buffer di tensione e di corrente

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7 CIRCUITI DISACCOPPIATORI DI TENSIONE E DI CORRENTE 7.1 Trasferimento di segnale tra stadi 7.2 Disaccoppiatori di tensione 7.2.1 Stadio Source follower 7.2.2 Distorsione di uno stadio Source follower 7.2.3 Ottimizzazione dei collegamenti 7.2.4 Stadio Emitter follower 7.3 Distorsione di più stadi in cascata 7.4 Stadi disaccoppiatori con carichi attivi 7.5 Disaccoppiatori di corrente 7.6 Effetti della resistenza finita dei transistori

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schemi elementari

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Page 1: Buffer Di Tensione e Di Corrente

7

CIRCUITI DISACCOPPIATORI DI

TENSIONE E DI CORRENTE

7.1 Trasferimento di segnale tra stadi

7.2 Disaccoppiatori di tensione

7.2.1 Stadio Source follower

7.2.2 Distorsione di uno stadio Source follower 7.2.3 Ottimizzazione dei collegamenti 7.2.4 Stadio Emitter follower

7.3 Distorsione di più stadi in cascata

7.4 Stadi disaccoppiatori con carichi attivi

7.5 Disaccoppiatori di corrente

7.6 Effetti della resistenza finita dei transistori

Page 2: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 2

7.1 TRASFERIMENTO DI SEGNALE TRA STADI

I circuiti amplificanti introdotti nei capitoli precedenti non vengono, in genere,

usati da soli. E’ più facile vederli connessi tra di loro a formare circuiti complessi

che realizzino desiderate funzioni, come ad esempio amplificare un segnale,

filtrarlo in frequenza, pilotare degli attuatori esterni o altro. Nel realizzare i

collegamenti necessari a questi scopi sarebbe molto comodo che le caratteristiche

di ogni singolo stadio progettato singolarmente (polarizzazione, guadagno,

distorsione, ecc.) non venissero modificate quando collegato con il successivo

stadio, così da poter calcolare separatamente le singole caratteristiche e poi

comporle tra loro nel definire le caratteristiche globale del circuito multistadio. Se

ad esempio si disponesse di due amplificatori con guadagno 10 e fosse richiesto un

amplificatore con guadagno 100, sarebbe comodo poter semplicemente collegarli

in cascata, uno dopo l’altro. Sappiamo che ciò può avvenire solo se vengono

rispettate alcune fondamentali regole di accoppiamento tra stadi, riassunte nei

seguenti punti:

- La tensione di polarizzazione del nodo di uscita dello stadio precedente deve

coincidere con la tensione di polarizzazione del nodo di ingresso dello stadio

seguente. Se la salvaguardia della polarizzazione dei due stadi non fosse

possibile, bisogna ricorrere all’accoppiamento tramite una capacità in serie,

come già visto nel par.5.2

- Se devo trasmettere un segnale di tensione da uno stadio al successivo senza

perderne una frazione significativa, è necessario che l’impedenza di uscita

dello stadio precedente sia la più bassa possibile, sicuramente più bassa

dell’impedenza di ingresso dello stadio seguente (da cui il suggerimento a

fare l’impedenza di ingresso dello stadio successivo la più alta possibile);

- Se devo trasmettere un segnale di corrente da uno stadio al successivo senza

perderne una frazione significativa, è necessario che l’impedenza di uscita

dello stadio precedente sia la più alta possibile, sicuramente più alta

dell’impedenza di ingresso dello stadio seguente (da cui il suggerimento a

fare l’impedenza di ingresso dello stadio successivo la più bassa possibile).

Un semplice esempio che riassume le problematiche del collegamento tra stadi può

essere trovato nel circuito della Fig.7.1, dove ad un amplificatore viene collegato

un carico resistivo esterno.

L’amplificatore da solo (Fig.7.1(a) in cui VT=0.6V, k=4mA/V2) presenterebbe un

guadagno G=-gmRD=-10 ed una resistenza di uscita pari a 2.5k. Se ora gli

collegassimo direttamente al Drain una resistenza RL=1k (Fig.7.1(b)) essa

provocherebbe sia una variazione del valore di polarizzazione (la tensione di uscita

passerebbe da Vu=2.5V a Vu=0.71V), sia una riduzione del guadagno su segnale a

G=-gm(RD||RL)=-2.8. L’introduzione di una capacità di disaccoppiamento

Page 3: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 3

(Fig.7.1(c)) risolve solo parzialmente il problema. La polarizzazione infatti

verrebbe salvaguardata ma il guadagno sarebbe comunque ridotto a G=-2.8 perché

alle frequenze di lavoro il condensatore sarebbe un cortocircuito e quindi il segnale

di corrente erogato dal transistore vedrebbe comunque sul collettore il parallelo tra

RD ed RL. Solo se RL>>RD gli effetti limitanti del collegamento diretto del carico

RL sarebbero trascurabili: cioè solo se l’impedenza di uscita dell’amplificatore

risultasse molto più bassa del carico collegato. E’ chiaro che diminuire il valore di

RD non è la soluzione corretta perché provocherebbe una diminuzione del

guadagno.

7.2 DISACCOPPIATORI DI TENSIONE

Per non alterare le prestazioni dello stadio amplificatore di tensione ogni volta che

lo si deve collegare ad un carico esterno RL, una possibilità è quella di interporre

tra l’amplificatore ed il carico un nuovo circuito, chiamato di disaccoppiamento o

buffer. Poiché si vuole che il segnale di tensione presente all’uscita

dell’amplificatore si trasmetta al meglio al carico, questo nuovo circuito da

interporre tra i due deve essere un lettore “ideale” della tensione ai capi di RD (e

quindi deve avere impedenza di ingresso la più elevata possibile) e deve poterla

erogare ai capi di RL senza alterarne il valore grazie ad una impedenza di uscita la

più bassa possibile.

(a)

R1

390k

RD

2.5k

+ 5V

1 mAR2

110kvin

1k

sensore

C=

amplificatore

Vu=+2.5V

(b)

R1

390k

RD

2.5k

+ 5V

1 mAR2

110k

Vu=0.71V

RL

1kvin

1k

sensore

C=

amplificatore

(c)

R1

390k

RD

2.5k

+ 5V

1 mAR2

110k

VD=+2.5V

RL

1kvin

1k

sensore

C=

amplificatore

C=

Fig. 7.1 Conseguenze prodotte dal collegamento di un carico esterno

RL=1k ad un amplificatore avente una resistenza di uscita di

RD=2.5k.

