GX-TXT-v3: sensibilità, soglia e caratterizzazione della catena di uscita

Introduzione

La GX-TXT-v3 è un piccolo strumento progettato per verificare il funzionamento dei telecomandi a infrarossi. Il circuito rileva il segnale ricevuto dal fotodiodo, ne amplifica la componente utile e pilota un LED di segnalazione, con regolazione del guadagno e della sensibilità. Un temporizzatore provvede inoltre allo spegnimento automatico dopo alcuni secondi per limitare il consumo della batteria.

In questa serie di articoli sto seguendo passo passo la realizzazione e soprattutto la caratterizzazione sperimentale del circuito, confrontando dove utile il comportamento della scheda reale con quello previsto dalla simulazione LTspice.

La costruzione della PCB GX-TXT-v3 e le prime verifiche del progetto sono descritte negli articoli precedenti, sono partito da qui:

Obiettivo delle misure

Dopo aver caratterizzato il fotodiodo virtuale, il nodo VIR e la regolazione del guadagno del preamplificatore, proseguo le misure sulla GX-TXT-v3 seguendo il segnale nella parte successiva del circuito.

In questa fase l’obiettivo è osservare come la regolazione di POT_SENS interagisce con il guadagno impostato da POT_GAIN e come il segnale si propaga attraverso la rete di soglia, lo stadio QIN, il circuito HOLD e infine il pilotaggio del LED arancio.

Per rendere confrontabili tutte le misure mantengo invariato il fotodiodo virtuale e utilizzo una fotocorrente equivalente di circa 20 µA. Questo valore non deve essere interpretato come una caratteristica universale di un telecomando IR: nella realtà la corrente generata da un fotodiodo dipende dal componente utilizzato, dalla distanza e dall’angolo rispetto al telecomando, dalla potenza emessa dal LED infrarosso e dalle condizioni operative del trasmettitore.

I 20 µA rappresentano quindi semplicemente un valore scelto come ragionevole riferimento per la caratterizzazione di base del circuito. Mantenendo costante questa eccitazione posso modificare in modo controllato soltanto le due regolazioni della GX-TXT-v3 e osservare il comportamento dei diversi stadi nelle stesse condizioni.

La prova viene organizzata utilizzando tre posizioni di POT_GAIN, prossime a 0 Ω, 500 Ω e 1 kΩ. Per ciascuna posizione vengono poi esplorati diversi valori di POT_SENS lungo la sua corsa. Poiché si tratta di trimmer reali a singolo giro, nelle tabelle riporterò sempre i valori effettivamente misurati, anziché assumere posizioni nominali identiche tra una serie e l’altra.

Per ogni combinazione osserverò la tensione sul nodo V_TRHESHOLD, il comportamento del collettore di QIN, la tensione accumulata sul nodo HOLD e il livello sul nodo N_LED_ARANCIO, dal quale è possibile ricavare anche la corrente di pilotaggio del LED. Dove risulta utile, le misure reali verranno confrontate con la corrispondente simulazione LTspice.

Corrispondenza dei punti di misura

Nella simulazione LTspice alcuni nodi hanno nomi utilizzati principalmente per rendere più leggibile l’analisi. Nello schema elettrico e sulla PCB gli stessi punti possono invece essere identificati attraverso il nome del segnale, il riferimento del componente o un test point. La tabella seguente riporta le corrispondenze utilizzate nelle misure di questo articolo.

Per le altre sigle e per una descrizione più completa dei diversi stadi della GX-TXT-v3 rimando all’articolo precedente, nel quale sono stati presentati lo schema elettrico e i principali punti di misura della scheda.

Condizioni della prova e significato del confronto

Per questa serie di misure mantengo fisso POT_GAIN e vario progressivamente POT_SENS, osservando il comportamento dei nodi INPUT, del collettore di Q6, HOLD e del circuito di pilotaggio del LED arancio. I valori riportati per i trimmer sono quelli effettivamente misurati con l’OWON XDM2041, utilizzato sulla portata da 50 kΩ.

Le tensioni sul nodo HOLD e sul nodo di alimentazione del LED arancio sono state invece misurate con lo stesso multimetro sulla portata da 5 V. Le forme d’onda sui nodi INPUT e sul collettore di Q6 sono state osservate con l’oscilloscopio.

Durante tutte le prove il fotodiodo virtuale viene mantenuto nelle stesse condizioni già caratterizzate, corrispondenti a una fotocorrente di circa 20 µA. Anche frequenza, duty cycle e gli altri componenti del circuito rimangono invariati: le sole variabili della campagna di misura sono quindi POT_GAIN e POT_SENS.

È però importante chiarire che in questa fase il circuito viene sottoposto a un treno di impulsi continuo e persistente. Non si tratta quindi della riproduzione temporale di un comando reale proveniente da un telecomando, che normalmente occupa una finestra di pochi millisecondi ed è costituito da burst e pause secondo il protocollo utilizzato.

Di conseguenza, il fatto che in una determinata condizione il nodo HOLD riesca progressivamente a caricarsi e il LED arancio arrivi ad accendersi non implica necessariamente che lo stesso avvenga con un comando reale. Questa prova serve principalmente a caratterizzare la risposta dei diversi stadi e a individuare come le regolazioni modificano la propagazione del segnale lungo la catena.

