Domande frequenti con risposta – PSE (Progettazione dei sistemi elettronici)

AC:

• Il guadagno di tensione è dato da

= − /

o

Dove è la resistenza intrinseca dell'emettitore, e può essere approssimato

come ≈25mv/ . Il segno negativo indica che il segnale di uscita è invertito

rispetto al segnale di ingresso.

Il guadagno può essere influenzato anche dalla presenza di , che può

o

essere bypassata con un condensatore per migliorare il guadagno a

frequenze più alte.

Spiegare le principali caratteristiche statiche e di segnale di un JFET.

Il JFET (Junction Field-Effect Transistor) è un transistor a effetto di campo che controlla

la corrente attraverso un canale conduttivo con una tensione applicata al gate.

Caratteristiche Statiche:

• Tensione di Pinch-Off ( ): La tensione di gate-drain alla quale il canale si

o

chiude completamente, e la corrente di drain diventa molto bassa.

Corrente di Drain ( ): La corrente che fluisce dal drain al source, dipendente

o

dalla tensione tra il drain e il source, e dalla tensione di gate-source.

Resistenza del Canale: La resistenza tra il drain e il source varia in base alla

o tensione di gate-source . Quando è negativo rispetto alla tensione di

pinch-off, il canale si restringe e la resistenza aumenta.

Caratteristiche di Segnale:

• Transconduttanza ( ): La misura di quanto la corrente di drain varia in

o ∂

risposta a una variazione della tensione di gate-source. È data da

=

∂

Impedenza d'Ingresso: L'impedenza d'ingresso del JFET è molto alta perché

o il gate è isolato dal canale. Questo lo rende adatto per applicazioni che

richiedono un'alta impedenza di ingresso.

Spiegare brevemente cos’è un transistor JFET e quali sono le sue principali

caratteristiche. Tra le diverse soluzioni possibili, illustrare il suo impiego nella

realizzazione di un solo blocco circuitale (amplificatore, follower, etc…).

Il JFET è un transistor a effetto di campo con una giunzione pn tra gate e source. La corrente

tra drain e source è controllata dalla tensione di gate-source.

Amplificatore a Sorgente Comune (Common Source Amplifier)

Il common source amplifier è una delle configurazioni più comuni per amplificare segnali.

Configurazione del Circuito:

• Il segnale di ingresso viene applicato al gate.

o Il drain è collegato a una resistenza di carico , e alla tensione di

o

alimentazione .

La sorgente è collegata a terra tramite una resistenza , o direttamente a

o

terra se non è presente.

Punto di Lavoro (Analisi DC):

• La corrente di drain e la tensione di drain-source sono stabilite per

o

mantenere il JFET nella regione attiva. La tensione di gate-source deve

essere negativa rispetto al threshold di pinch-off, ma non così negativa da

portare il JFET in saturazione.

Il punto di lavoro viene scelto in modo da garantire un'operazione stabile del

o JFET e un'adeguata amplificazione del segnale.

Analisi AC (Piccolo Segnale):

• Il guadagno di tensione è dato da dove è la

= −

o

transconduttanza del JFET e è la resistenza di carico.

L'uscita viene prelevata dal drain e presenta un'inversione di fase di 180°

o rispetto al segnale di ingresso.

Spiegare brevemente come funziona un transistor JFET. Illustrare il suo impiego nella

realizzazione di un buffer (source follower) (common source amplifier). Spiegare il

punto di lavoro del circuito (analisi DC) e il comportamento per piccolo segnale

(analisi AC).

Il source follower è una configurazione di JFET che funziona come un buffer per adattare

le impedenze.

Punto di Lavoro (Analisi DC):

• La tensione di gate-source deve essere scelta in modo che il JFET operi

o

nella regione attiva. La corrente di drain è determinata dalla tensione di

gate-source e dalla resistenza di source .

Comportamento per Piccolo Segnale (Analisi AC):

• Il guadagno di tensione di un source follower è prossimo a 1, con una piccola

o attenuazione. Tuttavia, il buffer offre una bassa impedenza d'uscita e una alta

impedenza d'ingresso, rendendolo ideale per accoppiare circuiti con diverse

impedenze.

Spiegare brevemente come funziona un transistor JFET. Illustrare il suo impiego nella

realizzazione di un buffer (source follower) e di un amplificatore a singolo transistor

(common source amplifier).

Buffer (Source Follower):

• Utilizzato per isolare circuiti e adattare le impedenze, migliorando la

o compatibilità tra stadi di circuito con diverse impedenze.

Offre un'alta impedenza d'ingresso e una bassa impedenza d'uscita senza

o amplificazione significativa.

Amplificatore a Sorgente Comune:

• Utilizzato per amplificare segnali, con un guadagno di tensione negativo e

o un'inversione di fase di 180°. Fornisce un buon guadagno di tensione e

un'adeguata separazione tra ingresso e uscita.

Disegnare un amplificatore a emettitore comune (common emitter) a BJT. Spiegare il

punto di lavoro (analisi DC) e il comportamento per piccolo segnale (analisi AC).

Analizzare il principio di funzionamento degli oscillatori di tipo RC. Disegnare il

circuito di una possibile realizzazione e spiegarne il funzionamento.