Page 4: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 4

7.2.1 Stadio Source follower

Gli stadi amplificatori con resistenza di degenerazione visti nel capitolo

precedente soddisfano in gran parte a questi requisiti purché vengano utilizzati in

maniera alternativa a quella allora discussa, prelevando ora il segnale dal morsetto

di Source (Emettitore) invece che da quello di Drain (Collettore).

Consideriamo infatti il circuito della Fig.7.2 che ben conosciamo ed analizziamone

le caratteristiche nella nuova modalità d’uso in cui l’uscita è presa al Source. Con

l’aiuto del circuito equivalente per piccoli segnali a destra della figura troviamo

- il trasferimento tra ingresso ed uscita, pari a

Gv

v

R

g R

u

in

s

m s

1

(7.1)

Esso è sempre inferiore all’unità, ma vi si avvicina sempre di più quanto

più RS>1/gm. Proprio per questo aspetto, cioè per il fatto che la variazione

del potenziale del Source segue la variazione della tensione del Gate, lo

stadio prende il nome di Source follower.

- la resistenza di ingresso pari a

Rin = R1||R2. (7.2))

Basterà quindi scegliere valori elevati di resistenze di polarizzazione per

avere complessivamente una elevata impedenza di ingresso dello stadio,

come desiderato. Vedremo presto che molto spesso il partitore R1 e R2

può essere addirittura eliminato, perché si usa la tensione stazionaria di

uscita dello stadio precedente per polarizzare il Gate. In questo caso la

R1 RD

+ VDD

R2 RSvin

C=

Vu

vin

1/gm

RS

Vu

Fig. 7.2 Circuito amplificatore con resistenza di degenerazione di Source

utilizzato come disaccoppiatore di tensione prendendone l’uscita

sul Source. A destra il relativo circuito equivalente per il calcolo

del trasferimento del segnale.

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Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 5

resistenza di ingresso del follower diventa la resistenza del Gate del

MOSFET, che possiamo considerare infinita.

- la resistenza di uscita pari a

Ru=RS||1/gm. (7.3)

Poiché abbiamo interesse che RS>>1/gm per avere guadagno più prossimo

a 1, l’impedenza di uscita è sostanzialmente pari a 1/gm. Nell’ipotesi che

VA= (cioè resistenza di Early infinita), essa è relativamente piccola e non

dipende da nient’altro del circuito se non dal MOSFET e da come è stato

polarizzato.

Notate che la resistenza RD sul Drain non ha alcun effetto nel trasferimento né

ha ora più alcuna utilità in quanto la variazione di tensione ai suoi capi non è

più di interesse. Essa quindi è opportuno che venga tolta, risparmiando così

un componente (nei circuiti integrati questo vuol dire risparmiare spazio, e

quindi costi) ed assicurandoci la massima dinamica possibile positiva fino

all’alimentazione VDD senza mai fare uscire il MOSFET dalla sua corretta

zona di funzionamento (perché il Drain, che ora sta alla tensione VDD, sarà

sempre più in alto del Gate o al limite allo stesso potenziale).

Riassumendo, questo circuito è utilizzabile come disaccoppiatore per segnali di

tensione perché:

- l’impedenza di ingresso è molto alta. Il circuito quindi non carica

impedenzialmente lo stadio che lo pilota.

- l’impedenza di uscita è molto bassa, prossima a 1/gm. Il circuito quindi si

presenta in uscita come un buon generatore di tensione con una resistenza

serie facilmente più piccola del carico successivo.

- modifica poco il guadagno del circuito globale, perché il suo trasferimento è

molto vicino all’unità.

- ha estesa dinamica lineare, perché, nell’ipotesi praticamente sempre

verificata di avere il Drain direttamente collegato all’alimentazione senza

l’aggiunta della inutile resistenza RD, il Gate può essere fatto salire fino

all’alimentazione senza che il MOSFET esca dalla corretta zona di

funzionamento.

Page 6: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 6

E 7.1 (a) Calcolare la tensione Vu di polarizzazione dell’uscita, il guadagno di

tensione G=vu/vin, l’impedenza di ingresso e l’impedenza di uscita del

buffer della figura seguente (|VT|=0.8V, |k|=10mA/V2) quando RL=.

+ 3 V

vu

buffer

va

1k

Eq. Thevenin

amplificatore

vin

50k

250k 480

RL

(b) Calcolare il minimo valore che può assumere un carico esterno RL

collegato alla sua uscita oltre cui il guadagno complessivo del circuito

tra ingresso Va ed uscita Vu diminuirebbe di più del 20% rispetto al caso

di RL=.

(a) La tecnica di calcolo della polarizzazione di uno stadio Source follower è del

tutto analoga a quella di uno stadio amplificatore con la resistenza di

degenerazione sul Source. Il partitore di Gate impone VG=+0.5V e, impostando il

bilancio di correnti nel nodo di Source, si ottiene ID=2.5mA, Vu=+1.8V e

gm=10mA/V (1/gm=100). Se RL=, lo stadio singolo avrebbe un guadagno tra

vin e vu pari a G=0.83.

L’impedenza di ingresso del buffer vale Zin=42k, valore molto alto

rispetto alla resistenza di uscita da 1k dello stadio precedente per cui il segnale

vA verrà trasmesso sostanzialmente invariato al Gate del MOSFET (vin=vA).

L’impedenza di uscita del buffer, cioè l’impedenza vista guardando

indietro dal morsetto di uscita (Vu), è data dal parallelo tra 1/gm e 480 e vale

Zu=83.

(b) Su segnale il condensatore di uscita diventa un cortocircuito e la resistenza di

carico RL viene vista dal MOSFET in parallelo a 480. Pertanto, il guadagno

complessivo diventa

L

m

L

R480g

1

R480G

Per avere G=0.83-0.83.20/100=0.66, si ottiene RL=2400. Valori di RL minori di

questo provocherebbero durante il trasferimento una perdita di segnale maggiore

del 20%.

