Appunti Elettronica (Sistemi elettronici, tecnologie e misure)

Questi effetti introducono ritardi e limitazioni di risposta del transistor, influenzando il suo comportamento dinamico.

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Analisi nel dominio delle trasformate di Laplace (circuito di piccolo segnale in saturazione)

Analizzando il circuito di piccolo segnale in saturazione nel dominio di Laplace si trova che ad altra frequenza, ovvero

| → ∞:

per - La corrente di gate non è più nulla e dunque l’ammettenza di ingresso non è nulla. Tanto più aumenta la

frequenza più l’impedenza di ingresso è bassa.

- L’elemento diventa significativo e dunque l’ingresso risente dell’uscita. Il MOS non è più unidirezionale.

- La capacità carica l’uscita e ciò comporta un’ammettenza d’uscita significativa.

In poche parole, il transistore si comporta sempre meno come un blocco funzionale. −15

10 )

Tuttavia, queste capacità parassitare sono estremamente piccole (nell’ordine di questo significa che il loro

effetto diventa non trascurabile per frequenze maggiori di 10GHz .

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Amplificatori a MOS

Analisi di piccolo segnale dei circuiti a MOS

= ( , ).

1. Si determina il punto di lavoro

Si considerano solo le grandezze elettriche costanti nel tempo, ossia:

- Si spengono i generatori variabili nel tempo (ma non la componente continua se è non nulla)

= 0

Essendo per grandezze costanti nel tempo:

o I condensatori si sostituiscono con circuiti aperti;

o Gli induttori si sostituiscono con corto circuiti.

- Si considerano le caratteristiche non-lineari statiche degli elementi non-lineari, eventualmente i modelli

semplificati di ampio segnale.

- Si analizza il circuito e si determina punto di lavoro Q degli elementi non-lineari.

Poiché il calcolo del punto Q richiede comunque un’analisi non lineare, in questo corso verranno fatte ipotesi

→

semplificative negli esercizi sarà quasi sempre preassegnato o ricavabile senza calcoli laboriosi.

- si formulano ipotesi sulla regione di funzionamento (quasi sempre saturazione).

- si analizza il circuito sulla base di queste ipotesi.

- si verifica il funzionamento dei transistori MOS nella regione ipotizzata (tipicamente saturazione per

applicazioni analogiche).

2. Si costruisce il circuito equivalente per il piccolo segnale del MOS

Si valutano la transconduttanza e la conduttanza di uscita a partire dal punto di lavoro Q trovato al passo

precedente

Si considerano solo le grandezze elettriche variabili nel tempo, ossia:

- si spengono i generatori costanti nel tempo, si considerano solo le componenti di segnale.

- si considerano gli elementi reattivi (condensatori e induttori), se presenti.

Per gli elementi non-lineari:

- si determinano i parametri di piccolo segnale nel punto di lavoro trovato al passo 1.

- si sostituiscono con i relativi circuiti equivalenti per il piccolo segnale.

3. Si risolve il circuito di piccolo segnale valutando le richieste.

→ Funzioni di trasferimento, impedenze di ingresso e di uscita e i relativi diagrammi di Bode.

- Se il circuito è dinamico, si può analizzare nel dominio della frequenza (Trasf. di Laplace) le uscite per il piccolo

segnale dati ingressi assegnati.

- Se le assunzioni che hanno portato alla linearizzazione sono valide, il circuito da analizzare è lineare e vale il

principio di sovrapposizione degli effetti.

- I segnali complessivi sono la somma dei valori nel punto Q e dei segnali di piccola ampiezza.

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Esempio

Si determina il punto di funzionamento a riposo

, )

(

- si fanno ipotesi sulla regione di

funzionamento (quasi sempre saturazione)

- si analizza il circuito sulla base di queste

ipotesi

- si verifica il funzionamento dei transistori

MOS nella regione ipotizzata

≡ ( , )

1. Si determina il punto tenendo accesi solo i generatori continui e spegnendo gli elementi

dinamici (capacità circuito aperto, induttori corto circuito):

Si ipotizza la regione di funzionamento (quasi sempre saturazione)

Si verifica l’ipotesi:

2. Si determina il circuito equivalente per il piccolo segnale nel punto di funzionamento a riposo determinato al

passo precedente

3. Si costruisce il circuito per il piccolo segnale dello stadio completo sostituendo al MOS il suo circuito

equivalente e spegnendo i generatori in continua.

Si procede poi ad analizzare il circuito ottenuto. 24

Stadi elementari

È possibile ottenere amplificatori a partire da transistori MOS o BJT. Con un solo transistore, a seconda di come si

applica l’ingresso e di come si preleva l’uscita è possibile ottenere tre stadi ‘elementari’ con caratteristiche diverse in

termini di guadagno, impedenza di ingresso e impedenza di uscita. Questi tre stadi elementari saranno esaminati nel

seguito in condizioni adinamiche.

