Appunti di Elettronica generale - Parte II

Appunti Elettronica Generale: Libro

Circuiti per la Microelettronica di

Sedra Smith

Parte II

Conversione analogico-digitale e digitale-analogico.

Possiamo elaborare segnali analogici mediante un circuito digitale utilizzando dei circuiti di conversione analogico-digitale (ADC) e digitale-analogico (DAC).

1)

CIR analogico

2)

ADC

C.D.1

DAC

Pertanto i segnali che circolano sono da natura analogica, ma si verra per un circuito digitale; tale problema viene superato mediante l'interposizione di dispositivi capaci di far interagire il mondo analogico e quello digitale. Di fatto vengono esprimere in forma analogica la tensione in uscita, considerando in ingresso una tensione analogica. Posso usare o un circuito analogico o un circuito digitale dietro, pero sia collegato in ingresso ad un convertitore ADC, che traduce il segnale analogico in digitale, e in uscita un DAC che traduce il segnale digitale in uscita in analogico.

DAC

Questo convertitore trasforma la parola digitale dona una tensione vo di uscita che esprime l'informazione in modo analogico.

vo = (b₁2^-1 + ... + b_N2^-N) Vfs

espressione che esprime l'informazione digitale di ingresso.

Tensione di fondo scala. Formula di caratterizzare DAC.

vo ∈ [0, Vfs]

min vo = 0

max vo ≈ Vfs

tutti bit pari a 0

tutti bit pari a 1

Vo insieme discreto di valori => ∃ un passo Vlsb = 2^-N Vfs

cioè è la tensione che corrisponde al bit meno significativo per segnale di ingresso.

ADC Conversione analogico-digitale.

Questo convertitore parte da un segnale continuo nel tempo e nei valori e lo trasforma in un segnale digitale discreto nel tempo e nei valori, tenendo conto che bisogna compiere due trasformazioni.

La prima, campionamento temporale x discretizzare il segnale nel tempo.

E quantizzazione (discretizzazione nei valori) cioe che mi porta ad assegnare il valore migliore possibile discreto di scala sulla base del valore d'ingresso continuo.

V_I = (b₁2^-1 + ... + b_N2^-N) V_FS x DAC

=> ti mangiano i bit che corrispondono V_I. E un segnale continuo, il secondo membro puo assumere un insieme di valori discreti; allora tale uguaglianza non sarebbe risulta facile, quasi impossibile ottenerla. Cerchiamo quindi di minimizzare la diff. in valore assoluto.

V_E = | V_I - (b₁2^-1 + ... + b_N2^-N)V_FS |

Cio significa che il convertitore calcola il numero di successive prove da rendere sempre piu piccola la tensione d'errore.

Il limite dell'elettronica digitale nasce dal teorema di Nyquist-Shannon: la massima banda di un segnale digitale e pari a meta della frequenza di campionamento (f_s = 1/T_s)

BW_max = f_s/2 = 1/2T_s

Cio: siccome ele pio' e grande questa banda tanto piu' nfervomazioni saranno contenute...

Totalts cioe' il tempo di elaborazione del segnale deve essere piu' piccolo del tempo che serve per arrivare ad ottenere il segnale di uscita.

Passo filastrospazio da banda larga (=>) taglia e' piccolo rispetto a ts di solito grafico se voglio elaborare segnali a banda larga.

Elementi di fisica dello stato solido

I materiali possono essere classificati in tre categorie:

• conduttori = e un materiale che in grado, qualora venga applicata una d.d.p., di far passare corrente elettrica.
• isolanti = materiali che, se avvicinati a due capi, pur essendo ionizzati, non ci sara passaggio di carica da un elettrodo all'altro.
• semiconduttori = esibiscono proprieta intermedie tra conduttori e isolanti.

