa-basso Cella passa-alto Partitore compensato 2) Circuiti con diodi Caratteristica V(I) della giunzione Raddrizzatore Limitatore Raddrizzatore con filtro 3) Circuiti con transistori Caratteristiche di FET Caratteristiche di BJT Punto di funzionamento Circuiti amplificatori 4) Circuiti con amplificatori operazionali Amplificatore non invertente Amplificatore invertente Sommatore Amplificatore AC Parametri di amplificatori operazionali reali 2

3 Esercitazione 1 Misure su circuiti RC 1. Cella R-C passa-basso Montare il circuito indicato a lato, con = 1K, = 10 nf. Calcolare la posizione del polo e la curva di risposta Vo/Vi a) Applicare un segnale sinusoidale, frequenza 30 Hz e ampiezza 2 Vpp, VI V O b) collegare ai due canali dell oscilloscopio ingresso e uscita del circuito, e misurare il rapporto G = Vo/Vi; calcolare G anche in db; c) ripetere le misure precedenti per frequenze da 100 Hz a 3 MHz, con due misure per decade (valori 1 e 3); riportare i risultati in una tabella e in un grafico, con asse delle frequenze logaritmico e ampiezza in db (diagramma di Bode). d) Ricavare dal grafico una stima della frequenza di taglio e confrontarla con quella ottenuta con calcolo e con simulazione SPICE. e) Applicare all ingresso un onda quadra con frequenza 20 KHz e ampiezza 1 Vpp. f) Riportare su diagramma tarato la forma d onda rilevata in uscita. g) Ricavare graficamente la costate di tempo (tangente nell origine, tempo impiegato per raggiungere il 60% del valore a regime, o altri metodi). h) Confrontare con il risultato ottenuto tramite la misura in frequenza (punti precedenti). 2. Cella R-C passa-alto Montare il circuito a lato, con gli stessi componenti della cella RC passa basso. Ripetere le misure eseguite per il passa basso. V O 3

4 3. Celle R-R-C passa-alto con zero e polo Montare il circuito a lato, con = 10 nf, = 5,6 K, = 5,6 K. Ripetere le misure del punto 1.1; dal diagramma di Bode ricavare le posizioni del polo e dello zero, e confrontarle con i valori calcolati. Applicare un segnale a onda quadra a frequenza di 1, 10, 100 KHz, e giustificare le forme d onda in uscita. V O Montare il secondo circuito e verificare qualitativamente che ha un comportamento analogo al precedente. V O 4. Celle R-R-C passa-basso con zero e polo Montare i due circuiti sotto riportati, con = 10 nf, = 5,6 K, = 5,6 K. Ripetere le misure del punto 1.3. V O V O 4

5 5. Partitore compensato Montare il circuito a lato con = 12 K, = 1,2 K, = 1 nf, C2 = 10 nf. Applicare un segnale a onda quadra con frequenza di 250 Hz, e rilevare la forma d onda in uscita. Discutere il risultato, Ripetere la misura per = 470 pf e = 3,3 nf; C2 V O Discutere i risultati osservati. Esiste una combinazione di valori dei componenti che permette di ottenere una risposta in frequenza piatta (il circuito si comporta come un partitore resistivo)? Giustificare analiticamente questo risultato. 5

6 Esercitazione n. 2 Circuiti con diodi 2.1 Caratteristica V(I) Usando lo schema a lato: a) misurare la caratteristica tensione corrente del diodo 1N4007 (limitare la tensione inversa a 20 V e la corrente diretta a 100 ma), b) verificare l andamento esponenziale della caratteristica, e ricavare i parametri I S e V T. V DC R 1k V D I D 1N4007 c) Tracciare la caratteristica del diodo direttamente su oscilloscopio (usare come sorgente di tensione un generatore di segnali triangolari, da -10 V a 10 V. 2.2 Raddrizzatore Montare i circuiti riportati nel seguito: 1N4007 R 10K V P =5V f=10khz R 10K V P = 5V f = 10KHz 1N4007 a) rilevare l andamento della tensione per segnali di ingresso a 10 khz; b) rilevare l andamento della tensione per segnali di ingresso a 300 Hz; discutere le differenze riscontrate. c) Ripetere le due misure caricando l uscita con il circuito a lato, con V DC = 20 V, e motivare le differenze di comportamento tra i due circuiti. 100K V DC 6