Stadio Source Comune 25

, ,

Ricavando si ottiene:

)

= = − (|| = −40 (+32) < 0:

- amplificatore di tensione invertente anche elevata in

modulo (max: )

→ ∞ ⟹

- gate del transistore MOS buon ingresso in tensione

= || = 40Ω, →

- a parità di elevata elevata; più

simile ad un ampl. di che ad un ampl. di tensione

≫ ||

Il comportamento oscilla tra quello di un amplificatore di tensione se

≪ ||

e uno di transconduttanza se . In genere è molto più simile al secondo.

Stadio Drain Comune

Resistenza sul source ed uscita prelevata sul source.

, ,

Ricavando si ottiene:

′

= = 0.975 (−0.21) < 1:

- amplificatore di tensione non invertente

1+ ′

→ ∞ ⟹

- gate del transistore MOS buon ingresso in tensione

′

1 1

′

= || = 975Ω ≅ = 1Ω (= = = = 975Ω)

- se

′

g 1+

m

⟹

aumenta diminuisce buona uscita in tensione.

Il comportamento è assimilabile a quello di un amplificatore di tensione.

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Stadio Gate Comune → ∞.

In questo stadio c’è un accoppiamento tra uscita e ingresso. Per evitare ciò è necessario che

, ,

Ricavando si ottiene:

′

′

= + ≅ ′:

- amplificatore di tensione non invertente, anche elevata (max: )

→∞

+ 1

= = → ⟹

- : se aumenta, diminuisce buon ingresso in corrente, cattivo ingresso

1+

in tensione

= = || →

- : a parità di , elevata elevata

≫

Il comportamento oscilla tra quello di un amplificatore di transresistenza se

≪

e di uno di corrente se .

Riepilogo Commenti

− (|| ) →∞ || →

Common Source e elevate buon

ampl. di transconduttanza.

Amplificazione di tensione

invertente, anche elevata in

modulo

′ 1

→∞ →

Common Drain elevata ridotta

≅

<1 buon ampl. di tensione.

1 + ′

27 L’amplificazione di tensione

è sempre minore di 1 in

modulo

1

≅ (|| ) || →

Common Gate ridotta elevata

≅ buon ampli. di corrente.

L’ampl. di tensione è non

invertente e può essere

elevata

Amplificatori a più stadi

Gli stadi elementari non coprono tutte le esigenze (ad esempio: nessuno stadio elementare può essere considerato

> 1).

un buon amplificatore di tensione con È possibile ottenere amplificatori con caratteristiche diverse

collegando in cascata (o in altro modo) più stadi elementari.

Quando si collegano stadi in cascata possono nascere problemi di conflitto tra le polarizzazioni (DC) dei due stadi. Ogni

stadio deve essere polarizzato correttamente in DC per funzionare correttamente. Tuttavia, se due stadi sono collegati

direttamente, la polarizzazione di uno stadio può influenzare quella dell’altro, causando un funzionamento instabile o

non lineare.

Possono anche presentarsi problemi di conflitto tra i generatori in DC (polarizzazione) e generatori di segnale se posti

in parallelo sullo stesso nodo: esempio se il generatore di segnale ha valor medio diverso da quanto richiesto (non è

compatibile con la polarizzazione DC richiesta) e/o il carico ha impedenza in DC finita. Questo potrebbe distorcere il

segnale o ridurre l’efficacia del trasferimento di potenza.

Se non interessa il comportamento a frequenze molto basse, gli stadi possono essere polarizzati indipendentemente

ed accoppiati solo per il segnale (accoppiamento in AC). Ciò si realizza mediante condensatori di accoppiamento (DC

blocking capacitors) di valore sufficientemente elevato da potersi considerare come corto circuiti nella banda del

segnale. I condensatori di accoppiamento, quando sono posti in serie lungo il percorso del segnale, sono

comunemente chiamati condensatori di blocco DC (questo nome riflette la loro funzione principale: bloccare la

componente continua (DC) del segnale, consentendo solo il passaggio della componente alternata AC).

28 →

- Per la polarizzazione (DC): i condensatori si comportano come circuiti aperti gli stadi amplificatori, la

sorgente e l’uscita sono elettricamente separati e non si influenzano tra loro;

- Per il segnale (AC in banda): i condensatori si comportano come corto circuiti alle frequenze del segnale→ gli

stadi sono collegati tra di loro come voluto per l’elaborazione del segnale.

Visto che i condensatori non sono di capacità infinita, vi sarà una transizione tra il comportamento in DC e quello per

il