Il confronto con LTspice viene quindi utilizzato soprattutto come riferimento qualitativo e quantitativo indicativo. Questo vale in particolare per HOLD: nelle condizioni prossime alla soglia il condensatore può caricarsi molto lentamente e il valore ottenuto in simulazione dipende anche dalla durata della simulazione stessa. Dove necessario ho prolungato il transitorio, mentre nei casi in cui il circuito risultava chiaramente lontano dall’attivazione ho mantenuto una simulazione più breve.

Valori reali dei trimmer e regolazione della sensibilità

Nelle simulazioni e nelle tabelle utilizzo, per quanto possibile, i valori reali misurati dei trimmer e non semplicemente quelli nominali. Questo è particolarmente importante per POT_SENS, perché non viene utilizzato come semplice resistenza variabile ma come partitore di tensione.

Il trimmer montato sulla scheda presenta una resistenza totale misurata di 9,538 kΩ. Nella simulazione LTspice il partitore è quindi rappresentato da due resistenze complementari: una pari a 9,538 kΩ – POT_SENS e l’altra pari a POT_SENS. Il nodo centrale del partitore è V_OUT_POT_SENS.

R_UP = 9,538 kΩ – POT_SENS

R_DOWN = POT_SENS

Lo schema seguente mostra la parte della catena interessata dalla regolazione. Il segnale proveniente dal collettore di QPRE viene accoppiato attraverso C_OUT_PRE e applicato al partitore POT_SENS. Portando POT_SENS verso 0 Ω il cursore viene progressivamente avvicinato a massa e il segnale inviato allo stadio successivo diminuisce; aumentando POT_SENS, invece, una frazione sempre maggiore del segnale proveniente dal preamplificatore raggiunge D_THRESHOLD.

Dopo il partitore il diodo D_THRESHOLD e la resistenza da 100 kΩ formano la rete che alimenta il nodo INPUT, indicato nella simulazione come V_TRHESHOLD. Da questo punto in poi il comportamento diventa fortemente non lineare e viene determinato anche dalla conduzione del diodo e dallo stadio QIN successivo.

Una nota sullo stadio QIN

Prima di confrontare i risultati è utile osservare come è polarizzato in AC lo stadio QIN, corrispondente a Q6 nello schema. Sul ramo di emettitore sono presenti una resistenza da 22 Ω e una da 2 kΩ, ma quest’ultima è bypassata dal condensatore da 10 µF.

Alla frequenza utilizzata nelle prove, circa 38 kHz, la reattanza del condensatore da 10 µF è inferiore a 1 Ω. Dal punto di vista AC la resistenza da 2 kΩ risulta quindi sostanzialmente esclusa e l’emettitore vede principalmente la resistenza da 22 Ω, alla quale va sommata la resistenza dinamica interna del transistor.

X_C = 1 / (2πfC) ≈ 0,42 Ω

QIN lavora quindi con una degenerazione di emettitore molto ridotta e può fornire un guadagno AC molto elevato. In prima approssimazione il suo comportamento può essere descritto dalla relazione seguente, trascurando il carico applicato al collettore:

A_v ≈ -R_C / (R_E + r_e)

Con R_C = 3,9 kΩ e R_E = 22 Ω, anche considerando la resistenza dinamica di emettitore, il guadagno disponibile è molto elevato. In pratica QIN non è stato pensato come uno stadio destinato a riprodurre linearmente la forma d’onda: quando al suo ingresso compare un segnale sufficientemente grande, l’escursione sul collettore cresce rapidamente fino a diventare dell’ordine di alcuni volt e può avvicinarsi ai limiti imposti dalla polarizzazione del transistor.

Questo rende particolarmente delicato il confronto tra simulazione e circuito reale quando il segnale sul nodo INPUT è molto piccolo. Differenze anche modeste nei parametri reali del 2N3904, nella sua corrente di polarizzazione, nella tensione V_BE, nel guadagno di corrente e nelle caratteristiche della rete di ingresso possono produrre variazioni molto più evidenti sul collettore.

Per questo motivo non mi aspetto una coincidenza precisa tra LTspice e misura reale proprio nelle condizioni prossime alla soglia. Il confronto rimane comunque utile per verificare l’andamento generale dello stadio e osservare il passaggio da una risposta quasi nulla a una forte escursione sul collettore di Q6.

Prima serie di misure: POT_GAIN ≈ 1 kΩ

La prima serie è stata eseguita con POT_GAIN misurato pari a 958,6 Ω, quindi con il guadagno minimo, variando progressivamente POT_SENS lungo quasi tutta la sua corsa. La tabella riassume i valori misurati sui principali nodi della catena e, dove disponibile, il corrispondente comportamento osservato in simulazione.

Dettaglio della prima serie di misure

Dopo la tabella riassuntiva vediamo più nel dettaglio i singoli punti della prima serie, eseguita mantenendo POT_GAIN = 958,6 Ω e variando POT_SENS.

Come controllo preliminare ho acquisito anche il segnale sul collettore di QPRE in due condizioni, con POT_SENS pari a 0,0003 kΩ e 2,456 kΩ. In entrambi i casi l’escursione misurata è di circa 2,28 Vpp. QPRE_C precede C_OUT_PRE e il partitore POT_SENS, quindi queste acquisizioni servono semplicemente a verificare il segnale disponibile all’ingresso della rete di regolazione della sensibilità.

