Riassunto esame Elettronica 1, libro consigliato Circuiti per la Microelettronica, Sedra Smith

Riassunto Elettronica 1

Libro: Circuiti per la microelettronica – Sedra, Smith

Professore: Giuseppe Martini

Anno: 2015-2016

Capitolo 1

1.5.1

Amplificatore di tensione

per mantenere il guadagno di tensione più costante possibile è consigliabile che la resistenza di

• output sia molto piccola, idealmente uguale a zero

per non perdere parte del segnale in ingresso l'amplificatore deve essere progettato con un resistenza

• in input molto più grande della resistenza interna dell'amplificatore, idealmente deve essere infinita

il guadagno in circuito aperto è il guadagno che si ha supponendo l'amplificatore senza carico (R

• L

= 0)

1.5.2

Amplificatori in cascata

per soddisfare determinate specifiche a volte è necessario progettarlo con due o più stadi in cascata

• ad esempio si può progettare il primo in modo che abbia un'alta impedenza in ingresso, così da non

• rovinare il segnale, ma provocando un modesto guadagno di tensione

il secondo lo si può progettare con un grosso guadagno di tensione, visto che non ha bisogno di una

• grande impedenza d'ingresso

il terzo con una piccola impedenza in uscita

•

1.5.5

Determinare le resistenze in ingresso

si applica un segnale in ingresso, si calcola la corrente in ingresso, e da quella si ricava la resistenza

•

e in uscita

si spengono tutti i generatori indipendenti in ingresso

• si applica un generatori di tensione in uscita e si calcola la corrente erogata, dalla quale poi si ricava

• la resistenza in uscita

1.6 larghezza di banda (banda passante): insieme di frequenze all'interno del quale l'amplificatore ha

• un guadagno costante

1.7

Semiconduttori

elementi che hanno una conducibilità intermedia tra quella dei conduttori e quella degli isolanti

• due tipi

• a singolo elemento

◦ composti

◦

Silicio 4 elettroni di valenza, necessita quindi di 4 elettroni per completare il guscio più esterno

• condivide quindi uno dei suoi elettroni con i 4 atomi più vicini, ogni coppia forma un legame

• covalente

il risultato è che un cristallo di silicio ha una struttura a reticolare regolare

• a temperature basse (0 K) il silicio si comporta come un isolante, i legami sono intatti e non sono

• disponibili elettroni

a temperatura ambiente qualche legame si rompe, un elettrone si libera, lasciando dietro di se una

• carica positiva, che viene riempita da un'altro elettrone di un altro atomo lasciando in effetti una

carica netta positiva, detta lacuna

1

1.8

Semiconduttori Drogati

nel silicio c'è una concentrazione troppo bassa di elettroni liberi e lacune per poter condurre

• una corrente apprezzabile, inoltre dipende fortemente dalla temperatura, caratteristica non

apprezzabile per un dispositivo elettronico

il metodo del drogaggio consiste nell'inserire atomi di impurità nel silicio in modo da far

• variare la concentrazione di elettroni o lacune

silicio tipo n: vengono introdotti atomi pentavalenti (come il fosforo) chiamati donori

• silicio tipo p: vengono introdotti atomi trivalenti (come il boro) chiamati accettori

•

1.9.2

Corrente di diffusione

la diffusione dei portatori in un pezzo di semiconduttore si ha quando la distribuzione non è

• uniforme, generando così una corrente di portatori detta appunto corrente di diffusione

1.10

Giunzioni PN

una giunzione pn implementa il dispositivo Diodo

• è formato da un semiconduttore n a contatto con un semiconduttore p

•

1.10.2

Funzionamento a circuito aperto

a causa della alta concentrazione di lacune in p e bassa in n le lacune su diffondo dal lato p

• al lato n formando una corrente, e analogamente fanno gli elettroni

queste due correnti formano insieme la corrente di diffusione che scorre da p a n

• gli elettroni e le lacune che si muovono da un lato all'altro si ricombinano in prossimità della

• giunzione facendo così sparire i portatori di carica creando così la regione di svuotamento

dei portatori, che stabilisce un campo elettrico, che si oppone alla diffusione dei portatori

minoritari nelle rispettive regioni, creando così una caduta di potenziale ai suoi capi

(barriera di potenziale) con il lato n a potenziale positivo rispetto a p

alcune lacune in n (generate termicamente) si muovono verso la giunzione, vengono

• influenzate dal campo elettrico che le spinge verso la zona p, e similmente gli elettroni.

