Alimentatori in dc

ALIMENTATORI in continua

• Compito di un alimentatore è di fornire ad un carico una tensione continua (ingenuo dell’ordine di 5÷20V), ottenuta della rete in alternata tramite un cotena trasformatore - reddivitore -

V_o deve essere indipendente da:

• Variazioni dell'ampienza della tensione alternata (±15%)
• Variazioni della corrente assorbita dal carico
• Variazioni della temperatura

• Trasformatore di potenza: abasa le tensione, garantisce d’isolamento

• Rettificatore: converte la tens. sinusoidale in tens. a valore medie ≠ 0

• Filtro: elimina le armoniche di ordine superiore

• Regolatore: fornisce una tensione continua stabile

ALIMENTATORI in continua

• Compito di un alimentatore è di fornire ad un carico una tensione continua Vo (ingegneri dell’ordine di 5 ÷ 20 V), ottenuta dalla rete in alternata tramite una catena trasformatore - raddrizzatore -

Vo deve essere indipendente da:

1. variazioni dell’ampiezza della tensione alternata (± 15%)
2. variazioni delle correnti assorbite dal carico
3. variazioni della temperatura

• Trasformatore di potenza: abbassa la tensione, garantisce l’isolamento
• Raddrizzatore: converte la tens. sinusoidale in tens. a valore medio ≠ 0
• Filtro: elimina le armoniche di ordine superiore
• Regolatore: fornisce una tensione continua stabile

Sorgenti di Tensione

Specifica:

• _Vo indipendente da _Io (regolazione di carico)
  • Regolazione di carico = ^Δ_Vo/_ΔIo (100 (^Δ_Vo/_Vo/_ΔIo) %
  • Per piccole variazioni ^Δ_Vo/_ΔIo = _dVo/_dIo = _Ro
• _Vo indipendente dell'alimentazione _Vs (Regolazione di linea)
  • Regolazione di linea = ^Δ_Vo/_ΔVs (100 (^Δ_Vo/_Vo/_ΔVs) %
  • (Power supply rejection) PSR
• _Vo indipendente dalla temperatura _T
  • Coefficiente di temperatura _TC (_Vo) = 10^{6 Δ_Vo/_Vo}/_ΔT (PPM/°C)

Stabilità di lungo termine

• È una misura della capacità del circuito di mantenere la tensione prescritta nel tempo

ppm / 1000 ore

Rumore d'uscita

• È una misura delle fluttuazioni della tensione d'uscita intorno al suo valore nominale a una frequenza dato

Rapporto di reiezione di ondulazione

Ripple Rejection Ratio

RRR = 20 log₁₀ ΔVi / ΔVo

ΔVi ondulazione di ingresso

ΔVo ondulazione di uscita

Esempi

• MA 7805 (Fairchild, 5V)

ΔVi = 18V → ΔVo = 3mV

ΔI_L = 500mA → ΔVo = 5mV

ΔVo / ΔVi = 100 3mV/5V = 0.0023%/V

ΔVo / ΔI_L = 100 5mV/500mA = 0.0002%/μA

• REF 10s1KM (Burr Brown, 10V)

ΔT = 70°C → ΔVo = TC × ΔT × Vo / 10⁶ = 1 × 70 × 10 / 10⁶ = 0.7mV

• REF 101

50 ppm / 1000 ore = 10⁶ ΔVo / Vo / tempo → ΔVo = 500μV

• MA 705C (5V)

RRR = 78 dB

ΔVo = ΔVi / 10^78/20

ΔVi = 1V → 0.126μV

VOLTAGE SOURCES - Regolazione di carico

Impedance Transformation

Voltage source using transistor impedance transformation

1. output resistance = R_o = -dV_o/dI_o = R_s/(β + 1) + r_ob, (piccole variazioni)
2. ΔV_o = [((I_o2 - I_o1)R_s)/(β + 1) + V_T ln (I_o2/I_o1)]. (grandi variazioni)

Analisi alle piccole variazioni

Ri = rn + (Atβ)ro → ∞

guadagno a vuoto Ao

Ao = v0 / vs = (v0 / vi) (vi / vs) = 1 / 1 + rn / (Atβ)ro

Ri / Ri + Rs → 1

resistenza di uscita Ro

Ro = Rs + re / 1 + β

ex. con Rs = 1KΩ, Io = 5uA, V0 = 10V, β = 100

Ro ≅ 15Ω

ζ equivalente a :