POT_SENS = 0,0003 kΩ

La prima misura è stata effettuata con POT_SENS praticamente a zero. In questa posizione il cursore del partitore è quasi collegato a massa e sul catodo di D3, cioè sul nodo indicato in LTspice come V_TRHESHOLD, non è presente un segnale misurabile.

Non ho quindi acquisito un oscillogramma della tensione di soglia: in questa condizione il valore è sostanzialmente nullo e non vi era una forma d’onda significativa da documentare.

Anche sul collettore di QIN non si osserva una variazione apprezzabile dovuta al segnale. Con l’OWON misuro HOLD = 0 V, mentre N_LED_ARANCIO rimane a VCC: il LED arancio è quindi spento.

La simulazione LTspice conferma il comportamento generale. V_TRHESHOLD rimane praticamente a zero, QIN_C non presenta una risposta significativa, HOLD resta praticamente scarico e N_LED_ARANCIO rimane prossimo alla tensione di alimentazione.

POT_SENS = 2,456 kΩ

Portando POT_SENS a 2,456 kΩ il circuito entra nella zona in cui comincia a comparire una risposta dopo la rete di soglia. Sul catodo di D3 ho misurato con l’OWON una tensione di circa 24,5 mV.

Anche in questo caso non ho acquisito un oscillogramma dedicato di V_TRHESHOLD: il segnale era ancora molto piccolo e non vi era una forma d’onda sufficientemente significativa da rendere utile la misura con l’oscilloscopio.

Sul collettore di QIN compare invece una prima risposta chiaramente osservabile, con un’escursione di circa 304 mVpp. HOLD rimane ancora a 0 V e N_LED_ARANCIO resta a VCC, quindi la catena di uscita non viene attivata.

La simulazione mostra anch’essa l’inizio della risposta di QIN, ma in questa zona la differenza quantitativa rispetto al circuito reale è piuttosto evidente: dal grafico LTspice l’escursione di QIN_C è dell’ordine di 1 Vpp, sensibilmente maggiore di quella misurata.

È proprio una delle condizioni in cui il confronto deve essere considerato con maggiore cautela. Come visto in precedenza, QIN lavora con una degenerazione di emettitore molto ridotta e un guadagno AC elevato; quando il segnale proveniente dalla rete di soglia è molto piccolo, differenze relativamente modeste tra il transistor reale e il modello utilizzato in simulazione possono produrre differenze molto più evidenti sul collettore.

POT_SENS = 4,991 kΩ

Con POT_SENS portato a 4,991 kΩ la tensione sul catodo di D3 diventa sufficientemente grande da poter essere osservata direttamente con l’oscilloscopio.

La forma d’onda su V_TRHESHOLD non presenta un’escursione perfettamente costante durante tutto il periodo; a seconda della zona considerata misuro valori compresi indicativamente tra circa 21,6 e 32,4 mVpp.

Queste poche decine di millivolt producono già una risposta molto più importante sul collettore di QIN, dove misuro un’escursione di circa 2,30 Vpp.

La risposta comincia ora a propagarsi anche alla parte successiva della catena: con l’OWON misuro circa 1,32 V sul nodo HOLD e circa 2,9 V su N_LED_ARANCIO.

Anche LTspice mostra il passaggio a una risposta significativa di QIN. Dal grafico simulato V_TRHESHOLD presenta una variazione dell’ordine di alcune decine di millivolt, mentre QIN_C raggiunge un’escursione dell’ordine di 3 Vpp. Il nodo HOLD comincia inoltre a caricarsi e la tensione su N_LED_ARANCIO diminuisce.

I valori simulati di HOLD e lo stato raggiunto dal ramo del LED vanno però considerati soltanto indicativi. In questa caratterizzazione il circuito è pilotato con un treno di impulsi continuo e, soprattutto nelle condizioni prossime alla soglia, la tensione raggiunta da HOLD dipende anche dalla durata assegnata alla simulazione.

POT_SENS = 7,532 kΩ

Aumentando POT_SENS a 7,532 kΩ cresce ulteriormente il segnale presente sul catodo di D3. Anche in questo caso l’escursione non rimane perfettamente costante durante il periodo e misuro valori indicativamente compresi tra circa 51 e 68 mVpp.

Sul collettore di QIN la risposta è ormai molto ampia: l’oscilloscopio indica circa 4,20 Vpp. Lo stadio è quindi entrato chiaramente nella zona di forte risposta.

Con l’OWON misuro 3,14 V sul nodo HOLD e circa 1,991 V su N_LED_ARANCIO. Nelle condizioni persistenti utilizzate per questa prova il circuito arriva quindi a pilotare il LED arancio.

In questa zona la simulazione e la misura reale risultano qualitativamente molto più vicine. LTspice mostra un’escursione di QIN_C dell’ordine di 4,4 Vpp, una tensione HOLD intorno ai 3 V e N_LED_ARANCIO prossimo ai 2 V.

Il confronto sul comportamento di QIN diventa quindi più significativo una volta usciti dalla zona di piccolissimo segnale. Rimane invece valida la cautela già indicata per HOLD e per l’accensione del LED, che dipendono anche dalla durata dell’eccitazione.

POT_SENS = 9,511 kΩ

L’ultimo punto della prima serie è stato acquisito con POT_SENS = 9,511 kΩ, quindi molto vicino alla resistenza totale misurata del trimmer, pari a 9,538 kΩ.