Page 7: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 7

7.2.2 Distorsione di uno stadio Source follower

Per calcolare la distorsione di un buffer di tensione a MOSFET si applica lo stesso

ragionamento fatto nel Cap.5 per il calcolo della distorsione degli amplificatori

con la resistenza di degenerazione. Innanzitutto quindi si calcola la frazione del

segnale di ingresso che si ritrova ai morsetti del transistore (vgs) secondo la

partizione lineare :

v vg

g Rgs in

m

m s

1

1 . (7.4)

Poiché un buon buffer ha Rs>>1/gm, vgs risulterà in generale molto piccolo e quindi

ci aspettiamo una distorsione piccola perché il termine quadratico della relazione

caratteristica risulterà corrispondentemente molto piccolo. In effetti il valore di

non linearità complessiva dello stadio, già calcolati nel Cap.5, risulta pari a

Smod

gs

Rg1

1

V2

v

(7.5)

ed è quindi molto piccolo. Ricordiamo infatti che c’è il termine 1/(1+gm.Rs)

migliorativo dovuto all’effetto di “retroazione” della resistenza Rs nel diminuire

ulteriormente l’effettiva (e già piccola) frazione di segnale vgs applicata al

MOSFET. Conseguentemente la distorsione di seconda armonica sarà anch’essa in

generale piccolissima e pari a

2HD2

(7.6)

Per quanto detto, un buffer ben progettato non aggiunge una distorsione

significativa ad un circuito. Quest’ultima è normalmente prodotta dagli stadi

amplificanti e non dagli stadi a follower.

Page 8: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 8

E 7.2 (a) Dopo averlo polarizzato, calcolare la massima ampiezza di un

segnale sinusoidale applicabile al seguente circuito (|VT|=0.55V,

|k|=400µA/V2) prima che esca dalla corretta zona di funzionamento:

+ 3 V

vu

buffer

vin

10k

RS

1920

RL

5k

- 3 V (b) Calcolare la distorsione HD2 introdotta dal circuito nel trasferimento

del segnale dall’ingresso Vin all’uscita Vu quando in ingresso viene

applicata una sinusoide di tensione alla frequenza di 10kHz ed ampia

±0.2V.

(a) La polarizzazione impone VG=0V da cui Vu=+1.8V e ID=625µA (gm=1mA/V

and 1/gm=1k). Il guadagno per piccolo segnale è conseguentemente pari a

G=0.58. La resistenza di ingresso è virtualmente infinita ed assicura che non ci

sia caduta di tensione ai capi della resistenza da 10k. L’impedenza di uscita

come vista dal carico vale Zu=658 da confrontarsi con i 5k di RL.

Sulla semionda negativa del segnale, il MOSFET tenderà a portare più corrente,

che proverrà dalla resistenza di 1920 e dal carico RL. Nessuno di questi due

percorsi pone limitazioni e pertanto possiamo pensare che il Gate del MOSFET

possa raggiungere i -3V. Quindi l’ampiezza negativa della sinusoide d’ingresso

può arrivare fino a -3V.

Sulla semionda positiva, viceversa, la salita del Source impone al circuito di

fornire corrente a RL e nello stesso tempo di diminuire la corrente in RS. Pertanto,

sempre meno corrente rimarrà disponibile per scorrere nel MOSFET. Il massimo

della semionda positiva applicabile all’ingresso lo si otterrà al raggiungimento

della condizione in cui il MOSFET non porta più corrente. Essa equivale a dire

che tutta la corrente prima portata dal MOSFET (625µA) va ora nelle due

resistenze:

A6251920

v

k5

v uu

Da cui si ottiene vu=0.867V. Essendo minore del valore trovato per la semionda

negativa, concludiamo dicendo che l’ampiezza massima della sinusoide in

ingresso è vin=±0.867V.

(b) Dato il segnale di 0.2V di ingresso, la frazione che cade tra Gate e Source è

pari a vsg=84mV. Pertanto:

Page 9: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 9

007.039.2

1

5.2

84

2

1

)1(

1

22

12

V

mV

RRgV

vHD

LSmod

gs

Che corrisponde allo 0.7% di componente a frequenza doppia (20kHz) della

principale.

E 7.3 Si consideri il seguente stadio Source follower. Il MOSFET abbia VT=1V

e k=1mA/V2. Si vuole valutare il trasferimento di un impulso

rettangolare, di ampiezza 1V e di durata 100s, erogato dalla sorgente

in assenza ed in presenza di una componente capacitiva di carico.

vu

E = + 6 V

- E = - 6 V

10 n FC

100k

100k

vin

1 V1k

4kR

10 0 s

a) Valutare dapprima l’ampiezza del segnale vu(t) in assenza di C.

b) Giustificare perché il segnale di ampiezza 1V può essere considerato

un piccolo segnale per il transistore.

c) Discutere qualitativamente cosa accade in presenza di C e

commentare se il segnale può essere ancora considerato un piccolo

segnale.

d) Valutare dettagliatamente l’andamento dei transitori supponendo che

C=10nF.

(a) - Dallo studio della polarizzazione si trova: VGS=2V, ID=1mA, 1/gm=500.

Giacché la resistenza del generatore sorgente è piccola rispetto alle resistenze del

partitore di polarizzazione, il segnale da 1V è trasferito pressoché senza

attenuazione sul Gate del MOSFET e la frazione del segnale vin che è trasferita ai

capi del resistore R è pari a 0.89V. A seguito dell’applicazione del segnale

rettangolare, il potenziale del nodo d’uscita varierà quindi da -2V a -1.11V.

(b) - Per valutare se l’approssimazione di piccolo segnale, implicita nella

scrittura della precedente relazione, è valida o meno, si deve confrontare la

variazione della tensione di comando del MOSFET determinata dal segnale

(Vgs=0.11V) con il valore 2(VGS-VT)=2V. Con questi valori il segnale può essere

ancora considerato piccolo. La non linearità corrispondente sarebbe solo dello

0.6%.

Page 10: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 10

(c) - In presenza di un carico capacitivo, non è possibile variare istantaneamente

la tensione ai capi del condensatore. Quindi vu non potrà più seguire

istantaneamente l’andamento dei fronti di salita e di discesa del segnale vin.

Incominciamo a considerare cosa accade sul fronte di salita di vin. In condizioni

stazionarie VGS=2V, Vu=-2V e la tensione ai capi del condensatore è 4V. Quando

vin aumenta di 1V, la tensione ai capi di C resta invariata ed il segnale vin

determina una variazione di 1V della tensione Vgs che aumenta istantaneamente

da 2V a 3V. La corrente nel FET passa quindi dal valore stazionario di 1mA a

4mA. Questa corrente va a depositarsi in parte sul piatto del condensatore e solo

la progressiva carica di C porta il potenziale Vu al valore finale stazionario di

Vu=-1.1V. La carica di C non è esponenziale perché la tensione di comando Vgs

del FET, e quindi la corrente Id, cambia durante il transitorio in modo

complesso. Per i valori in gioco il segnale non può certo considerarsi piccolo.

