Riassunto esame Elettronica analogica, Prof. Zullo Alberto, libro consigliato Circuiti per la microelettronica , Sedra Smith

Appunti del corso di elettronica analogica

Prima di studiare da questi appunti è buono avere una conoscenza di base pregressa di elettrotecnica. Gli appunti sono uno strumento di supporto per lo studente per affrontare l’esame, ma non devono essere sostituiti allo studio su libri di testo professionali e universitari.

Indice

• Introduzione:
  • Microelettronica 2
  • Segnale 2
  • Amplificazione 3
  • Alimentazione 4
  • Saturazione 4
  • Modelli 5
    • Amplificatore di tensione
    • Amplificatore di corrente
    • Amplificatore di trans-conduttanza
    • Amplificatore di trans-resistenza
  • Buffer 6
  • Reti STC 6
• Amplificatore operazionale:
  • Configurazione invertente 7
  • Configurazione non invertente 8
  • Circuito sommatore 8
  • Amplificatore differenziale 9
  • Amplificatore per strumentazione 10
• Diodo:
  • Diodo reale 11
  • Diodo in un circuito 12
  • Modello piccolo segnale 12
  • Regolatore di tensione 12
  • Diodo Zener 12
  • Alimentatore 12
    • Trasformatore
    • Raddrizzatore
    • Filtro
    • Stabilizzatore
  • Limitatore 14
  • Composizione del silicio 15
  • Correnti nei semiconduttori 16
  • Semiconduttori drogati 16
  • Diodo a giunzione PN 17
• MOSFET:
  • Dispositivi a 3 terminali 17
  • MOSFET a canale N 17
  • Regioni di funzionamento 18
  • MOSFET a canale P 19
  • Simbolo circuitale 19
  • Effetto Early 19
  • Modelli a e a P 20
  • Polarizzazione 20
  • Configurazioni 21
    • Common Source, Gate, Drain
  • Risposta alle alte e basse frequenze 22
  • Blocchi circuitali 24

Microelettronica

Derivante da circuito integrato; è la tecnologia che consente di racchiudere milioni di componenti in un chip di silicio. È alla base dell’elettronica moderna.

Segnale

Un segnale fornisce informazioni sul mondo fisico che ci circonda. Le informazioni sono contenute nelle variazioni del segnale; se è piatto non ha informazioni! Queste informazioni vanno successivamente elaborate altrimenti non vi è comunicazione. Entra in gioco il signal processing: conversione effettuata dai sistemi elettronici in tensione/corrente mediante trasduttori. Infatti, le grandezze di tensione e corrente rappresentano il segnale con due forme equivalenti (Thevenin e Norton) e sono legate dalla relazione:

Un segnale viene caratterizzato, per ogni funzione del tempo, in termini di spettro di frequenza; ciò avviene mediante serie e trasformate di Fourier, che forniscono la tensione Vs(t) o corrente is(t) tramite somme di sinusoidi differenti.

• Analogici: segnali rappresentativi di una tensione (analogo al fenomeno fisico che rappresenta); variano con continuità, per qualsiasi valore continuo.
• Digitali: segnali con rappresentazione ben definita (discreti). Rappresentazione mediante campionamento.

Amplificazione

La necessità di amplificare un segnale deriva dal fatto che trasduttori restituiscono segnali “deboli” (ordine dei micro e milli Volt) e con poca energia. Il blocco che svolge questa funzione è l’amplificatore di segnale (visto come blocco elementare). Il caso più comune è l’amplificazione di tensione.

Importante è il concetto di linearità: necessità che il segnale amplificato non venga alterato e non vengano introdotte nuove informazioni, in poche parole vogliamo che un segnale in ingresso risulti identico in uscita, eccetto per l’ampiezza maggiorata (ogni cambiamento della forma d’onda equivale ad una distorsione del segnale).

Dato un segnale in ingresso vi(t) in uscita si avrà la stessa forma ma amplificata: vi e vo rappresentano i segnali ingresso/uscita mentre A è il guadagno dell’amplificatore (rappresenta l’ampiezza dell’amplificazione).

Simbolo circuitale come blocco elementare: Un amplificatore pilotato da un segnale vi e collegato ad una resistenza di carico RL.