Sul nodo V_TRHESHOLD misuro un’escursione di circa 72 mVpp. Sul collettore di QIN l’escursione raggiunge circa 4,56 Vpp.

L’incremento dell’escursione su QIN_C rispetto al punto precedente è ormai relativamente piccolo: lo stadio è già fortemente pilotato e il suo comportamento non può più essere interpretato semplicemente come quello di un amplificatore lineare a piccolo segnale.

Sul nodo HOLD misuro circa 3,9 V, mentre N_LED_ARANCIO è pari a circa 1,996 V. Anche in questa condizione il LED arancio risulta quindi pilotato durante l’eccitazione continua utilizzata per la caratterizzazione.

La simulazione mostra lo stesso comportamento generale: l’escursione di QIN_C è ormai dell’ordine di 4,5 Vpp, HOLD raggiunge alcuni volt e N_LED_ARANCIO si porta intorno ai 2 V.

Non bisogna però interpretare questa prova come una misura diretta della sensibilità a un telecomando reale. Il fotodiodo virtuale sta fornendo un treno di impulsi continuo e persistente, mentre un comando IR reale è costituito da burst che occupano una finestra temporale di pochi millisecondi. Il fatto che HOLD riesca a caricarsi e il LED ad accendersi durante questa prova non implica quindi automaticamente che ciò avvenga nelle stesse condizioni con un singolo comando reale.

Corrente del LED arancio

Dalla tensione misurata sul nodo N_LED_ARANCIO è possibile ricavare anche la corrente che attraversa il LED arancio. Il LED è alimentato da VCC attraverso la resistenza RLED da 680 Ω; utilizzando il valore di VCC misurato, pari a circa 8,982 V, la corrente può quindi essere stimata dalla caduta di tensione sulla resistenza.

I_LED = (VCC – V_{N_LED_ARANCIO}) / 680 Ω

La tabella seguente riassume il risultato per i diversi valori di POT_SENS della prima serie di misure. Quando N_LED_ARANCIO rimane a VCC la caduta sulla resistenza è nulla e il LED è spento; quando invece la catena viene attivata, la corrente cresce rapidamente fino a stabilizzarsi intorno ai 10 mA.

Si osserva quindi una transizione piuttosto netta: nelle prime due regolazioni il LED rimane spento, mentre aumentando POT_SENS la corrente raggiunge prima circa 8,9 mA e successivamente si porta intorno a 10,3 mA. Una volta che lo stadio di uscita è pienamente pilotato, ulteriori aumenti della sensibilità non producono variazioni significative della corrente di LED.

Seconda serie di misure: POT_GAIN ≈ 500 Ω

La seconda serie è stata eseguita con POT_GAIN misurato pari a 492,7 Ω, quindi con una regolazione di guadagno prossima alla metà corsa. Anche in questo caso ho variato progressivamente POT_SENS lungo quasi tutta la sua escursione, riportando per ogni punto il valore realmente misurato del trimmer.

Rispetto alla prima serie, eseguita con il guadagno minimo, il segnale disponibile a valle del preamplificatore è maggiore e permette di osservare come cambia la risposta della rete di soglia e dello stadio QIN al crescere della sensibilità. Per tutti i punti sono stati acquisiti gli oscillogrammi di V_TRHESHOLD e QIN_C; le tensioni HOLD e N_LED_ARANCIO sono state invece misurate con l’OWON XDM2041.

Nel punto con POT_SENS pari a circa 3 Ω gli oscillogrammi sono stati comunque acquisiti, ma il segnale utile è troppo piccolo rispetto al rumore per attribuirgli in modo sensato un valore picco-picco mediante la semplice lettura della traccia. Un’eventuale estrazione della componente alla frequenza nota richiederebbe un’elaborazione numerica dell’acquisizione, non necessaria per gli obiettivi di questa prova.

Dettaglio della seconda serie di misure

Gli oscillogrammi permettono di osservare più chiaramente la transizione che nella tabella appare soltanto attraverso i valori numerici. Per ciascuna posizione di POT_SENS riporto la misura di V_TRHESHOLD sul catodo di D3, la risposta sul collettore di QIN e il corrispondente risultato della simulazione LTspice.

Il confronto con la simulazione rimane soprattutto indicativo nelle condizioni prossime alla soglia e per i valori di HOLD. Quando invece QIN viene pilotato con decisione, il confronto delle ampiezze sul collettore diventa più significativo.

POT_SENS = 3 Ω

Con POT_SENS praticamente a zero, sia su V_TRHESHOLD sia sul collettore di QIN sono visibili soltanto segnali molto piccoli immersi nel rumore della misura. Gli oscillogrammi sono utili per documentare questa condizione, ma non considero significativo ricavarne direttamente un valore Vpp.

HOLD rimane a 0 V e N_LED_ARANCIO resta a VCC: la parte finale della catena è quindi completamente inattiva. Anche LTspice restituisce sostanzialmente la stessa condizione, con V_TRHESHOLD prossimo a zero e nessuna risposta significativa di QIN.

POT_SENS = 2,595 kΩ

Portando POT_SENS a 2,595 kΩ comincia a comparire una risposta chiaramente correlata al segnale iniettato. Su V_TRHESHOLD misuro un’escursione di circa 10,6 mVpp.