7 2.3 Limitatore R 10K Montare il circuito sotto riportato (è un unico circuito; cambia solo il verso di inserzione del diodo) V P = 3V 1N4007 a) Rilevare l andamento della tensione in uscita al variare della tensione continua V DC nel campo da -5 V a 5 V. f = 10KHz -5V / 5V V DC b) Ripetere la misura per segnali di ingresso a 300 Hz; discutere le differenze riscontrate. R 10K V P = 3V 1N4007 f = 10KHz -5V / 5V V DC 2.4 Raddrizzatore con filtro Misurare la componente continua e il valore picco-picco della componente variabile della tensione V nel circuito a lato. V P = 3V 1N4007 C 4.7n f = 10KHz R 10K V 7

8 Esercitazione n. 3 Circuiti con Transistori Rilevamento delle curve caratteristiche Questa esercitazione prevede il rilevamento di caratteristiche V(I) o V2(V1). In entrambi i casi conviene eseguire la misura con due strumenti, rispettivamente per la variabile di ingresso (quella che viene variata dall operatore per spostarsi nei vari punti da misurare), e per quella dipendente, o di uscita. Gli strumenti possono essere due multimetri, oppure un multimetro e l oscilloscopio. Voltmetri e amperometri analogici collocati sugli alimentatori sono generalmente di precisione non adeguata. 3.1 Verifica qualitativa del funzionamento di un FET E possibile verificare qualitativamente il comportamento di un dispositivo a effetto di campo con un semplice esperimento: predisporre un multimetro per la misura di resistenze (campo fino a 1 MΩ); collegare Drain e Source al multimetro, lasciando aperto il Gate (come se si dovesse misurare la resistenza tra Drain e Source); muovere nelle vicinanze (2-10 cm) del Gate un oggetto elettricamente carico (ad esempio materiale plasitico strofinato su lana). Evitare di toccare direttamente il morsetto di Gate; si osservano delle brusche variazioni della resistenza tra Source e Drain, dovute alle cariche elettriche indotte sul morsetto di Gate, che - modulando lo spessore della zona di svuotamento in prossimità della giunzione - varia la conducibilità del canale. Questo esperimento permette di verificare rapidamente se un dispositivo a effetto di campo (FET) è ancora operativo. Per non danneggiare il componente, evitare di toccare il terminale di Gate! 3.2 Verifica qualitativa del funzionamento di un BJT E possibile verificare qualitativamente se le giunzioni di un transistore bipolare hanno subito danni: predisporre un multimetro per la verifica di diodi (di solito indicata con il simbolo del diodo), oppure per la misura di resistenze (campo fino a 100 kω); verificare il corretto funzinamento delle giunzioni BE e BC: per ciascuna giunzione misurare la resistenza nei due versi: da un lato deve esservi conduzione, dall altro assenza di conduzione, o resistenza molto alta. Questa prova indica se le giunzioni sono danneggiate, ma non verifica la funzionalità del transistore in zona attiva: se viene rilevata una anomalia nelle giunzioni il transistore sicuramente va considerato guasto; in assenza di anomalie può invece essere operativo. Una reale verifica di funzionalità va eseguita misurando il β (operazione direttamente eseguibile su alcuni multimetri). 8

9 3.3 Caratteristiche di un transistore a effetto di campo (FET) Montare il circuito riportato nello schema a lato, realizzando i generatori di tensione variabile con l alimentatore. Il JFET è tipo 2N3819 o similare. Le resistenze R G e R D inserite rispettivamente nelle maglie Gate-Source e Drain-Source servono per limitare di corrente in caso di errati collegamenti. La misura delle tensioni V GS e V DS deve essere effettuata sui morsetti del dispositivo, a valle delle resistenze. La resistenza nella maglia di Drain permette anche di ricondurre la misura della corrente I D a una misura di tensione. Effettuare inizialmente le misure su 4-5 punti nel campo indicato, e in un secondo passo infittirle nelle zone con variazione più rapida della grandezza di uscita. Per limitare la potenza dissipata nel transistore,evitare valori di I D (o I C ) superiori a 10 ma. a) Ponendo V DS a 10 V e variando V GS da 0 a - 5 V, ricavare la trascaratteristica I D (V GS ), e la tensione di pinch-off V P. b) Ponendo V GS = V P /2 e variando V DS da 0 a 20 V, ricavare un ramo della caratteristica I D (V DS ). V GG G V GS D I D S V DS V DD Suggerimenti: se la regolazione sull alimentatore non consente di regolare facilmente le tensioni basse, inserite un partitore (realizzato con un potenziometro) all uscita dell alimentatore stesso. attenzione al segno della V GS : per dispositivi a canale N deve essere V GS < 0 V. 9

