Prove esame Electronics

DIODO

1) Descrivere impiego, circuito e dimensionamento del regolatore di tensione con diodo zener in

parallelo. Disegnare il principio di funzionamento, disegnare la caratteristica corrente-tensione di

un diodo Zener. Si disegni infine e si descriva il criterio di progetto di un circuito regolatore di

tensione con zener in parallelo al carico. Riportare:

a) La definizione dei parametri di merito, quali la regolazione di linea e del carico;

b) Il dimensionamento del resistore R impiegato nel regolatore indicando i criteri di progetto.

Il diodo zener è un diodo che lavora nella zona di

breakdown ed ha una caratteristica simile al diodo nella

zona attiva. La variazione di corrente è legata alla

variazione di tensione dalla resistenza Rz detta

resistenza incrementale o dinamica, perché non è un

valore costante ma dipende dall’intervallo di tensione

considerato ed in particolare dal punto di lavoro.

Generalmente ha un valore molto basso che va da

qualche ohm a qualche decina di ohm. La resistenza è

data dall’inverso della pendenza della caratteristica i-v

con tensioni inferiori alla tensione di ginocchio negativa,

ovvero di breakdown. Vicino a questa tensione il valore

di Rz varia molto, mentre per valori più bassi della

tensione, si mantiene pressocchè costante. Ai fini del

segnale intorno al punto di lavoro la transcaratteristica può

essere schematizzata come una retta:

= +

E può essere sostituito quindi da un generatore di segnale

continuo e da una resistenza.

Il diodo zener viene usato come regolatore di tensione per abbassare la corrente di ripple, ovvero

una piccola componente di segnale che disturba il segnale continuo. Tutte le applicazioni

elettroniche utilizzano la corrente in continua per cui necessitano di un regolatore di tensione e a

tale scopo si usa un diodo zener connesso in parallelo con il carico. Il compito del regolatore è

abbassare la componente di ripple e non sentire della variazione della corrente di carico Il. Infatti si

definiscono due parametri, regolazione di linea (rapporto tra ripple di Vs e Vo) e regolazione di

carico (rapporto tra variazione di Vo e Il). Sostituendo con il suo circuito equivalente si ottiene

questo. Si trova così: ( )

= + − //

+ +

Per ottenere questa espressione si usa il principio di

sovrapposizione spezzando il circuito in tre parti, uno con

solo Vs, uno con solo Vze ed uno con solo IL. Per avere

un segnale costante è necessario che il secondo ed il terzo termine siano minimizzati, ovvero i

termini di:

- regolazione di linea ( )

//

- regolazione di carico

è importante non far scendere troppo la tensione sul diodo, altrimenti Rz aumenta e le prestazioni

calano, per tanto si può dimensionare la resistenza R nel caso in cui si abbia Vs minimo e Il

massimo. Attraverso l’analisi del circuito si trova R in queste circostanze.

2) Descrivere la capacità di svuotamento di una giunzione pn a semiconduttore individuando i

parametri fisici e geometrici da cui dipende. Discutere come le capacità variano la tensione di

polarizzazione.

Se prendiamo con l’ipotesi di una giunzione brusca un diodo pn, ovvero connettiamo due barre di

silicio estrinseco drogate l’una con cariche positive e l’altro con cariche negative, osserviamo una

iniziale corrente di diffusione dovuta all’attrazione dei portatori maggioritari n dal polo positivo p e

viceversa. Successivamente si ha una ricombinazione tra gli elettroni e le lacune nella zona di

giunzione creando così una zona di svuotamento di carica. Ai bordi della zona svuotata si ha un

accumulo di cariche dovuta alla diffusione.

Tali cariche creano un campo elettrico

opposto e instaurano quindi una corrente di

trascinamento che contrasta la diffusione. Si

arriva al punto di equilibrio quando la corrente

di diffusione è uguale alla corrente di

trascinamento. Se si applica una tensione di

polarizzazione inversa, si nota un effetto

capacitivo proporzionale alla tensione

applicata dovuto all’accumulo di cariche ai lati

della regione svuotata. Questo effetto viene

schematizzato con la capacità di

svuotamento incrementale che rappresenta

la tangente della transcaratteristica q-v.

Quindi la capacità di svuotamento è definita nel punto di lavoro come:

=

Calcolata in v=Va. La capacità di svuotamento può essere rappresentata con la seguente formula:

= ( )

−

Dove:

 = tensione ai capi della regione svuotata per tensione esterna nulla

 = tensione tra i morsetti del diodo ( è negativa per polarizzazioni inverse

 = costante dipendente dall’area di giunzione e dalle concentrazioni delle impurezze

 = costante dipendente dalla distribuzione delle impurezze in prossimità della giunzione

3) Descrivere il fenomeno di breakdown di una giunzione pn a semiconduttore, le sue cause e le

applicazioni

Con l’aumentare della tensione in polarizzazione inversa si ha un aumento della regione svuotata

ed un aumento della barriera di potenziale. Superato il valore di differenza di potenziale detto di

breakdown si osservano due fenomeni:

1 Effetto tunnel o di attraversamento, ovvero le bande sono talmente distorte che si ha un

assottigliamento della banda proibita per cui alcuni elettroni riescono ad attraversare facilmente ed

andare in banda di conduzione generando così una corrente. Questa corrente in genere è molto

limitata.