Sul collettore di QIN l’effetto dell’elevato guadagno dello stadio diventa già evidente. Nell’acquisizione mostrata l’oscilloscopio indica circa 590 mVpp; durante la misura ho osservato valori variabili indicativamente tra circa 590 e 830 mV.

La catena successiva non è tuttavia ancora pienamente attivata. HOLD raggiunge soltanto circa 75 mV, mentre N_LED_ARANCIO rimane a VCC e il LED arancio resta spento.

È in questo punto che emerge in maniera particolarmente evidente la sensibilità di QIN alle condizioni di piccolo segnale. LTspice mostra infatti una risposta sul collettore sensibilmente maggiore di quella misurata, dell’ordine di 1,5-2 Vpp, pur mantenendo ancora inattivo il ramo del LED.

Anche il valore simulato di HOLD risulta maggiore di quello misurato. Questo confronto va però interpretato con cautela: siamo molto vicini alla zona in cui piccole differenze nella risposta di QIN vengono amplificate fortemente e la carica di HOLD dipende inoltre dal tempo per cui viene mantenuto il treno di impulsi.

POT_SENS = 5,1145 kΩ

Con POT_SENS portato a 5,1145 kΩ il comportamento della catena cambia nettamente. Su V_TRHESHOLD l’oscilloscopio misura in questa acquisizione circa 57,6 mVpp; durante le osservazioni il valore non era perfettamente costante e si collocava indicativamente nell’intervallo annotato di circa 42-62 mVpp.

Sul collettore di QIN l’escursione raggiunge 3,960 Vpp. Rispetto al punto precedente lo stadio è quindi passato da una risposta ancora parziale a una forte escursione di diversi volt.

Anche la parte finale del circuito è ora chiaramente attiva: HOLD raggiunge circa 2,83 V e N_LED_ARANCIO si porta intorno a 2,00 V, indicando il pilotaggio del LED arancio nelle condizioni persistenti utilizzate per questa prova.

In questa zona il confronto con LTspice migliora sensibilmente. La simulazione mostra su V_TRHESHOLD un’escursione dello stesso ordine di grandezza e su QIN_C una variazione di poco superiore ai 4 Vpp. Anche HOLD si porta intorno ai 3 V e N_LED_ARANCIO intorno ai 2 V.

La corrispondenza non è quindi soltanto qualitativa: una volta superata la regione di piccolissimo segnale, anche le ampiezze dei principali nodi diventano abbastanza vicine tra simulazione e circuito reale.

POT_SENS = 7,584 kΩ

Aumentando POT_SENS a 7,584 kΩ l’escursione misurata su V_TRHESHOLD sale a circa 76 mVpp.

Sul collettore di QIN misuro circa 4,480 Vpp. Lo stadio è ormai fortemente pilotato e l’aumento di POT_SENS produce una variazione molto meno drastica rispetto al passaggio osservato tra 2,595 e 5,1145 kΩ.

HOLD raggiunge circa 3,559 V, mentre N_LED_ARANCIO è prossimo a 1,99 V. Il pilotaggio del LED risulta quindi pienamente attivo nella condizione di prova.

LTspice mostra lo stesso andamento, con V_TRHESHOLD nell’ordine di alcune decine di millivolt picco-picco, QIN_C prossimo a un’escursione di circa 5 Vpp, HOLD nell’ordine di 4 V e N_LED_ARANCIO vicino ai 2 V.

POT_SENS = 9,429 kΩ

L’ultimo punto della seconda serie è stato acquisito con POT_SENS pari a 9,429 kΩ, quindi nuovamente molto vicino all’estremo superiore del trimmer.

Su V_TRHESHOLD misuro circa 85 mVpp, mentre sul collettore di QIN l’escursione raggiunge circa 4,880 Vpp. Rispetto ai due punti precedenti QIN continua ad aumentare la propria escursione, ma la variazione è ormai molto più contenuta rispetto alla brusca transizione osservata nella regione centrale della regolazione.

Sul nodo HOLD misuro circa 3,88 V e N_LED_ARANCIO rimane intorno a 1,99 V. Il ramo di uscita è quindi pienamente pilotato.

LTspice restituisce anche in questo caso lo stesso comportamento generale, pur con ampiezze leggermente maggiori: V_TRHESHOLD è dell’ordine di un centinaio di millivolt picco-picco e QIN_C supera indicativamente i 5 Vpp. HOLD raggiunge inoltre un valore superiore a quello misurato sul circuito reale.

Quest’ultima differenza non cambia però il significato della prova. HOLD viene caricato da un treno di impulsi mantenuto artificialmente nel tempo e il valore simulato dipende anche dalla durata del transitorio. L’obiettivo di questa serie è soprattutto osservare come la risposta della catena cambia al variare di POT_SENS, non determinare da queste condizioni artificiali la durata o la soglia esatta di accensione con un telecomando reale.

La seconda serie rende particolarmente evidente la transizione della catena al crescere di POT_SENS. Con il trimmer praticamente a zero si osservano soltanto segnali dell’ordine di pochi millivolt; a 2,595 kΩ QIN comincia già a produrre una risposta dell’ordine di alcune centinaia di millivolt, mentre intorno a 5 kΩ la sua escursione sale rapidamente a quasi 4 Vpp e comincia la carica significativa di HOLD.