10 3.4 Caratteristiche di un transistore bipolare (BJT) Montare il circuito riportato nello schema a lato, con transistore tipo 2N2222 o similare, con le stesse avvertenze del montaggio precedente (Ia maglia di base é pilotata in corrente dal gruppo V BB -R B ). a) Ponendo V CC a 20 V e variando I B da 1µA a 100µA circa, tracciare la caratteristica I C (I B ) e il grafico di β = I C /I B. R B I B Q1 I C R C 3,9k b) Per tre valori di I B : 3µA, 10µA, 50µA, variando V CE da 0 a 20 V ricavare tre rami della caratterisica di uscita I C (V CE ). V BB 220k V BE V CE V CC Suggerimenti: Usando il generatore di segnali con onda triangolare come sorgente di tensione V BB o V CC variabile, tracciare le caratteristiche sopra indicate direttamente sullo schermo dell oscilloscopio. 3.5 Punto di funzionamento di BJT Gli schemi riportano due diversi circuiti di polarizzazione. In questi circuiti e nei successivi porre V CC = 20 V, salvo diversa indicazione. 1M I B 3.9k I C Q2N2222 V CC 20 V 47k 22k I B 3.9k I C R4 3.9k V CC 20 V Q2N2222 a) Calcolare il punto di funzionamento I B, I C, V CE ; b) Misurare I B, I C, V CE, V BE nei due circuiti (evitare, per quanto possibile, di modificare il circuito per eseguire la misura, ad esempio effettuando misure indirette della corrente) c) Confrontare i risultati delle misure con il punto di funzionamento calcolato d) Ripetere le misure con altri transistori dello stesso tipo e con transistori diversi. Discutere le differenze riscontrate tra le due reti di polarizzazione e tra i vari transistori 10

11 3.6 Circuiti amplificatori - 1 Il circuito di questo punto e i seguenti sono una serie di varianti successive dello stesso schema base. Conviene predisporre il montaggio in modo tale da poter eseguire le varianti senza dover smontare e rimontare totalmente il circuito. Montare il circuito riportato nel primo schema a) Calcolare il punto di funzionamento I B, I C, V CE ; b) Verificare il punto di funzionamento (I C, V CE ) c) Misurare il guadagno a 1000 Hz. d) Misurare la resistenza equivalente di ingresso (inserire in serie all ingresso una resistenza di valore prossimo a quello stimato per la R I, e misurare la variazione di segnale). e) Misurare la resistenza equivalente di uscita (inserire in parallelo all uscita una resistenza di valore prossimo a quello stimato per la R U, e misurare la variazione di segnale). Suggerimenti: I condensatori presenti nel circuito sono elettrolitici; valutare il segno della componente continua su ciascun morsetto per inserirli con polaritá corretta. Verificare la forma d onda in uscita; la misura deve essere effettuata con segnale non distorto; eventualmente ridurre con un partitore l ampiezza del segnale fornito dal generatore. 47k 3.9k C2 V CC 20 V 47µF Q1 47µF Q2N k R6 3.9k C3 220µF 11

12 3.7 Circuiti amplificatori - 2 Inserire in uscita uno stadio a collettore comune, come indicato nello schema. a) Calcolare il punto di funzionamento I B, I C, V CE del transistore Q2; b) Verificare il punto di funzionamento (I C, V CE ) del transistore Q2 c) Verificare il nuovo guadagno a 1000 Hz d) Misurare la resistenza equivalente di ingresso. e) Misurare la resistenza equivalente di uscita Discutere le differenze rispetto al circuito precedente. 47k 3.9k Q2N2222 V CC 20 V 47µF Q1 Q2N2222 Q2 C2 47µF 22k R6 3.9k C3 220µF R5 2.2k 12

13 3.8 Circuiti amplificatori - 3 Eseguire le stesse misure sui due circuiti qui riportati. a) Calcolare il punto di funzionamento I B, I C, V CE dei transistore Q1 e Q2; b) Verificare il punto di funzionamento (I C, V CE ) c) Misurare il guadagno a 1000 Hz d) Misurare la resistenza equivalente di ingresso e la resistenza equivalente di uscita. e) Discutere le differenze rispetto ai circuiti precedenti. 47k 3.9k C2 V CC 20 V 47µF 22k Q1 R6 3.3k 47µF 2N2222 R4 330 C3 220µF 47k 3.9k 2N2222 V CC 47µF 22k Q1 R6 3.3k 2N2222 R4 330 Q2 C3 220µF C2 47µF R5 2.2k 13