Sul fronte di discesa di vin, la tensione Vgs, che aveva raggiunto il valore

di circa 2.1V, è portata istantaneamente a 1.1V. Il MOSFET porta quindi

pochissima corrente, molto meno di quella che la tensione ai capi di C impone

nella resistenza da 4k, attivando così la scarica della capacità. Solo alla fine del

transitorio di scarica di C si ripristinano le condizioni iniziali di polarizzazione.

Si noti che, se l’ampiezza del segnale fosse stata maggiore di 1.1V, il FET si

sarebbe addirittura spento (VgsVT) durante il fronte di discesa.

(d) - Giacché in presenza di C il segnale vin non può più essere considerato un

piccolo segnale, per avere l’andamento dettagliato del transitorio si dovrebbe

utilizzare la caratteristica quadratica del FET

I k V V k v V VD GS T in u T 2 2

assieme al bilancio di correnti sul Source

IV E

RC

dV

dtD

u u

L’equazione differenziale che si ottiene non è più lineare e si può risolvere

numericamente a partire dalle condizioni iniziali date dalla polarizzazione.

Una stima per eccesso e per difetto dei tempi di transizione dell’uscita vu può

essere comunque ottenuta utilizzando l’approssimazione di piccolo segnale.

Infatti sul fronte di salita di vin, la tensione Vgs varia istantaneamente da 2V a 3V

e quindi, progressivamente, si riporta a 2.1V. Corrispondentemente, il valore

minimo della resistenza di canale 1/gm si ha per Vgs=3V ed è pari a 250, mentre

il valore massimo lungo il transitorio si ha alla fine per Vgs=2.1V e cioè 450.

Quindi la resistenza di piccolo segnale ai capi di C, cioè R||1/gm, varia da 235 a

405. Il transitorio non esponenziale di vu sarà inizialmente tangente al

transitorio esponenziale con costante di tempo 10nFx235=2.3s, quindi

incomincerà a rallentare; una stima per eccesso del tempo di salita ( 10%-90%) è

pari a 2.2x10nFx405=8.9s.

Page 11: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 11

Viceversa, all’inizio del fronte di discesa di vin, Vgs varia da 2.1V a 1.1V e quindi

1/gm diventa 4.5k. L’andamento sarà inizialmente tangente all’andamento

esponenziale con costante di tempo 10nFx(4.5k||4k)=21s (tempo si salita

2.2x21s=46s), e poi diventerà più veloce. Alla fine del transitorio Vgs=2V e

1/gm=500. Il transitorio sarà certamente più lungo di

2.2x10nF(500||4k)=9.8s.

Si noti come la risposta del follower sia asimmetrica. Il transitorio di salita tende

ad essere più breve del transitorio di discesa, proprio perché il MOSFET è

sollecitato a portare più corrente nel transitorio di salita di quanto non faccia nel

transitorio di discesa.

7.2.3 Ottimizzazione dei collegamenti

La Fig.7.3 mostra come utilizzare il Source follower appena studiato per risolvere

il problema evidenziato nella Fig.7.1 semplicemente aggiungendo il

disaccoppiatore tra l’amplificatore ed il carico.

Guardando attentamente il circuito si scopre che esso potrebbe essere semplificato

nei collegamenti lasciandone invariata la funzionalità. In particolare si nota che il

partitore R1 ed R2 del buffer non è strettamente necessario: togliendo le due

resistenze e la capacità di disaccoppiamento, si può pensare di collegare il Gate del

buffer direttamente al Drain dello stadio di guadagno che lo precede, come

mostrato nella Fig.7.4. Questa operazione riduce il numero di componenti nel

circuito (vantaggioso in un circuito integrato), elimina una capacità di

disaccoppiamento (sempre vantaggioso), mostra una impedenza più elevata

all’ingresso del buffer (vantaggioso nel migliorare il trasferimento dl segnale) ed

ha la sola piccola conseguenza di porre il Gate del buffer ad un valore di

R1

390k

RD

2.5k

+ 5V

1 mA

R2

110k

+2.5V

RL

1kvin

1k

sensore

C=

amplificatore

R1

+ VDD

R2 RS

follower

Vu

Fig. 7.3 Circuito a più stadi completo di amplificatore e di Source

follower per pilotare efficacemente un carico esterno RL.

Page 12: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 12

potenziale leggermente diverso da quello prima imposto dal partitore resistivo.

Poiché quest’ultimo valore non ha alcuna importanza nel buon funzionamento del

MOSFET del buffer, non ce ne preoccupiamo.

E 7.4 Considerare il seguente circuito, in cui T1: VT=0.6V, k=1mA/V2 e VA=

e T2: VT=0.5V, k=500µA/V2 e VA= .

R1

2.14M

RD

14.5k

+ 12V

R2

260k

VB

vin

C= vu

R3

6k

- 12V

RS

1k

T1

T2

(a) Calcolare la potenza assorbita dalle alimentazioni in assenza di

segnale ed il tempo di operatività del circuito se alimentato da una

batteria da 3200mAh.

(b) Calcolare il guadagno totale del circuito ed il valore minimo di una

resistenza di carico RL applicabile in AC esternamente all’uscita del

circuito, oltre cui il guadagno totale diventa minore di (-5).

(c) Calcolare la distorsione di seconda armonica del circuito completo

quando in ingresso viene applicata una sinusoide di 100mV.

(d) Calcolare la massima ampiezza di una sinusoide applicabile

all’ingresso, oltre cui uno dei transistori esce dalla corretta zona di

funzionamento.

R1

390k

RD

2.5k

+ 5V

R2

110kRL

1kvin

1k

sensore

C=

amplificatore

RS

follower

Vu

Fig. 7.4 Ottimizzazione del circuito a più stadi con accoppiamento

diretto del follower allo stadio di guadagno.

Page 13: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 13

(a) Il primo stadio, con il MOSFET a canale n, svolge la funzione di amplificare

il segnale di ingresso. Il follower presenta una resistenza infinita sul Gate e quindi

non perturba l’amplificazione fornita dal primo stadio. Per il primo stadio si ha:

VG=-9.4V, ID=1mA, gm1=2mA/V, VB=-2.5V. La tensione tra Gate e Drain

assicura il buon funzionamento del MOSFET. Nel secondo stadio si ha: ID=2mA

e VU=0V. Anche in questo caso il transistore è correttamente polarizzato. La

potenza assorbita dalle alimentazioni in assenza di segnale è pari a circa 72mW

ed il tempo operativo con una carica della batteria è di circa 1060 ore, equivalenti

a 44 giorni.