Da questo punto in avanti l’aumento di POT_SENS continua ad aumentare la risposta, ma QIN si trova ormai in una condizione di forte escursione e la variazione sul collettore diventa progressivamente meno marcata. Il confronto con LTspice mostra inoltre che le maggiori differenze si concentrano proprio nella regione di piccolo segnale, mentre una volta che QIN è fortemente pilotato il comportamento simulato e quello reale diventano molto più vicini.

Corrente del LED arancio

Anche per questa seconda serie è possibile ricavare la corrente del LED arancio dalla tensione misurata sul nodo N_LED_ARANCIO. Utilizzando VCC pari a circa 8,982 V e la resistenza RLED da 680 Ω, la corrente viene stimata dalla caduta di tensione sulla resistenza.

I_LED = (VCC – V_{N_LED_ARANCIO}) / 680 Ω

Anche con POT_GAIN regolato a 492,7 Ω il comportamento dell’uscita è molto netto. Nei primi due punti il LED rimane spento; quando la risposta di QIN diventa sufficientemente grande e HOLD riesce a caricarsi, la corrente del LED sale rapidamente a circa 10,3 mA.

Una volta raggiunta questa condizione, ulteriori aumenti di POT_SENS producono variazioni trascurabili della corrente del LED. La regolazione della sensibilità agisce quindi soprattutto sul raggiungimento della condizione necessaria ad attivare la catena, mentre una volta che l’uscita è pienamente pilotata la corrente del LED è determinata essenzialmente dal suo ramo di alimentazione.

Terza serie di misure: POT_GAIN ≈ 0 Ω

La terza serie è stata eseguita portando POT_GAIN in prossimità del minimo valore disponibile. La resistenza effettivamente misurata è di circa 5 Ω, condizione che corrisponde quindi al guadagno massimo del preamplificatore.

Come nelle serie precedenti ho variato progressivamente POT_SENS lungo quasi tutta la sua corsa, riportando i valori reali misurati del trimmer. Per ogni punto sono stati osservati con l’oscilloscopio il nodo V_TRHESHOLD, sul catodo di D3, e il collettore di QIN; HOLD e N_LED_ARANCIO sono stati invece misurati con l’OWON XDM2041.

La tabella seguente raccoglie i risultati sperimentali. Anche per questa serie il confronto con LTspice va considerato soprattutto come riferimento dell’andamento generale della catena, in particolare nelle condizioni prossime alla soglia e per il valore raggiunto da HOLD.

Anche in questa serie, con POT_SENS praticamente a zero, le tracce osservate rimangono troppo piccole rispetto al rumore per attribuire loro in modo sensato un valore picco-picco mediante una semplice lettura dell’oscillogramma. Un’analisi numerica potrebbe eventualmente estrarre la componente alla frequenza nota, ma non aggiungerebbe informazioni utili agli obiettivi di questa caratterizzazione.

Analisi dettagliata dei singoli punti

Gli oscillogrammi permettono di seguire direttamente come il segnale attraversa la rete di sensibilità e come cambia la risposta di QIN al crescere di POT_SENS. Per ogni regolazione riporto V_TRHESHOLD, QIN_C e la corrispondente simulazione LTspice.

POT_SENS = 3 Ω

Con POT_SENS praticamente a zero la componente utile presente su V_TRHESHOLD è estremamente piccola. Anche sul collettore di QIN non è possibile ricavare direttamente dall’oscillogramma una Vpp significativa: le tracce sono dominate dal rumore e da piccoli residui sincronizzati con il segnale applicato.

Dal punto di vista funzionale la condizione è comunque chiara: HOLD rimane a 0 V e N_LED_ARANCIO resta a VCC, quindi il ramo di uscita rimane completamente inattivo. Anche LTspice restituisce sostanzialmente la stessa situazione.

POT_SENS = 2,595 kΩ

Con POT_SENS portato a 2,595 kΩ la risposta diventa nettamente osservabile. Su V_TRHESHOLD la forma d’onda presenta un’escursione non perfettamente uniforme, compresa indicativamente tra circa 29,2 e 46,8 mVpp.

Sul collettore di QIN l’effetto dell’elevato guadagno dello stadio è già molto marcato: l’escursione raggiunge circa 3,140 Vpp. Anche la parte successiva della catena comincia quindi a essere pilotata in modo importante.

Sul nodo HOLD misuro infatti circa 2,126 V, mentre N_LED_ARANCIO scende a circa 2,02 V. Nelle condizioni di eccitazione continua utilizzate per questa caratterizzazione il LED arancio risulta quindi già pilotato.

Il confronto con LTspice va ancora considerato con cautela in questa zona: QIN sta passando rapidamente dalla condizione di piccolo segnale a una forte escursione e piccole differenze tra circuito reale e modello possono produrre risultati sensibilmente diversi sul collettore e, di conseguenza, sulla carica di HOLD.

POT_SENS = 4,915 kΩ

Con POT_SENS pari a 4,915 kΩ su V_TRHESHOLD misuro un’escursione di circa 75,8 mVpp.

Sul collettore di QIN l’oscillogramma fornisce in questa condizione circa 2,160 Vpp. Questo valore non è coerente con l’andamento generale della serie: è inferiore a quello misurato al punto precedente, mentre sia V_TRHESHOLD sia HOLD continuano a crescere in modo regolare. Non escludo che dipenda dalla lettura dell’escursione su una forma d’onda ormai fortemente distorta e andrà quindi riverificato in una misura dedicata.