14 Esercitazione n. 4 Circuiti con Amplificatori Operazionali 4.1 Amplificatore AC Montare il circuito riportato nello schema a lato, con alimentazione - 15 V. Il segnale applicato all ingresso deve essere a valor medio nullo e di ampiezza inferiore a 100 mveff, salvo diversa indicazione. - LM k a) Misurare il guadagno per segnali sinusoidali con frequenze di: 100, 1.000, , Hz; 12k b) Determinare a quale frequenza la risposta dell amplificatore cala di 3 db. (cioè la posizione del polo verso le frequenze alte - mantenere il segnale in uscita a livello basso, tale da non causare distorsione visibile). c) Applicare un segnale a onda quadra di ampiezza tale da mantenere il circuito in linearitá (ampiezza picco-picco in uscita pari a 15 V, corrispondente a circa metà dell intervallo tra le tensioni di alimentazione); valutare lo slew rate dell uscita. d) Applicare un segnale sinusoidale e verificare la presenza di distorsione da slew rate (il segnale di uscita prende una forma approssimativamente triangolare); verificare lo slew rate massimo del circuito. e) Calcolare, dato lo slew rate indicato sulle specifiche, la massima frequenza per cui un segnale di 1 V PP in uscita non é soggetto a distorsione a causa dello slew rate. Verificare con misure il risultato. f) Modificare il circuito inserendo in parallelo a R 1 un condensatore C 1 da 150 pf (schema a lato). Ripetere le misure del punto a), e discutere le differenze. - LM k g) Applicare un segnale di 100 mv eff a 1000 Hz; variare l offset di uscita del generatore di segnale di ingresso e verificarne l effetto sul segnale in uscita. 12k C2 h) Modificare il circuito inserendo in serie a R 2 un condensatore C 2 da 470 nf (schema a lato); ripetere la misura del punto a), e discutere le differenze. i) Applicare un segnale a onda quadra di ampiezza tale da mantenere il circuito in linearitá; predisporre il periodo in modo tale da ottenere in uscita un segnale approssimativamente come in figura. Da misure sulle forme d onda ricavare la costante di tempo associata ai condensatori. C 1 e C 2 (conviene effettuare due misure con diversa frequenza dell onda quadra). Vu t 14

15 4.2 Correnti I B e I OFF Montare il circuito indicato nello schema. Applicare all ingresso un segnale sinusoidale a frequenza 1 khz e ampiezza 100 mv eff a) Inserire in serie ai due ingressi resistenze come indicato nella tabella, e verificarne l effetto in uscita - LM741 R 1 R 2 0 Ω 0 Ω 0 Ω 1 MΩ 1 MΩ 0 Ω 1 MΩ 1 MΩ (conviene inserire le due resistenze da 1 M Ω, e cortocircuitarle quando richiesto) b) Ricavare dalle misure precedenti il valore delle correnti circolanti nei morsetti di ingresso, e definire un modello per il circuito di ingresso che tenga conto di tali correnti. Per eseguire queste misure l oscilloscopio deve essere accoppiato in DC. 4.3 Tensione di offset di ingresso (V OFF ) Montare il circuito indicato a lato. a) Calcolare la tensione in uscita dovuta alle correnti di ingresso (utilizzare i valori misurati nel punto 4.2). b) Misurare la tensione in uscita per = 0. Il valore ottenuto è giustificato dalle correnti di ingresso misurate? c) Dalle misure effettuate ricavare un modello del circuito di ingresso. LM741 10k 10 - R k d) Calcolare il valore della tensione di ingresso necessario per ottenere = 0. Verificare sperimentalmente quanto calcolato. Variando la temperatura dell amplificatore operazionale (ad esempio scaldandolo con un saldatore) si può osservare una variazione della tensione di uscita. A cosa è dovuta? 15