(b) Il guadagno del primo stadio risulta essere G-9.7. Ai fini della trasmissione

del segnale, il circuito equivalente Thevenin di T2 è uguale a quello riportato

nella Fig.7.2. Il generatore di tensione è pari alla variazione del potenziale di vB e

la resistenza serie è di appena 1/gm2=500. Il trasferimento del follower è

G=0.92.

Il guadagno totale del circuito è Gtot=-8.9. Un carico resistivo esterno RL su

segnale sarebbe visto dal transistore T2 in parallelo ad R3 degradando il

trasferimento del follower. Se RL<545 il guadagno totale del circuito sarebbe

minore di G=-5.

(c) Il primo stadio amplificante, a fronte del segnale di 100mV erogato dal

generatore, viene ad avere ai capi di T1 una vgs=33mV che produce una

corrispondente 1=0.55% . Lo stadio successivo si ritrova al suo ingresso un

segnale vB=966mV a cui corrisponde una vgs=74mV e quindi una 2=0.14%. La

non linearità complessiva è quindi dell’ordine del 0.7% e ci aspettiamo una

distorsione di seconda armonica dell’ordine del 0.35%.

(d) Quando la semionda all’ingresso è positiva, T1 tende a portare più corrente,

VB diminuisce come pure diminuisce l’uscita. Il transistore che pone dei vincoli a

questi spostamenti è solo T1 in quanto sale il suo Gate e scende il suo Drain e

questo movimento reciproco non deve andare a porre il Drain sotto di più di una

soglia al valore assunto dal Gate. Formalizzando questa relazione, si ottiene:

Tinin V9.67.9vv , da cui si ricava vin=700mV come valore di ampiezza

massima applicabile.

Quando la semionda all’ingresso è negativa, VB tenderà a salire portandosi dietro

Vu. In questo caso sarà ovviamente T2 ad imporre un limite a questo spostamento

nel momento in cui si spegne. Questo avverrà quando Vu=+12V, cioè quando

VB=11.5V, che corrisponde ad una corrente circolante in T1 pari a iD=35µA.

Questo valore corrisponde ad una tensione del Source di VS=35mV. Poiché T1 è

praticamente spento, la sua VGSVT e quindi la VG-11.4V. Ricordando che in

polarizzazione il nodo stava a -9.4V, questo si ottiene quando il segnale di

ingresso vin=-2V. Per confronto con il risultato della semionda positiva si

conclude che la massima ampiezza di una sinusoide applicabile all’ingresso del

circuito è ±700mV.

Page 14: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 14

7.2.4 Stadio Emitter follower

Gli stadi disaccoppiatori di tensione possono naturalmente essere realizzati anche

con transistori bipolari. Il principio di funzionamento è del tutto simile, come è

simile l’organizzazione dei collegamenti e simili le motivazioni d’uso. Le uniche

differenze, importanti ma non essenziali, nascono dalla particolarità della

giunzione base-emettitore. Questo comporta che la resistenza di ingresso del

buffer a BJT, come vista guardando nella Base del transistore, sarà pari a (vedi

Fig. 7.5):

E

m

B Rg

Z

(7.7)

Il suo valore dipenderà quindi, a differenza del Source follower, molto

strettamente dalle caratteristiche del transistore (), da come è stato polarizzato

(gm) e da come è collegato in uscita (RE). Solo con particolari attenzioni in fase di

progetto sarà quindi possibile raggiungere valori elevati, ma mai il valore infinito

che si ha guardando il Gate di un MOSFET !

Anche la resistenza di uscita dello stadio richiede cautela nell’essere calcolato e

risulta pari a:

sB

m

EU

RR

g

1RZ (7.8)

Anche in questo caso il valore dipende non solo dalle caratteristiche di

polarizzazione del transistore (1/gm), come già avveniva con il MOSFET, ma anche

da come il BJT è pilotato dallo stadio precedente (Rs/). Ciononostante poiché la

transconduttanza di un BJT è generalmente molto maggiore di quella di un

MOSFET a pari correnti circolanti, l’impedenza di uscita del buffer con BJT può

+ VSS

ZB

buffer

vS

RE

- VDD

C=

RB

RS vinvu

Fig. 7.5 Stadio Emitter follower.

Page 15: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 15

essere progettata molto minore di quella mostrata da un Source follower. Questo è

il grande vantaggio dei buffers a BJT e ne giustifica l’uso appena possibile.

Da ultimo, il trasferimento del segnale di tensione dalla Base del BJT all’uscita

vale:

Em

E

in

u

Rg1

R

v

vG

(7.9)

Esso è sempre inferiore all’unità, ma vi si avvicina sempre più quanto più RS>1/gm.

Anche in questo caso, la variazione del potenziale dell’Emettitore segue la

variazione della tensione della Base, da cui il nome di Emitter follower dato

spesso allo stadio.

Riassumendo, il circuito tratteggiato nella Fig.7.5 è utilizzabile come

disaccoppiatore per segnali di tensione perché:

- l’impedenza di ingresso è alta. Il circuito quindi tende a non caricare

eccessivamente lo stadio che lo pilota.

- l’impedenza di uscita può essere molto bassa, prossima a 1/gm se progettato

con cura e quindi con una resistenza serie spesso più piccola rispetto ad un

buffer a MOSFET.

- non modifica il guadagno del circuito globale, perché il suo trasferimento è

praticamente unitario.

- introduce una limitatissima distorsione, perché i) la frazione del segnale di

ingresso che si ritrova linearmente ai morsetti del transistore (vbe) è piccola,

ed è precisamente data da:

Em

minbe

Rg1

g1vv

. (7.10)

e perché ii) la presenza della resistenza RE di degenerazione opera un effetto

retroattivo diminuendo ulteriormente il valore di vbe di un fattore pari a

(1+gm.RE), così da avere

Emth

be

RgV

vHD

1

1

22

12 (7.11)

- ha estesa dinamica lineare, perché, nell’ipotesi praticamente sempre

verificata di avere il Collettore direttamente collegato all’alimentazione, la

Base può essere fatta salire fino all’alimentazione senza che il BJT esca dalla

corretta zona di funzionamento.

Page 16: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 16

E 7.5 Studiare le prestazioni dell’emitter follower (=200) della figura

seguente

+ 3V

vin

RE=330

Rg=1k vu

collegato in DC allo stadio precedente schematizzato con un generatore

di segnale di tensione vin con resistenza serie di 1k.

(a) Calcolare il trasferimento ingresso/uscita del circuito.

(b) Calcolarne le impedenze di ingresso e di uscita.

(c) Calcolarne la dinamica di ingresso.