La materia che ci circonda e costruita da atomi, costituiti a loro volta da un nucleo centrale (costituito da protoni) ed attorno al quale si muove una nube di elettroni carichi negativamente. Proprio questi ultimi determinano il comportamento degli elementi. Gli elettroni piu rilevanti sono quelli piu esterni, al nucleo, elettroni di valenza, essi risultano organizzarsi/muoversi in orbitali. Una condizione minima di energia si ottiene quando e carico di elettroni, orbitali esterni completi (=) 8 elettroni di valenza. = ottetto elettronico.

Elettroni negli elettroni di valenza: celle con frecce = appaiamento.

La tavola periodica degli elementi e quella che mi consente in maniera immediata di capire la conf. elettronica di ciascun atomo, capire quanti elettroni di valenza effettivamente contengono (seconda tavola periodica)

I - II sono conduttori poiche tale specie atomiche tendono a cedere elettroni di valenza.

VII - VII sono isolanti poiche tendono a ricevere elettroni.

IV semiconduttori, hanno 4 elettroni di valenza. Possono sia cederli che acquistarli.

Modello del gas elettrico

In uno solido cristallino, gli atomi sono organizzati in una struttura regolare, chiamata reticolo cristallino, all'interno del quale ciascuno di essi occupa una posizione di equilibrio. Gli elettroni di valenza vengono ceduti dagli atomi (conduttori) risultando liberi di circolarsi all'interno del reticolo cristallino del metallo. Il materiale resta globalmente neutro poiche il numero di cariche negative rimane lo stesso di quelle positive, ma microscopicamente abbiamo una struttura fissa e ordinata di ioni positivi nella quale si aggira una nube di elettroni liberi che si possono disperdere x la conduzione; tale modello viene detto modello gas elettrico poiche gli elettroni liberi risultano muoversi piu rapidi come le particelle di un gas chiuso in un recipiente. Se pero, attraversando una velocita media di tali elettroni, si osserverebbe che il suo valore e nullo come se nessuno si muovesse cioe in termini macroscopici non risulta esserci moto e non c'e corrente. La situazione cambia se si applica una d.d.p. ai capi di questo materiale, ne risulta che tutti gli elettroni saranno soggetti ad una forza elettrica tendra a far muovere gli elettroni nella stessa direzione cioe essa ordina il moto caotico degli elettroni, allora a livello macroscopico, le

NETE LA CORRENTE ELETTRICA.

Vogliamo quantificare materialmente cio' che accade dentro come una barretta di gas elettronico, sulla cui applichire una d.d.p. ai capi della barretta, cio' crea in essa un campo elettrico

E = V/L, supposto che E sia costante.

Il campo elettrico descrive la forza agente su ogni singola particella.

La presenza di campo elettrico accelera gli elettroni, causando la possibile collisione con gli ioni del reticolo, cedendo energia, rit. velocita'; a livello macroscopico gli elettroni si muovono nella stessa direzione di E con una velocita' di deriva V_drift proporzionale al campo

V_drift = - mu_n E

mu_n = mobilita' degli elettroni = 1 (cm²/Vs)

Descrive la capacita' del materiale nel resistere o meglio consentire il moto degli elettroni. Dipende dalla temperatura (diminuisce all'aumentare della temperatura) e dal grado di purezza del materiale considerato.

La corrente e' la quantita' di cariche che attraversa una certa superficie nell'unita' di tempo, x definita come una porzione di sup. e definisce qual e' la quantita' di carica che passa tale sezione in un tempo unitario, questa quantita' sara' proprio la corrente I che sta attraversando la sezione considerata.

Spazio percorso dagli elettroni nel passare da un estremo all'altro

I = - q n A V_drift

A = W h

n = numero di elettroni liberi per unita' di volume (cm^-3) = densita' di elettroni

q = 1,6 x 10^-19 C

J = I/A densita' di corrente.

Ricordando che I = q n A mu_n E => J = q n mu_n E

La corrente verso opposto verso degli elettroni.