Appunti di Elettronica generale - Parte I

Appunti Elettronica Generale: Libro

Circuiti per la Microelettronica di Sedra

Smith

Parte I

Il mondo che ci circonda è governato dalle leggi dell'elettromagnetismo, le applicazioni che si utilizzano sono esatte, ed hanno lo scopo di manipolare, elaborare le informazioni attraverso grandezze elettriche. I dispositivi finora studiati non presentano le funzionalita adatte a tale scopo:

• Amplificazione
• Interruttore elettronico

I dispositivi che possiedono queste due funzionalita, sono dispositivi a 3 terminali, in cui due terminali interagiscono tra loro per mezzo di un terzo transistor. Tutti questi dispositivi (a 3 terminali) che esibiscono un comportamento non lineare, vengono definiti dispositivi elettronici. L'elettronica studia i comportamenti di questi particolari dispositivi o dispositivi elettronici o anche componenti attivi del circuito.

Cenni storici.

L'elettronica, di conseguenza, nasce contemporaneamente alla nascita dei primi dispositivi elettronici:

• 1940 Tubi a vuoto.

Tale dispositivo e un particolare elemento nel quale vi e una corrente nel vuoto, gli elettroni tra un anodo e un catodo, per mezzo dell'azione di una piastra, interposta tra i due terminali, da cui potenziale riesce ad influenzare il passaggio di corrente nel vuoto, quest'ultimo si basa su un effetto termionico poiche l'anodo per poter emettere elettroni doveva essere riscaldato; ne consegue che questi apparati risultano enormi, costituiti da formidabili dispositivi, e possedevano una dissipazione di potenza molto elevata, visto anche che i tempi di accensione risultavano molto lunghi.

• 1950 Transistor a stato solido.

Dispositivi in cui la conduzione non avviene piu nel vuoto, ma in un solido. Tali dispositivi risultano essere piu piccoli, ma bisogna riscaldarli e si ha meno dissipazione di potenza. I materiali di questi dispositivi esibiscono delle proprieta che risultano essere intermedie tra le proprieta di un buon conduttore e di un buon isolante. = Semiconduttore.

• Il primo dispositivo a stato solido e stato teorizzato nel 1920.
• Nel 1947 Bardeen e Brattain nella creazione di un mixer, si ritrovarono dinanzi ad un altro dispositivo, che fu descritto da Shockley: Transistor bipolare.
• Una idea rivoluzionaria del Transistor bipolare fu l'invenzione del circuito integrato (IC o chip), si e pensato di farlo realizzare su una unica barretta di semiconduttore + dispositivi con le possibili interconnessioni tra i dispositivi e di realizzare quindi un vero e proprio circuito. IC kilby, noyce/moore.

Legge di Moore = Gordon Moore (co-fondatore dell'Intel)

Predisse che il numero di dispositivi integrabili su un unico IC aumentera esponenzialmente x effetto del miglioramento tecnologico. L'aumento di dispositivi integrabili su IC e ottenuto attraverso la riduzione geometrica dei dispositivi stessi, cio comporta non solo la creazione di circuiti piu complessi ma anche il miglioramento delle prestazioni.

L' elettronica ha l'obiettivo di elaborare segnali per mezzo dell'elabo-razione / manipolazione di grandezze elettriche. Esistono due tipi di- analogico, e esaminare il legame tra segnale e grandezza elettricavista.

- Elettronica analogica- digitale

Elettronica analogica.

Essa stabilisce un "analogia" tra l'informazione/il segnale da rappresentaree la grandezza elettrica che la rappresenta, cioe quest'ultimacodifica in maniera diretta l'informazione. Per far cio utilizzo unparticolare dispositivo detto trasduttore, capace di trasportare unagrandezza fisica in una grandezza elettrica.

Limiti1) Sensibile ai disturbi e ai rumori. Questi alterano l'inp. in ingressonon posso quindi essere certi chel'informazione voluta risulti essere esatta.2) Comportamenti non lineari, non esist. soluzioni esatte.3) non vi e una proporzionalita diretta tra il miglioramento delleprestazioni e la diminuzione geometrica dei dispositivi.

Elettronica digitale.

Digit → cifra.A diff. di quella analogica, l'informazione viene codificata / rappr. con unarappresentazione posizionale e quindi con i numeri. Un segnalequindi viene rappresentato da un insieme di cifre, associando ad ogni cifra un valore di tensione. I circuitidigitali sono molto piu efficienti se si utilizza la rap. binariacioe il numero minimo di cifre.

oss in base alla loro posizione cifra + a dx peso minore= = = sx - magg

cio' significa che l'informazione contenuta in ciascun nodorisulta essere determinata. Poiche associo quel nodo ad 1delle n cifre pari al tipo di rap. da posizionare scelta.Se es. rapp. binaria,

b_i = {0    V_i < V_r1    V_i > V_r}

V_i tensione riferita all'uscitadel nodo lettoreV_r tensione di soglia

ins. binaria discreta

PER RAPPRESENTARE UN SEGNALE IN UN CIRCUITO DIGITALE, AVREI BISOGNO DI N MODI/TIPI, DOVE A CIASCUN TIPO POSSIAMO ASSOCIARE UN'INFORMAZIONE BILANCIATA.