HOLD raggiunge circa 3,74 V, mentre N_LED_ARANCIO è pari a circa 1,99 V. La catena di uscita risulta quindi pienamente attiva durante il treno di impulsi continuo utilizzato nella prova.

Anche la simulazione viene utilizzata in questo punto soprattutto per verificare il comportamento complessivo della catena, più che per attribuire significato a piccole differenze nelle singole ampiezze.

POT_SENS = 7,495 kΩ

Portando POT_SENS a 7,495 kΩ la tensione su V_TRHESHOLD aumenta ulteriormente. Durante l’acquisizione l’escursione si colloca indicativamente tra circa 93 e 100 mVpp.

Sul collettore di QIN misuro circa 5,360 Vpp. Lo stadio è quindi fortemente pilotato e utilizza ormai una parte molto ampia dell’escursione disponibile sul collettore.

HOLD raggiunge circa 4,37 V, mentre N_LED_ARANCIO rimane intorno a 1,99 V. L’uscita è pienamente attiva.

In questa zona il confronto con LTspice torna a essere più semplice da interpretare: circuito reale e simulazione mostrano entrambi QIN fortemente pilotato, HOLD carico e il ramo del LED in conduzione.

POT_SENS = 9,632 kΩ

L’ultimo punto della serie è stato acquisito con POT_SENS pari a 9,632 kΩ, quindi in prossimità dell’estremo superiore del trimmer.

La tensione su V_TRHESHOLD presenta un’escursione indicativamente compresa tra circa 104 e 118 mVpp. Sul collettore di QIN misuro circa 5,800 Vpp, il valore più elevato osservato in questa serie.

Sul nodo HOLD la tensione raggiunge circa 4,75 V, mentre N_LED_ARANCIO si porta a circa 1,98 V. QIN e la successiva catena di uscita sono quindi completamente pilotati nelle condizioni persistenti della prova.

Anche in questo caso il confronto con LTspice conferma soprattutto l’andamento generale. I valori di HOLD non devono invece essere utilizzati per prevedere direttamente il comportamento con un telecomando reale, perché l’eccitazione applicata durante questa caratterizzazione viene mantenuta molto più a lungo di un normale burst IR.

Corrente del LED arancio

Come per le serie precedenti, dalla tensione misurata su N_LED_ARANCIO è possibile stimare la corrente che attraversa il LED. Utilizzando VCC pari a circa 8,982 V e RLED = 680 Ω:

I_LED = (VCC – V_{N_LED_ARANCIO}) / 680 Ω

Con POT_GAIN prossimo alla condizione di massimo guadagno la transizione dell’uscita avviene già a valori relativamente bassi di POT_SENS. A 2,595 kΩ il ramo LED risulta già pilotato e la corrente raggiunge circa 10,2 mA.

Una volta attivata la catena, la corrente rimane praticamente costante intorno ai 10,3 mA. Anche questa terza serie conferma quindi che POT_GAIN e POT_SENS determinano principalmente il raggiungimento della condizione di attivazione, mentre la corrente finale del LED è sostanzialmente fissata dal suo circuito di uscita.

Effetto combinato di POT_GAIN e POT_SENS sulla tensione HOLD

Le tre serie di misure possono essere riunite in un’unica rappresentazione per osservare in modo immediato l’effetto combinato delle regolazioni di guadagno e sensibilità. In tutte le prove il fotodiodo virtuale è stato mantenuto nelle stesse condizioni, con una fotocorrente equivalente di circa 20 µA.

Nel grafico seguente riporto quindi V_HOLD in funzione di POT_SENS per i tre valori di POT_GAIN utilizzati durante la caratterizzazione: 958,6 Ω, 492,7 Ω e circa 5 Ω. Ciascuna curva rappresenta una serie eseguita mantenendo POT_GAIN costante.

Famiglia di curve V_HOLD–POT_SENS a POT_GAIN costante

Il grafico rende evidente lo spostamento della risposta al variare del guadagno. Con POT_GAIN = 958,6 Ω, corrispondente alla condizione di guadagno minimo tra quelle considerate, è necessario aumentare maggiormente POT_SENS prima che HOLD cominci a caricarsi in modo significativo.

Portando POT_GAIN a 492,7 Ω la curva si sposta verso valori inferiori di POT_SENS, mentre con POT_GAIN prossimo a 5 Ω, quindi con il preamplificatore regolato per il massimo guadagno, una carica significativa di HOLD compare già con valori relativamente bassi di POT_SENS.

V_HOLD è un parametro particolarmente utile per questa rappresentazione. Poiché il condensatore C_HOLD rimane invariato durante tutte le prove, una tensione maggiore corrisponde a una maggiore carica accumulata e, di conseguenza, a una maggiore energia immagazzinata nel condensatore. Il grafico fornisce quindi una rappresentazione sintetica di quanto efficacemente il segnale riesca a propagarsi lungo la catena e ad alimentare il processo di accumulo al variare delle due regolazioni.

I simboli rappresentano i punti sperimentali realmente misurati, mentre le linee sono ottenute mediante interpolazione PCHIP e vengono utilizzate esclusivamente come guida visiva. Non rappresentano un modello matematico ricavato dal circuito e non devono quindi essere utilizzate per estrapolare il comportamento al di fuori dell’intervallo misurato.