Queste componenti formano la corrente di deriva che scorre da n a p

ovvero nelle due metà i portatori minoritari generati termicamente vengono attratti dal

• campo elettrico e fatti tornare nella zona dove invece sarebbero portatori maggioritari (le

lacune verso p, gli elettroni verso n)

in condizioni di circuito aperto le due correnti si eguagliano

•

2

1.11

Giunzione PN con tensione applicata

1.11.1 in aperto si forma una barriera di potenziale che rende n positivo rispetto a p limitando la

• corrente di diffusione ad un valore esattamente uguale a quello della corrente di deriva

quando è in polarizzazione inversa la tensione applicata è diretta in modo da rendere il lato

• n positivo, tale da aumentare la barriera di potenziale, riducendo così il numero di lacune

che si diffondo in n e viceversa, ottenendo come risultato che la corrente di diffusione viene

ridotta

in polarizzazione diretta invece la tensione applicata si sottrae alla barriera di potenziale,,

• causando un restringimento della regione di svuotamento

l'abbassamento della barriera favorisce il passaggio di lacune e quindi si ha un incremento

• della corrente di diffusione che può diventare anche molto più grande della corrente di

deriva.

Effetto Zener: quando viene applicata una tensione che aumenta la regione di svuotamento,

• (pol. Inversa), e il campo elettrico relativo, arriva ad un punto in cui rompe i legami

covalenti e genera coppie elettrone-lacuna. Gli elettroni sono poi accelerati verso la regione

n e le lacune verso la regione p generando una corrente inversa.

3

Capitolo 2

Amplificatori Operazionali

2.1.1 l'amplificatore necessita di 5 terminali

• 2 input

◦ 1 output

◦ 2 alimentazione con due tensioni applicate, una negativa e l'altra positiva

◦

2.1.2

Funzioni dell'OP-Amp Ideale

reagisce alla differenza di potenziale posta ai suoi terminali di input, la moltiplica per un

• valore A tipico dell'amplificatore e pone tale tensione al terminale di output

Caratteristiche dell'OP-Amp Ideale

l'impedenza d'ingresso è infinita

• non assorbe alcuna corrente in ingresso, la corrente che scorre nei terminali vale zero

◦

l'impedenza d'uscita è nulla

• per ipotesi il terminale d'uscita agisce come un generatore di tensione ideale, cioè la sua

◦ tensione sarà sempre uguale indipendentemente dalla tensione di carico

guadagno di modo comune uguale a zero

• se viene applicata la stessa tensione ai terminali di input l'uscita dovrà essere idealmente

◦ uguale a zero

guadagno ad anello aperto infinito

• detto anche guadagno differenziale, ovvero il guadagno che si ha ponendo una differenza

◦ di potenziale ai capi. Questa condizione è desiderabile quando si applicherà una

retroazione, chiudendo l'anello

Banda passante infinita

• amplifica segnali di qualsiasi frequenza, con un guadagno che rimane costante dalla

◦ frequenza zero a quella infinita

2.2

Configurazione invertente

2.2.4

Circuito sommatore

varie resistenze sono collegate in ingresso al terminale invertente (che è a potenziale zero

• vista la massa virtuale)

ogni resistenza ha all'altro capo una tensione applicata

• la corrente in ingresso al terminale invertente sarà la somma di tutte le correnti, la quale poi

• scorrerà attraverso una resistenza Rf posta nell'anello.

La tensione che si misura all'uscita è una somma pesata delle tensioni in ingresso, dove le

• resistenze sono le “tarature” dei vari coefficienti

4

2.3

Configurazione non invertente

2.3.1

Guadagno ad anello chiuso

retroazione degenerativa: se la tensione d'ingresso cresce essa farà aumentare la tensione

• differenziale ai terminali di input e quindi la tensione di uscita crescerà a causa dell'elevato

(idealmente infinito) guadagno. Tuttavia una parte della tensione di uscita farà aumentare la

corrente nell'anello facendo una retroazione che ha come risultato quello di contrastare

l'incremento della tensione differenziale riportandola a zero

2.3.4

inseguitore di tensione

l'elevata impedenza d'ingresso rende la configurazione non invertente utile nel caso di

• realizzare un buffer, o amplificatore a guadagno unitario, o inseguitore di tensione.

Esso non fornisce alcun guadagno di tensione e viene utilizzato come adattatore di

• impedenza o come amplificatore di potenza

si rende R2=0 e R1 = ∞

•

2.4.1

amplificatore di differenza

combinare la configurazione invertente e non invertente utilizzando un partitore per quella

• non invertente e uguagliare i guadagni. Poi calcolare l'espressione di uscita utilizzando il

principio di sovrapposizione degli effetti

2.5.2Off

integratore invertente (di Miller)

il condensatore in retroazione porta un problema

• in continua il condensatore si comporta come un aperto, annullando la retroazione e

◦ mettendo una tensione in uscita infinita (che nel caso reale saturerà alla tensione di

alimentazione)

per ovviare a questo problema si pone una resistenza in parallelo al condensatore fornendo