(a) Nell’ipotesi di IB=0A, la polarizzazione darebbe: VB=0V, Vu=0.7V e

IC=7mA, a cui corrisponde gm=280mA/V (1/gm=3.6. La corrente ora IB35µA

in effetti porterebbe VB35mV, valore che non modifica significamente i valori

prima trovati. Ai fini del trasferimento del segnale dal generatore vin all’uscita

vu, si noti che il circuito equivalente visibile se ci si pone nel punto di uscita e si

guarda nell’Emettitore è

vin

1/gm

RE

330

Vu

Rg/

dove (1/gm+Rg/)=8.6. Il guadagno vu/vin è quindi pari a G=0.97.

(b) La resistenza di ingresso è (/gm+.RE)=66k. L’impedenza di uscita vale

RE(1/gm+Rg/)=8.6.

(c) vin+2.3V; vin--0.5V

Page 17: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 17

E 7.6 Riprendere il circuito dell’esercizio E7.4 e sostituire il follower a

MOSFET con uno a BJT, mantenendo circa uguale la corrente in T2.

R1

2.14M

RD

14.5k

+ 12V

R2

260k

VB

vin

C= vu

R3

6k

- 12V

RS

1k

T1

T2

Confrontare i due circuiti per quanto riguarda l’impedenza di uscita.

In entrambi i casi calcolare il minimo valore di un eventuale carico

esterno RL applicabile all’uscita sotto cui il guadagno complessivo si

ridurrebbe del 20% rispetto al caso di RL assente.

7.3 DISTORSIONE DI PIU’ STADI IN CASCATA

Nel caso in cui uno stadio amplificatore fosse immediatamente seguito da

un altro stadio amplificatore ed i due circuiti fossero perfettamente disaccoppiati

(avessero cioè impedenze di ingresso e di uscita ideali tali da non modificare i loro

singoli guadagni), il guadagno complessivo per piccoli segnali del circuito

completo sarebbe pari al prodotto del guadagno due stadi singoli. Questo è il caso

anche di uno stadio amplificatore seguito da un follower. Considerando che

111 GvRgvv inLminG

e che

222 GvRgvv GLmGu

la relazione tra ingresso ed uscita diventa:

21 GGvv inu

Se ora volessimo calcolare la non linearità complessiva del circuito, il calcolo

sarebbe simile ma le singole espressioni verrebbero modificate ricordando la

(5.11) nelle:

)1()1( 11111 GvRgvv inLminG

e

)1()1( 22222 GvRgvv GLmGu

da cui si ottiene l’espressione complessiva

))(1()1()1( 2121212121 GGvGGvv ininu (7.12)

Page 18: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 18

Essa mostra come la distorsione complessiva di un circuito sia praticamente pari

alla somma delle due distorsioni (1+2) dei singoli stadi. Infatti il prodotto (12) è

facilmente trascurabile essendo i due valori ben più piccoli di 1.

7.4 STADI DISACCOPPIATORI CON CARICHI ATTIVI

Proviamo ad analizzare criticamente il ruolo e la funzione della resistenza di

degenerazione RS presente nel buffer della Fig.7.2:

- abbiamo interesse a scegliere RS grande perché così facendo il guadagno di

tensione si avvicina maggiormente all’unità, ma

- contemporaneamente vogliamo che il transistore porti molta corrente per avere

una transconduttanza elevata così da ottenere una bassa resistenza di uscita e

quindi pilotare carichi più difficili.

Queste due esigenze sono contrastanti e se attuate porterebbero ad un aumento

della tensione di alimentazione e quindi della potenza dissipata stazionariamente

dal circuito.

Ai fini dell’amplificazione, la funzione della resistenza RS è solo quella di

presentare una impedenza alta su cui iniettare la corrente di segnale erogata dal

transistore. Quindi è naturale pensare che essa possa essere sostituita con un

generatore di corrente, come mostrato nella Fig.7.6. Il vantaggio di questa

sostituzione è che un generatore di corrente, a differenza della semplice resistenza,

non necessita di una caduta di tensione stazionaria ai suoi capi proporzionale alla

impedenza offerta sul segnale. Quindi l’introduzione, al posto di RS, di un

generatore di corrente, libera il follower dal vincolo imposto dalla legge di Ohm.

R1

+ VDD

R2vin

C=

Vu

vin

1/gm

R

Vu=Vin

ID

Fig. 7.6 Generatore di corrente usato come carico attivo in un buffer di

tensione, in modo da fissare la corrente di polarizzazione del

MOSFET indipendentemente dalla tensione di alimentazione e

definire precisamente l’impedenza di uscita del circuito.

Page 19: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 19

Così facendo la tensione di alimentazione, l’amplificazione, la corrente di

polarizzazione e l’impedenza di uscita diventano grandezze tra loro più

indipendenti e quindi il progetto risulta più semplice ed efficace.

In particolare:

- a parità di tensione di alimentazione si ottiene un guadagno più prossimo ad

uno;

- il transistore può essere polarizzato con la corrente più adatta ad ottenere la

transconduttanza voluta, indipendentemente dalla tensione di alimentazione,

potendo più facilmente pilotare carichi RL molto più piccoli.

La sostituzione di un resistore con un carico attivo (così è spesso chiamato un

generatore di corrente quando posto lungo il percorso del segnale) è molto

comune nei circuiti integrati dove è necessario ridurre l’occupazione di area di

ciascun componente circuitale e minimizzare la presenza di resistenze perché

occupano più spazio di quello generalmente necessario per un transistore. Il

circuito della Fig.7.7 beneficia di quanto detto e mostra come il circuito della

Fig.7.4 potesse essere ulteriormente migliorato.

R1

390k

RD

2.5k

+ 5V

R2

110kRL

1kvin

1k

sensore

C=

amplificatore follower

Vu

Fig. 7.7 Generatore di corrente usato come carico attivo in un buffer di

tensione, in modo da fissare la corrente di polarizzazione del

MOSFET (e quindi la sua resistenza di uscita) mantenendo

piccola la tensione di alimentazione.

Page 20: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 20

E 7.7 Studiare le prestazioni del seguente circuito in cui i transistori a canale

n e p hanno uguali parametri : |VT|=0.45V, |VA|= e |k|=2mA/V2.

vin

vu

R1

4k

T1

+ 1.8V

1k

T2 T3

In particolare calcolare:

(a) il guadagno G=vu/vin.

(b) l’impedenza di uscita.

(c) la massima dinamica possibile del segnale di ingresso.

(d) la distorsione introdotta su un segnale sinusoidale di ±100mV.