Gli oscillatori RC sono dispositivi che generano segnali periodici sinusoidali o di altra forma

d'onda utilizzando una combinazione di resistenze (R) e condensatori (C). Il principio di

funzionamento di un oscillatore RC si basa sulla retroazione positiva, che consente al

circuito di generare oscillazioni senza l'applicazione di un segnale esterno.

Principio di funzionamento

Un oscillatore RC è costituito da una rete di resistenze e condensatori, che introduce un

ritardo di fase tra il segnale in ingresso e quello in uscita. Per ottenere oscillazioni, la rete

RC deve introdurre un ritardo di fase totale di 180 gradi, mentre un amplificatore a transistor

o un amplificatore operazionale aggiunge un ulteriore ritardo di fase di 180 gradi, portando

la fase complessiva a 360 gradi, ovvero 0 gradi, necessaria per la condizione di oscillazione

(criterio di Barkhausen).

Una delle configurazioni più comuni di oscillatori RC è l'oscillatore a ponte di Wien.

Circuito dell'oscillatore a ponte di Wien

Un possibile circuito di oscillatore RC è l'oscillatore a ponte di Wien, illustrato qui sotto:

Funzionamento del circuito

Rete di fase RC: La rete formata da R1, R2, C1 e C2 è progettata per introdurre uno

• sfasamento di 180 gradi, necessario per le oscillazioni.

Amplificatore: Il circuito amplifica il segnale retroazionato e lo inverte, aggiungendo

• altri 180 gradi di fase, realizzando così il totale di 360 gradi richiesto per la condizione

di oscillazione.

Condizione di oscillazione: Per mantenere le oscillazioni, il guadagno

• dell'amplificatore deve essere regolato in modo che la retroazione sia sufficiente, ma

non eccessiva, altrimenti il segnale crescerà e distorcerà.

Illustrare le diverse modalità di realizzazione di un microfono. Per una sola di tali

realizzazioni suggerire una possibile rete di amplificazione del segnale prodotto dal

microfono.

I microfoni sono dispositivi che convertono le onde sonore in segnali elettrici. Esistono vari

tipi di microfoni, ciascuno basato su un diverso principio di funzionamento:

Tipi di microfoni:

1. Microfono dinamico: Funziona secondo il principio dell'induzione elettromagnetica.

Una membrana è collegata a una bobina che si muove all'interno di un campo

magnetico. Le vibrazioni della membrana inducono un segnale elettrico nella bobina.

2. Microfono a condensatore: Funziona sfruttando le variazioni di capacità tra due

piastre, una fissa e una mobile (la membrana), che si spostano in risposta alle onde

sonore.

3. Microfono a nastro: Sfrutta un sottile nastro metallico sospeso in un campo

magnetico. Le onde sonore fanno vibrare il nastro, inducendo una corrente elettrica.

4. Microfono piezoelettrico: Utilizza cristalli piezoelettrici che generano una tensione

quando vengono compressi o deformati dalle onde sonore.

Amplificazione per un microfono a condensatore

I microfoni a condensatore hanno bisogno di un'alimentazione per funzionare (phantom

power) e il segnale che generano è tipicamente molto debole, richiedendo un'ulteriore

amplificazione. Un amplificatore basato su un transistor o un amplificatore operazionale può

essere utilizzato per questo scopo.

Una rete di amplificazione semplice per un microfono a condensatore potrebbe essere un

pre-amplificatore a transistor come segue:

Vin: Segnale debole del microfono.

▪ Rb: Resistenza di polarizzazione per il transistor.

▪ Re: Resistenza di emettitore per stabilizzare il guadagno.

▪ Vout: Segnale amplificato.

▪

Illustrare le diverse modalità di amplificazione di un segnale in un sistema elettronico

per applicazioni audio.

L'amplificazione di un segnale audio in un sistema elettronico può essere realizzata in

diversi modi, in base alle caratteristiche del segnale, della banda di frequenza e della

potenza richiesta.

Tipi di amplificazione:

1. Amplificatore di tensione: Questo tipo di amplificatore incrementa la tensione del

segnale senza modificare la sua corrente. È usato nelle fasi iniziali per amplificare

segnali audio deboli.

2. Amplificatore di corrente: Aumenta la corrente del segnale mantenendo costante

la tensione. Questi amplificatori sono tipici nelle fasi finali di potenza, per pilotare

carichi come altoparlanti.

3. Amplificatore di potenza: Viene utilizzato per amplificare sia la tensione che la

corrente del segnale per pilotare dispositivi ad alto consumo come gli altoparlanti.

4. Amplificatore operazionale: Un amplificatore universale usato in vari stadi di

amplificazione audio, soprattutto nelle fasi di preamplificazione e filtraggio.

In un sistema audio tipico, il segnale attraversa diverse fasi di amplificazione:

Preamplificatore: Amplifica il segnale audio debole proveniente da microfoni o altri

• sensori.

Amplificatore di potenza: Amplifica ulteriormente il segnale per pilotare dispositivi

• ad alta impedenza come gli altoparlanti.

Dopo aver spiegato cos’è un PCB e qual è la sua funzione, illustrare, brevemente,

quali sono le diverse realizzazioni conosciute.

Un PCB (Printed Circuit Board) è una scheda utilizzata per supportare e collegare