Dalle misure sappiamo inoltre che esiste un determinato livello di HOLD oltre il quale il circuito comincia a pilotare il LED arancio. In questa fase, tuttavia, non è stata determinata sperimentalmente con sufficiente precisione una vera tensione di soglia dell’uscita; per questo motivo ho preferito non aggiungere al grafico una linea arbitraria di accensione del LED.

Questa caratterizzazione potrà essere ripresa successivamente con misure più fitte nella zona di transizione, determinando in modo specifico il livello di HOLD al quale inizia il pilotaggio del LED. A quel punto la stessa famiglia di curve permetterà anche di ricavare, in modo approssimato, il valore di POT_SENS necessario per raggiungere la soglia per ciascuna regolazione di POT_GAIN.

Va infine ricordato che queste curve descrivono il circuito nelle condizioni specifiche della prova: fotocorrente equivalente di circa 20 µA e treno di impulsi continuo. Non rappresentano quindi direttamente la risposta a un singolo comando proveniente da un telecomando reale, ma costituiscono una caratterizzazione comparativa dell’effetto combinato di POT_GAIN e POT_SENS.

Conclusioni

Con questa campagna di misure considero caratterizzata, nelle condizioni definite per la prova, la catena della GX-TXT-v3 che porta dal segnale prodotto dal fotodiodo virtuale fino alla carica del nodo HOLD e al successivo pilotaggio del LED arancio.

Durante tutte le prove la fotocorrente equivalente è stata mantenuta a circa 20 µA. Questo valore è stato scelto come riferimento ragionevole, nell’ordine di grandezza che può essere prodotto da un fotodiodo IR illuminato, ma non deve essere interpretato come un valore rappresentativo in senso generale di un telecomando reale. La fotocorrente effettiva dipende infatti dal fotodiodo utilizzato, dalla distanza, dall’angolo di incidenza, dalla potenza emessa dal LED infrarosso del telecomando e dalle condizioni operative del trasmettitore.

Anche l’eccitazione utilizzata durante questa caratterizzazione è volutamente diversa da quella prodotta da un telecomando reale. Il fotodiodo virtuale è stato pilotato con un treno continuo e persistente di impulsi, mentre un comando IR reale è costituito da sequenze di burst e pause distribuite in una finestra temporale relativamente breve. Di conseguenza, il fatto che in una determinata regolazione HOLD riesca a caricarsi e il LED arancio si accenda non implica necessariamente che lo stesso avvenga con un singolo comando reale.

Lo scopo di queste prove non era quindi determinare direttamente la sensibilità della GX-TXT-v3 nei confronti di un telecomando, ma caratterizzare sperimentalmente la catena di elaborazione mantenendo nota e costante l’eccitazione. In questo modo è stato possibile osservare come interagiscono le due regolazioni POT_GAIN e POT_SENS, come cambia la risposta dello stadio QIN e come questa risposta viene infine trasformata nella carica del condensatore HOLD.

Le misure mostrano anche con particolare evidenza il ruolo di QIN. Lo stadio presenta un guadagno AC molto elevato e lavora progressivamente in una regione fortemente non lineare: nelle condizioni prossime all’inizio della risposta anche piccole differenze del segnale applicato possono produrre variazioni molto grandi sul collettore. Questo spiega perché proprio nella regione di piccolo segnale le differenze tra circuito reale e simulazione risultino maggiori, mentre il confronto diventa generalmente più stretto quando QIN viene pilotato con decisione.

Il risultato più sintetico della caratterizzazione è la famiglia di curve V_HOLD–POT_SENS a POT_GAIN costante. Il grafico mostra immediatamente come le due regolazioni interagiscono alla fotocorrente utilizzata in questa prova: aumentando il guadagno del preamplificatore è sufficiente un valore inferiore di POT_SENS per ottenere lo stesso livello di HOLD, mentre riducendo il guadagno la stessa condizione richiede valori maggiori di POT_SENS. Trattandosi di una catena fortemente non lineare, questa corrispondenza vale per i circa 20 µA impiegati e non può essere estesa automaticamente ad altre fotocorrenti.

Poiché C_HOLD rimane invariato, V_HOLD rappresenta inoltre un buon indicatore del grado di accumulo ottenuto dalla catena. Il grafico costituisce quindi una prima caratterizzazione sperimentale complessiva della rete di amplificazione, sensibilità e accumulo HOLD, più significativa della semplice osservazione dello stato acceso o spento del LED.

La simulazione LTspice si è dimostrata utile soprattutto come riferimento per comprendere l’andamento generale del circuito e confrontare le diverse regolazioni. Non è invece necessario pretendere una coincidenza puntuale in ogni condizione, soprattutto nelle zone di piccolo segnale e per HOLD, dove il risultato dipende anche dalla durata dell’eccitazione e quindi dal tempo disponibile per accumulare carica.

Questi risultati costituiscono una base utile per una caratterizzazione successiva più specifica. Sarà possibile infittire le misure nella zona di transizione, determinare sperimentalmente con maggiore precisione il livello di HOLD necessario per iniziare il pilotaggio del LED e, soprattutto, sostituire il treno continuo utilizzato in queste prove con sequenze temporali più vicine a quelle prodotte da un telecomando reale. A quel punto sarà possibile passare dalla caratterizzazione della catena alla caratterizzazione vera e propria della risposta dello strumento a segnali IR realistici.