(a) L’uso di un generatore di corrente a specchio come carico di degenerazione

sul Source permette di realizzare, grazie alla resistenza infinita del carico stesso,

un follower con trasferimento esattamente pari a G=1 qualunque sia il risultato

della polarizzazione, a patto che tutti i transistori lavorino nello loro corretta zona

di funzionamento. Poiché il calcolo della polarizzazione porta ad una corrente

circolante pari a ID250µA e Vu=+0.8V, effettivamente tutti i transistori stanno

operando in saturazione.

(b) L’impedenza di uscita risulta pari a 715.

(c) vin+=0.65V; vin-=-0.45V

(d) La distorsione è rigorosamente nulla, fintanto che non si attacca un carico

esterno al morsetto di uscita. A quel punto sia il guadagno che la distorsione

cambiano dalla situazione ideale e assumono un valore finito (G diverso da 1,

THD diversa da 0).

Page 21: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 21

E 7.8 Si consideri il seguente circuito in cui tutti i BJT hanno =100. + 5 V

- 5 V

50k

10 F380

50k50

e

5k

5k

8.6k

RR in

u

R1

2

3

4

R

R

R

T1

T2

10.5 mA R

5

6

R

3.5 V

- 5V a) Studiarne la polarizzazione

b) Valutare, per segnali di frequenza maggiore di 3kHz erogati da un

generatore di resistenza serie 5k la resistenza di ingresso Rin;

l’amplificazione, la resistenza di uscita Ru.

c) Dimensionare il generatore di corrente con un BJT.

(a) - Vin=0V, IC1=10mA, Vu=0V, IC2=1mA

(b) - Per segnali di frequenza maggiore di 5kHz il condensatore è un

cortocircuito, quindi Rin è 50k50k(+1)52=4.17k.

(c) - La resistenza vista sul Collettore di T1 è pari a 8.6k(+1)5k circa

8.6k. vu/vin= -Rin/(5k+Rin)8.6k/50= -95.

(d) - La resistenza d’uscita è 5k[8.6k/(+1)+ 25]=111.

Page 22: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 22

E 7.9 Si consideri il seguente circuito (VT=0.6V, k=4mA/V2), ottimizzazione di

quello delle Fig.7.1 e 7.4 appena visti.

R1

390k

RD

2.5k

+ 5V

R2

110kRL

1kvin

1k

sensore

C=

amplificatore follower

Vu

C=

specchio carico

Rx

a) Dimensionare Rx in modo che l’impedenza di uscita del follower sia

pari a 200. Calcolare il corrispondente guadagno complessivo del

circuito e la sua dinamica di uscita ai capi del carico RL.

c) Ridimensionare Rx e modificare i MOSFET del follower e dello

specchio scegliendo un nuovo valore di k in modo che l’impedenza di

uscita sia inferiore a 10 con una dinamica di uscita almeno di ±0.5V.

(a) – Affinché l’impedenza di uscita sia 200, la corrente deve essere 1.56mA. Il

MOSFET del follower ed anche quelli dello specchio (perché tutti uguali)

avranno (VGS-VT)=0.625V. Ne consegue che Rx=2.4k e Gtot=vu/vin=-8.3. La

dinamica di uscita negativa è limitata dal MOSFET dello specchio che entra in

zona ohmica a vu-=-650mV. La dinamica positiva è di poco inferiore al limite

lineare di vu=2.5V concesso dallo spostamento del Gate del follower fino

all’alimentazione. Infatti la corrispondente salita dell’uscita impone un passaggio

maggiore di corrente in RL, e quindi nel follower, con conseguente maggiore

overdrive che riduce un po’ l’escursione netta di vu.

(b) – Ricordando che I/k=(VGS-VT)2 e che Ikgm 2 basterebbe aumentare

sia k che I della stessa quantità, nel nostro caso di un fattore 20 (k=80mA/V2, per

cui transistori con W 20 volte più grande, e I=32mA per cui Rx=118), per non

avere la desiderata 1/gm=10 senza modificare l’overdrive dei transistori e

quindi mantenendo la stessa dinamica trovata al punto (a) che è sufficiente.

Page 23: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 23

7.5 DISACCOPPIATORI DI CORRENTE

A differenza dei disaccoppiatori di tensione, i circuiti disaccoppiatori

per segnali di corrente devono essere in grado di leggere un segnale di corrente da

un generatore (o semplicemente dallo stadio che sta a monte) ed erogarlo,

pressoché senza attenuazioni ma con una resistenza equivalente molto più alta, ad

un carico posto a valle. Il problema che questi disaccoppiatori risolvono è quello

della solo parziale erogazione della corrente ad un carico quando quest’ultimo ha

un valore di resistenza elevato rispetto alla resistenza di uscita della sorgente.

Mandare una corrente ad un carico resistivo elevato è infatti difficile, come

mostrato nella Fig.7.8: se RS=RL, solo metà della corrente IS disponibile viene

effettivamente inviata in RL!

Lo stadio di disaccoppiamento deve quindi essere in ingresso un ottimo lettore di

corrente (avere cioè una resistenza d’ingresso RIN molto bassa così da assorbire la

maggior quantità possibile della corrente disponibile a monte) e presentarsi in

uscita come un ottimo generatore di corrente (avere cioè una resistenza d’uscita

RU molto alta cosicché la corrente disponibile venga inviata quanta più possibile al

carico RL anche se quest’ultimo è di valore elevato).

Queste caratteristiche sono di nuovo ben soddisfatte dal semplice

transistore: basta infatti pensare di utilizzare un transistore con l’ingresso nel

Source (Emettitore), la cui impedenza è pari a 1/gm, e l’uscita nel Drain

(Collettore), la cui impedenza è al più r0. Un collegamento possibile di un

MOSFET per realizzare la funzione descritta è riportato nella Fig.7.9. Stadi di

questo tipo, in cui il Gate (Base) è connesso ad un punto a potenziale fisso, sono

anche per questo detti “stadi Gate (Base) a massa”. In queste configurazioni si

sfrutta la proprietà dei transistori di trasmettere il segnale di corrente pressoché

inalterato tra Source (Emettitore) e Drain (Collettore), di presentare al Source

(Emettitore) una bassa impedenza (1/gm) e di erogare la corrente dal morsetto di

RSIS

sorgente carico

RL

IL

RSIS

sorgente buffer

RIN«RS

IB

RU»RLIB

carico

RL

IL

Fig. 7.8 Schema di trasferimento di un segnale di corrente is al carico RL

tramite un buffer di corrente.