16 4.4 Amplificatore invertente Montare il circuito riportato nello schema, con alimentazione - 15 V, con R 3 = 0. a) Applicare all'ingresso un segnale triangolare di 1 V PP, periodo 3 ms; b) Determinare il guadagno misurando il segnale in ingresso e in uscita; c) Verificare che il morsetto invertente dell'amplificatore operazionale è a potenziale prossimo a massa. d) Aumentare l'ampiezza del segnale di ingresso a 5 V PP, e verificare il comportamento del segnale in uscita; in base a questa misura tracciare il diagramma ( ) per un campo di tensioni di ingresso da - 2,5 a 2,5 V. Verificare il comportamento della tensione di uscita al variare delle tensioni di alimentazione (entro un campo di - 4 V rispetto al valore nominale). e) Verificare l effetto dell inserimento in uscita di carichi da 1kΩ e 100 Ω sulla dinamica di uscita (escursione massima, con operazionale portato in saturazione) e sul guadagno (con amplificatore che rimane in linearità). Se collegando il carico si innescano oscilazioni, collegare un condensatore ceramico da 100 nf tra le alimentazioni (quanto più possibile vicino ai piedini dell integrato). f) Con segnale di ingresso triangolare e circuito operante in linearità inserire una resistenza R 3 da 100 kω e 1 MΩ, e verificarne l effetto sull uscita. Ricavare per la maglia di ingresso dell operazionale un modello che renda conto degli effetti rilevati in questo punto. 150k 15k - LM741 10k 16

17 4.5 Amplificatore non invertente Per l esecuzione delle esperienze che prevedono l uso di un potenziometro, conviene dotare lo stesso di manopola graduata, per leggere più agevolmente la posizione del cursore. Montare il circuito riportato nello schema, con alimentazione - 15 V. Il generatore V 1 corrisponde alla tensione di alimentazione 15 V. a) Realizzare la resistenza R 2 variabile nel campo di valori indicato collegando in serie una resistenza fissa ed un potenziometro di valore opportuno. b) Scegliere i componenti che fissano il guadagno dell'amplificatore (R 3 e R 4 ) in modo da ottenere in uscita: = 10 V per R 2 = 2 kω (scegliere un valore di R 4 compreso tra 5 e 50 kω). c) Tracciate il diagramma (R 2 ) teorico e sperimentale (5 punti di misura). d) Trasformare il circuito in un sommatore, aggiungendo un secondo ingresso al quale viene applicata una tensione V 2 pari a - 15 V, con guadagno tale da ottenere: = 0 V per R 2 = 1 kω senza cambiare i valori di R 3 e R 4. e) Mantenendo i valori precedenti per V 1 e V 2, modificare il circuito (eventualmente variando il guadagno) in modo da ottenere: = 0 V per R 2 = 1 kω; = 10 V per R 2 = 2 kω. f) Tracciare i nuovi diagrammi (R 2 ) per i casi d) ed e). V 1 10k LM k - R4 17

18 4.6 Amplificatore differenziale Per l esecuzione delle esperienze che prevedono l uso di un potenziometro, conviene dotare lo stesso di manopola graduata, per leggere più agevolmente la posizione del cursore. Montare il circuito riportato nello schema, con alimentazione - 15 V. Il circuito può essere visto come un amplificatore differenziale, in cui la tensione V 2 è ottenuta dalla V 1 tramite il potenziometro P 1. a) Applicare all'ingresso un segnale sinusoidale di 0,5 V eff, frequenza 200 Hz. b) Verificare che esiste una posizione di P 1 per cui = 0. Misurare il valore del guadagno A V = /V 1 per alcune posizioni (4 o 5) del potenziometro P 1. c) Calcolare la relazione tra posizione di P 1 e guadagno A V. Per semplificare il calcolo, osservare che la resistenza equivalente vista sul cursore del potenziometro è molto maggiore del carico formato da R 3 R 4. Indicare la posizione del potenziometro con un coefficente α, variabile da 0 a 1, proporzionale all angolo di rotazione; nell ipotesi fatta V 2 = α V 1. La funzione da calcolare è A V.(α). Determinare per quale valore di α = 0. a) Dalle misure del punto b), tracciare il diagramma del guadagno A V in funzione della posizione di P 1. Confrontarla con il calcolo fatto al punto c). V 1 P1 1k V 2 10k 22k 100k - LM741 R4 100k 4.7 Guadagno ad anello aperto A d Montare il circuito riportato a lato, con alimentazione - 15 V. a) Misurare il guadagno ad anello aperto (il partitore permette di avere un segnale misurabile in rapporto noto con la V d ) 1k 100k - 10k LM741 R