Alimentazione dell’amplificazione

L’amplificazione del segnale è nella realtà limitata dalla tensione d’ingresso. Un amplificatore aumenta la potenza del segnale in ingresso tramite un guadagno di potenza (Ap).

Gli amplificatori hanno bisogno per il loro funzionamento di un’alimentazione esterna in corrente continua; si analizza il caso di una doppia alimentazione:

Amplificatore che impiega due alimentatori DC (V+ e V-). Pd è la potenza dissipata dal circuito amplificatore. Il rendimento è il guadagno di potenza in percentuale. Siccome i guadagni possono essere molto grandi, li si può esprimere in decibel (dB):

|A| = 20 log₁₀dB

N.B. Avere un guadagno negativo non è una cosa negativa, si tratta di uno sfasamento aggiuntivo (180°).

Saturazione sull’amplificatore

Nella realtà la caratteristica di trasferimento di un amplificatore rimane lineare solo per un intervallo, limitato dalle tensioni di ingresso e uscita: non può essere superiore al limite positivo e inferiore al limite negativo, detti saturazione. Per evitare distorsioni delle forme d’onda del segnale in uscita, il segnale d’ingresso deve essere compreso nell’intervallo lineare di funzionamento: −Vsat+ < Vi < Vsat+

Modello di amplificatore di tensione

È costituito da:

• Generatore di tensione controllato in tensione
• Resistenza d’ingresso Ri (tiene conto che l’amplificatore assorbe corrente dal generatore di segnale)
• Resistenza d’uscita Ro (per variazioni di tensione in uscita quando c’è un carico).

Al modello è stato accoppiato un generatore vs ed un carico RL:

Vout = (Av * vs * RL) / (RL + Ro)

Il guadagno di tensione è quindi:

Av = (Vout/Vs) = (Av * Ri) / (Ri + Rs)

Se Rs ≪ Ri allora:

Vout ≈ Av * vs

In modo analogo si introduce un nuovo partitore per la Ri:

Vi ≈ Vs

Quindi una Ri ideale è:

Av ≈ ∞ e Ri ≈ ∞

Modello di amplificatore di corrente

Ai ≈ ∞ e Ri ≈ ∞

Modello di amplificatore trans-conduttanza

Gm = ∞ e Ri = 0

Modello di amplificatore trans-resistenza

Rm = 0 e Ro = 0

• Amplificatore tensione -> corrente: Ai = (Io/Vs)
• Amplificatore tensione -> trans-conduttanza: Gm = (Io/Vin)
• Amplificatore tensione -> trans-resistenza: Rm = (Vout/Iin)

Buffer o inseguitore di tensione/corrente

È un amplificatore con guadagno unitario e fornisce buoni parametri per le resistenze di ingresso e uscita.

Reti STC (Single time constant)

Sono composte da una resistenza e da una componente reattiva (es. il condensatore). Le reti STC sono di tipo:

• Passa-alto: H(ω) = ωRC / (1 + jωRC)
• Passa-basso: H(ω) = 1 / (1 + jωRC)

Amplificatore operazionale

È un componente elettronico (blocco circuitale elementare) e serve per svolgere operazioni matematiche tra i segnali (somma, differenza, integrale, derivata ecc.) e non solo (filtri e generatori).

+ and − (Vout = A * (V+ - V−))

L’amplificatore operazionale ideale ha:

• Resistenza d’ingresso infinita e non assorbe le correnti in ingresso
• Reiezione (capacità di un circuito di rigettare qualcosa) un segnale di modo comune
• Guadagno sull’anello aperto infinito (quindi si satura e allora conviene sempre usare il circuito ad anello chiuso con retroazione negativa).

Configurazione invertente

Invertente perché l’uscita è sfasata di 180° e la tensione di ingresso viene applicata al morsetto invertente. È costituito da un amplificatore operazionale e due resistori R1 e R2: R2 è collegato al terminale d’uscita, applica una retroazione negativa. Il terminale non invertente è collegato a massa. R1 è collegato tra il segnale di ingresso e il terminale invertente.

• Ri = ∞, Ro = 0
• Vout = - (R2/R1) * Vin

Se Ri ≠ ∞ allora:

Vo = - (Rf/R1) * Vin

In presenza di retroazione:

Vo = (1 + R2/R1) * Vin