Page 24: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 24

Drain (Collettore) ad alta impedenza (ro).

Nell’esempio specifico della figura, il FET è polarizzato attraverso R1. Sul

segnale, il condensatore di disaccoppiamento è un cortocircuito ed il segnale di

corrente erogato, is, si ripartisce tra le tre resistenze Rs ,R1 e la resistenza vista nel

Source, 1/gm. Se si è progettato il circuito in modo che 1/gm<<RS, la corrente is è

iniettata per la maggior parte nel terminale di Source e da lì trasferita al Drain ed

erogata ai morsetti di RL anche nel caso di RL grande. Se RL fosse stata collegata

direttamente al generatore is, la partizione con Rs avrebbe ridotto la quantità in

essa circolante.

E 7.10 Si consideri il circuito della Fig.7.9. Sia Rs=1k, E=5V, il MOSFET

abbia VT=1V e k=-10mA/V2 ed RL=1k.

a) Determinare la frazione di corrente che sarebbe fluita nel carico se

RL fosse stata connessa direttamente al generatore reale di segnale,

senza l’interposizione dello stadio disaccoppiatore.

b) Polarizzare il FET affinchè la sua resistenza di ingresso sia <100 .

c) Determinare C perché siano trasmessi i segnali maggiori di 1kHz.

d) Rappresentare su di un grafico l’andamento del potenziale Vu a

seguito dell’applicazione di un segnale is=A1(t) con A=0.1mA.

e) Quali caratteristiche dovrebbe avere il MOSFET per consentire

l’accoppiamento in continua tra lo stadio ed il generatore?

(a) - 50%

(b) - VGS<0.5V; per esempio con VGS=0.4V, ID=3.6mA, R1=1.4k, 1/gm=83,

VGD=1.4V (FET in saturazione).

(c) - C>160nF

Fig. 7.9 Esempio di circuito di disaccoppiamento per segnali di corrente

utilizzante un pMOSFET polarizzato con il Gate a massa.

Page 25: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 25

(d) - Vu transisce a gradino da -1.4V a -1.5V, quindi ritorna al suo valore

stazionario con una costante di tempo pari a circa 160s, per la presenza del

condensatore di disaccoppiamento.

(e) - Il MOSFET dovrebbe operare a VGS=0, quindi deve essere un MOSFET a

svuotamento come quello nella figura. Tuttavia il MOSFET dato per VGS=0

porterebbe troppa corrente, 10mA, e quindi opererebbe in zona ohmica. Infatti

già con 4mA in RL il FET è al bordo della condizione di saturazione (VGS=1V).

Si dovrebbe scegliere, quindi, un MOSFET con k minore. Se k=3.6mA/V2 il FET

avrebbe la corrente di 3.6mA per VGS=0. Ovviamente bisognerebbe ritoccare il

valore di RL.

E 7.11 Sia dato il circuito della figura seguente.

R

v

L

u

R1

is

+ 6 V

4k

6k

R50

10k

o

700

vin

- 6 V

V =5.3 Vz

E

La corrente di segnale erogata da un generatore forzante è trasmessa

attraverso un cavo coassiale di impedenza caratteristica 50 ed uno

stadio Base a massa su una resistenza di carico RL.

a) Studiare la polarizzazione dello stadio.

b) Scegliere il valore di Ro per terminare correttamente il cavo coassiale

su una resistenza pari a 50.

c) Valutare l’intervallo di valori in cui può variare il segnale is senza far

uscire il BJT dalla sua zona attiva di funzionamento. (a) - VE=0V, IC=1mA, Vu=-2V, 1/gm=25.

(b) - Ro=25.

(c) - L’intervallo è -1mA<is<0.45mA. Il primo limite è imposto dalla

interdizione del BJT a cui sarebbe sottratta tutta la corrente di polarizzazione e si

troverebbe quindi con corrente nulla. Il secondo è determinato dalla condizione

di saturazione (VEC>0.2V).

Page 26: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 26

E 7.12 Nel circuito studiato nell’esercizio precedente, si aggiunga alla

resistenza RL lo stadio della figura seguente, che realizza un follower per

erogare il segnale di tensione a bassa impedenza.

R L

R1

is

+ 6 V

4k

6 k

R50 o v i n

- 6 V

12k

1.9k

1.5k

700

5.3V

vu

10k

a) Calcolare il valore stazionario di Vu.

b) Valutare la resistenza d’uscita del circuito.

c) Valutare il trasferimento vu/is

7.6 EFFETTI DELLA RESISTENZA DI USCITA FINITA DEI

TRANSISTORI

Fino ad ora abbiamo immaginato che i transistori utilizzati nei circuiti

disaccoppiatori avessero una resistenza di uscita infinita, conseguenza di una

VA=. Vediamo come la presenza di una resistenza r0 di Drain (Collettore) finita

altera il comportamento dei circuiti fin qui visti. Con riferimento al caso del

disaccoppiatore di tensione (Fig.7.10) la resistenza r0 del transistore può essere

vista su segnale come posta tra Source (Emettitore) e l’alimentazione. Pertanto:

- r0 è vista in parallelo a RS quando si calcola il trasferimento tra ingresso ed

uscita. Poiché in un progetto ben fatto RS è scelta grande, anzi spesso

corrisponde alla resistenza di uscita di un generatore di corrente, essa stessa

data da r0 o maggiore, l’effetto di r0 è di definire l’impedenza di carico

“interna” del follower che si colloca in parallelo al carico esterno RL.

- r0 è vista in parallelo a 1/gm quando si calcola la resistenza di uscita del

buffer.

Page 27: Buffer Di Tensione e Di Corrente

Appunti del corso di Elettronica Analogica- Prof. Marco Sampietro POLIMI 27

Poiché in un progetto ben fatto r0>>1/gm , la presenza di r0 non influisce sulle

prestazioni del circuito. Un valore finito di r0 pregiudica le prestazioni del circuito

solo se diventa di valore confrontabile con 1/gm.

E 7.13 Riprendere il circuito dell’esercizio E7.9 considerando ora VA=8V per

tutti i transistori.

R1

390k

RD

2.5k

+ 5V

R2

110kRL

1kvin

1k

sensore

C=Vu

C=

carico

Rx

r0

r0

r0r0

a) Calcolare la nuova polarizzazione del circuito.

b) Calcolare il guadagno totale e confrontarlo con quello calcolato

quando VA=.

RL

RS

Vu

Vin r0

Fig. 7.10 Visualizzazione della resistenza finita r0 in uno stadio a follower

di tensione.