Analisi alle grandi variazioni

IE1 → IE2

VBE = VT ln (IE / IS)

∆VBE = VT ln (ID2 / ID1)

VS = RSiB + VBE + VO = RS _IO/^1+β + VT ln IO / ID + VO

opp. due valori di IO

RS (ID2 - ID1) + VT ln (ID2 / ID1) + VO2 - VO1 = 0

∆VO = [ (ID2 - ID1)RS / (1+β) + VT ln (ID2 / ID1) ]

es.: ID1 = 1 mA → ID2 = 5 mA , VO = 10 V , RS = 1 kΩ

∆VO = - (4 mA x 10³ / 101) + 25 mV (ln 5) = -80 mV

Variazione (< 0) dello 0.8%

VOLTAGE SOURCES - Regolazione di carico

Use of Negative Feedback to Reduce the Output Impedance

Use of amplifier with negative feedback to reduce output resistance

1. V_o = V_s ^A/_1+A - I_oR'_s
2. R'_s = ^R_s/_1+A closed-loop output resistance

Feedback amplifier with emitter-follower output circuit

3. R_o = ^R_s/_{β + 1} + r_eb = ^R_s/_{β + 1} + ^V_T/_Io open-loop output resistance
4. R'_o = ^R_o/_{A + 1}

Analisi

a)

retroazione shunt in uscita riduce la R'_S → ^{R_S' =} R_S/^1+A

V_O = (R_S-V_O)A - I_OR_S

^{V_O = V_SA}/_1+A-^I_OR_S/_1+A

→ ^{R_S' = V_O}/_IO |_VS=0

b)

^{R_O = R_S}/_1+β + ^V_T/_IO

es.: _{RS = 1kΩ, IO = 1µA, A = 10⁴}

^{R_O = 103 + 25.6µV}/_{10¹ + 1mA} = 35Ω

^{R_O' = R_O}/_1+A = ^35Ω/_10⁴ = 3.5mΩ = 3.5µV/µA

ΔI_O = 1mA → ΔV_O = 35µV

Effetto della frequenza sulla Z_o

Ad alte frequenze le variazioni del guadagno e della fase dell’amplificatore

producono variazioni nel modulo e fase dell’impedenza di uscita.

Ampl. op.

A(f) = A(0) / (1 + j(f/f₁))

Per f ≫ f₁

A(f) ≅ A(0) f₁/jf = f_u/jf

f_u = A(0)f₁ freq. a guadagno unitario

impedenza ad anello chiuso

Z_s = R_o / (1 + A(f)) ≅ R_o / (f_u/jf) = jf R_o / f_u = jω L_s imp. induttiva

L_s = R_o / ω_u

Es.: f_u = 1 MHz, A(0) = 10⁴, R_o = 35 Ω

Z_s¹ ≅ jf (35 Ω / 1 MHz)   f₁ = 1.0 kHz / 10⁴ = 100 Hz

Z_s¹ = j 35 mΩ

con   f = 1.0 kHz   Z_s¹ = j 0.35 Ω

f = 10 kHz   Z_s¹ = j 3.5 Ω

f = 100 kHz

L_s¹ = 5.6 μH

Regolazione di linea con diodo zener

Voltage source with current source biasing for supply voltage rejection

^dV_O/_dVSupply = ^dV_Z/_dVSupply = g_oZ_z,

^dV_Z/_dIZ

conduzione di I_O g_o = ^dI_O/_dVSupply

dV_O ≅ dV_Z

ANALISI

Alle variazioni

dV_z = dV⁺

dV_z = dV⁺

dV_z = dV⁺ - z_z = dN⁺ - g_oz_z

1

dV_z =

dV_z ≈ g_o z_z, g_o z_z << 1

es.: z_z = 10 Ω, g_o = 100 mS

ΔV₀ = 100 nS x 10 Ω = 10^-6

ΔV_amply = 1 V → ΔV₀ = 1 μV

Regolazione di linea con V_BE di riferimento

Voltage source using V_BE as the reference voltage

1. V_o = ^{V_BE(R₁ + R₂)}/_R2 = V_BE(1 + ^R₁/_R2)
2. R_o ≅ ^V_o/_VBE 1/^g_m = ^V_o/_VBE V_f/I_c
3. dV_o/dV_Supply = g_oR_o, conduttanza di I_q g_o = dI_q/dV_Supply