2 Breakdown a valanga: a tensioni più elevate gli elettroni vengono caricati talmente tanto dal

campo elettrico esterno che riescono a rompere i legami e andare ad urtare altri elettroni

scatenando così una reazione a catena che genera una nuova corrente. L’andamento di questa

corrente può arrivare a livelli superiori della corrente emessa in conduzione diretta.

4) Si definisca il PIV di un circuito raddrizzatore a diodi, indicandone l’espressione matematica sia per i

raddrizzatori a singola che quelli a doppia semionda. Disegnare e descrivere il funzionamento del

circuito raddrizzatore a doppia semionda che impiega il ponte di diodi a giunzione. Indicare inoltre:

l’espressione del peak inverse voltage, il valore minimo di ampiezza della tensione di ingresso Vmin

e quale circuito debba essere impiegato in alternativa qualora l’ampiezza della tensione in ingresso

sia prossimo o inferiore a Vmin

Il PIV è il peak inverse voltage, ovvero la tensione massima che ci si aspetta venga applicata ai

capi di un diodo. Tale valore serve per evitare che si verifichi la condizione di breakdown sul diodo,

in generale si applica un coefficiente di sicurezza: BD = 1,5 PIV.

Per il raddrizzatore a singola

semionda il PIV è direttamente

correlato al valore di picco

negativo della sinusoide di

ingresso perché applicata

direttamente ai capi del diodo.

Quindi PIV = max(Vs).

Per il raddrizzatore a doppia semionda

invece la tensione che capita ai capi del

condensatore D1 in conduzione positiva,

è pari a vo-vs, ma nel caso non ideale c’è

una caduta pari a Vd0 sul diodo di

potenziale. Il massimo del picco si avrà

quando all’anodo di D1 c’è Vs di picco e

al catodo c’è Vo al suo picco ovvero Vs-

Vd0, pertanto la differenza di potenziale è

pari a: =2 −

Che è circa due volte il valore del

raddrizzatore a singola semionda.

Nel caso di ponti di diodi invece, essendo due

i diodi attivi di volta in volta, si può calcolare il

PIV durante la semionda positiva. La tensione

ai capi di D3 può essere determinata a partire

dalla maglia formata da D3, R e D2:

( )= + ( )

Per cui il massimo di D3 si verifica al massimo

di Vo ovvero Vs -2 VD0, c’è il 2 perché la

tensione di caduta è data da 2 diodi, mentre la

massima VD2 è pari a VD0:

= −2 + = −

Da qui si vede il vantaggio del ponte di diodi,

l’avere un PIV come nel raddrizzatore a

singola semionda e lo spettro della vo come il

raddrizzatore del doppia semionda, anche se con una tensione di caduta doppia.

5) Disegnare e descrivere lo schema a blocchi di un alimentatore di tensione continua stabilizzato.

Disegnare e commentare lo schema a blocchi di un alimentatore che deve erogare una tensione

continua, specificando i dettagli della sezione del raddrizzatore a doppia semionda facendo uso

della configurazione a ponte di diodi. BJT

1) Disegnare e descrivere il circuito equivalente per piccoli segnali ad alta frequenza del transistor

bipolare a giunzione, dimostrando l’espressione del guadagno di corrente di corto circuito hfe in

funzione della frequenza. Ad alte frequenze gli effetti capacitivi delle

giunzioni iniziano a farsi sentirre così

come la resistenza Rx distribuita nella

base, che se pur piccola, ad alte

frequenze influenza il funzionamento.

La Cpi è la capacità di diffusione della

giunzione EB,

La Cmi è la capacità di svuotamento tra CB.

Possiamo scrivere i parametri ibridi della rete due porte prendendo come uscita Vbe ed Ic, mentre

come ingresso Ib e Ve:

Possiamo andare a calcolare il parametro Hfe che lega la corrente di base con la corrente di

collettore ed è calcolabile quando la Vc=Vce=0

−

ℎ = = ≅

⁄

1 + ( + ) 1+ ( + )

Ha uno spettro del tipo passa basso, questo spiega la loro influenza alle alte frequenze.

2) Si disegni lo schema circuitale dello specchio di corrente a transistore bipolare a giunzione e se ne

descriva sistematicamente l’impiego. Lo specchio di corrente è usato

sistematicamente nei circuiti integrati

perché è un generatore di corrente

controllato in tensione e realizzato in

transistor, per cui ogni qual volta si

necessita l’uso di un generatore di

corrente si utilizza questo tipo di

circuito.

È costituito da due transistor bjt di tipo

npn aventi una connessine a diodo tra le

due basi e tra i due emettitori. Nel

transistor Q1 nel collettore scorre la

corrente di riferimento e nel collettore

del transistor Q2 scorre all’incirca la

stessa corrente indipendentemente da

VEE. In definitiva il rapporto tra Irif e Io

vale: +2

=

3) Descrivere l’effetto Early nei transistori bipolari a giunzione, poi:

a) Disegnare delle caratteristiche corrente-tensione in uscita di un transistor, indicando la tensione di

Early:

b) Disegnare il modello per piccoli segnali (a bassa frequenza) che tenga conto dell’effetto Early.

In presenza di alti valori di Vce, nella zona attiva, si ha un aumento della larghezza della zona

svuotata W e quindi un aumento della Ic.

Per studiare questo comportamento prendiamo il BJT collegato con una tensione variabile VBE ed

una VCE. Nella caratteristica Ic-Vce si nota la pendenza non nulla