IL VALORE ASSOCIATO AL SEGNALE SARA':

b₁2^-1 + ... + b_n2^-N

1. PASSO O RISOLUZIONE E LO SPAZIO COMPRESO TRA UN VALORE RAPPRESENTABILE E IL SUCCESSIVO. -> PESO PARI AL BIT MENO SIGNIFICATIVO CHE HO PIU' INV. DELLA STRINGA DI BIT.

• UN SEGNALE DIGITALE PER SUA NATURA RISULTA ESSERE UN SEGNALE DISCRETO CIOE' ESPRESSO DA UN INSIEME FINITO DI VALORI.

• UN SEGNALE ANALOGICO E' UN SEGNALE CONTINUO, POTRA' PER TUTTO, ASSUMERE TUTTI GLI INFINITI VALORI COMPRESI TRA UNA TENSIONE MINIMA E TENSIONE MASSIMA CHE E' QUELLA DERIVANTE DAL LIMITE CIRCUITALE.

• UN CIRCUITO DIGITALE IMPIEGA UN CERTO TEMPO X ELABORARE UN SEGNALE. TELA?, CIO' SIGNIFICA CHE IL CIRCUITO DIGITALE NON PUO' FUNZIONARE A TEMPO CONTINUO, DEVE FUNZIONARE NECESSARIAMENTE IN UN TEMPO DISCRETO, CHE IL PASSO CHE INTERCORRE TRA I DUE STATI DI TEMPO TS DEVE ESSERE + GRANDE DI TELA?.

TS = t₁ - t₀ = ... = t_n - t_n-1 > TELA?

PERIODO DI CAMPIONAMENTO.

VANTAGGI:

• INSENSIBILE AI RUMORI SE QUESTI SONO SOT. PICCOLI TANTO DA NON SUPERARE LA SOGLIA LIMITE DI RUMORE FISSATA PER QUEL CIRCUITO, ESSO LAVORERA' IN FORMA ESATTA ANCHE PERCHE' IL CIRCUITO ELABORA L'INFORMAZIONE LOGICA NON ANALOGICA DEL SEGNALE.
• MODELLI COMPORTAMENTALI SEMPLICI = SEGNALI BINARI -> MODELLI FACILI.
• MODELLI SEMPLICI CHE ASSOCIANO A FUNZIONI COMPLESSE.
• AUMENTO PRESTAZIONI NEGLI IC PROPORZIONALI CON LA RID. DEL DIS.

# LARGE SIGNAL ANALYSIS

• V₁ - V₂ = V_GS1 - V_GS2 = ( sqrt(2I_D1 / mu C_ox W/L) + Vth ) - ( sqrt(2I_D2 / mu C_ox W/L) + Vth )

• V_x - V_y = -R_D (I_D1 - I_D2)

• I_D1 + I_D2 = I_SS

=> I_D1 - I_D2 = 1/2 mu C_ox W/L (V₁-V₂) sqrt((4I_SS / mu C_ox W/L) - (V₁-V₂)²)

IF |V₁-V₂| << (4I_SS / mu C_ox W/L)^1/2 => V_x - V_y ≈ -[mu C_ox W/L I_SS]^1/2 R_D (V₁ - V₂)

SLOPE = GAIN

OBSERVATIONS

1) I_D1 - I_D2 = 0 => V₁ - V₂ ≈ 0

2) V₁ - V₂ >> 1 => I_D1 - I_D2 = 0

THERE IS THIS MAXIMUM V₁-V₂ AT WHICH THE EQ. STILL HOLDS (A)

MEANING M₁, M₂ ARE ON OR AT THE EDGE OF TURNING OFF

|V₁-V₂| < sqrt(2I_SS / mu C_ox W/L) MAX

LINEAR REGION

EXAMPLE:

I_S' = 2I_SS

SLOPE sqrt(2)

V_ov' 2V_ov

MORE LINEAR BECAUSE THE CIRCUIT CAN TAKE GREATER WHAT DIFFERENCE WITHOUT "CLIPPING"

W/L' = 2 W/L

SLOPE sqrt(2)

V_ov' sqrt(2)

LESS LINEAR BECAUSE IT CAN TOLERATE SMALL INPUT DIFFERENCE BEFORE BUTTING

SMALL SIGNAL BEHAVIOUR

V_x - V_y = -gm R_D (V₁ - V₂)

Differential voltage gain

V_x = -gm R_D

V_m = 0

I_D1 = I_SS/2 + [sqrt(mu C_ox W/L I_SS)/2] AV

FEEDTHROUGH IN I_D1

DeltaV/DeltaT = 0 => { VGS1 CHANGES BY [sqrt(mu C_ox W/L I_SS) DeltaV / gm ] => VGS = DeltaV

g_m = sqrt(2mu C_ox W/L)

=> V_P DOES NOT CHANGE => P IS AC GND

EXAMPLE

1)

Av = -R_D / (1/g_m + R_C)

2)

Av = -gm1 / gm3

3)

w' = 2w Av = ?

Av = -gm R_D

gm = sqrt(2mu C_ox w/L)

=> gm' sqrt(2)

Av sqrt(2)