• un percorso retroazionato in continua

più basso è il valore della resistenza meno ideale è il circuito

◦

la risposta è quella di un filtro passa-basso con frequenza di taglio nulla

•

2.5.3

Derivatore

la risposta in frequenza è quella di un filtro passa alto con frequenza di taglio all'infinito

• questo circuito non viene molto utilizzato in pratica perché è un amplificatore di rumore

• si può ovviare a questo problema mettendo un piccolo resistore in serie al condensatore ma

• non è più un derivatore ideale

5

2.6

Non idealità in continua

2.6.1

Offset di tensione

se colleghiamo i terminali di input a massa, avendo quindi una tensione differenziale uguale

• a zero, avremo comunque una tensione finita sull'uscita, portando la tensione in uscita al

livello di saturazione, a causa del grande guadagno dell'amplificatore

l'uscita dell'op-amp può essere corretta collegando un generatore di tensione in continua di

• polarità e ampiezza opportune tra i due terminali d'ingresso

quindi l'offset d'ingresso deve essere uguale e opposta alla tensione applicata esternamente

• la tensione in uscita in DC risulta essere molto grande (dell'ordine di 1000 volte)

• se viene applicato un segnale in ingresso di 5 mV verrà sfasato di 5 V, e ancora peggio se si

• applica una tensione in continua

un modo per superare il problema gli offset in continua è accoppiare capacitivamente

• l'ingresso dell'amplificatore, bloccando i segnali in continua (non va bene per segnali in

continua o a frequenza molto bassa)

un'altro modo modo per annullare gli offset è collegare un potenziometro tra due terminali

• appositi (per l'annullamento dell'offset) e l'alimentazione negativa, introducendo uno

sbilanciamento che annulla l'offset

2.6.2

Offset di corrente e correnti di polarizzazione in ingresso

gli amplificatori operazionali funzionano grazie a due correnti in continua negli input dette

• correnti di polarizzazione in ingresso

la corrente di polarizzazione di ingresso è la media delle correnti mentre l'offset di

• corrente in ingresso è la loro differenza

per minimizzare l'effetto delle correnti di polarizzazione bisogna collegare un resistore sul

• terminale positivo, di valore uguale alla resistenza vista in continua dal terminale invertente

in continua dobbiamo quindi sceglierlo uguale al parallelo delle resistenze dell'amplificatore

• in alternata invece uguale a R

• 2

6

CAPITOLO 3

3.1 Dispositivo a due terminali. Se viene applicata una tensione negativa non scorre corrente e il

• diodo diventa un aperto (polarizzazione inversa). Se viene applicata una tensione positiva

conducono, si comportano come corti (polarizzazione diretta). Può essere utilizzato per

raddrizzare i segnali

3.1.3

porte logiche a diodi

(valore logico basso = 0 V ; valore logico alto = 5 V)

3.2

Regione di polarizzazione diretta

tensione ai capi positiva

• v/Vt

i = I (e -1)

• S

I corrente di saturazione

• S

Vt = kT / q tensione termica (a temperatura ambiente vale circa 25 mV)

• tensione di innesco (cut-in): tensione al di sotto della quale la corrente che attraversa un

• diodo è trascurabile (a causa della curva caratteristica esponenziale)

Regione di polarizzazione inversa

tensione ai capi negativa

• la corrente in questa regione è pari alla Corrente di Saturazione cambiata di segno

• gran parte della corrente inversa è dovuta a correnti di dispersione, a loro volta dovuti a

• fattori come l'area della giunzione e la temperatura

Regione di Breakdown

quando la tensione inversa supera una certa soglia la corrente inversa cresce rapidamente ad

• un incremento della caduta di tensione molto piccolo

il breakdown non è distruttivo a patto che la potenza dissipata in un diodo venga limitata da

• un circuito esterno

può essere utilizzato come regolatore di tensione

•

7

3.3

Modelli di caratteristica diretta

Modello Esponenziale

ipotizzando che una tensione applicata al diodo sia molto più grande della corrente di

• saturazione questa ci permette di ignorarla nella equazione di relazione corrente-tensione in

polarizzazione diretta

Analisi Grafica (Mod. Esp.)

intersecare la retta di carico (-1/R) con la caratteristica corrente-tensione del diodo

•

Modello a caduta di tensione costante

un diodo in conduzione diretta presenta una caduta di tensione che varia da 0.6 V a 0.8 V,

• indicativamente 0.7 V

Modello Ideale

si trascura del tutto la caduta di tensione sul diodo

•

Modello di piccolo segnale

Vd/Vt

I = I e

• D S i (t) = I (1 + v / V )

approssimazione di piccolo segnale:

• D D d T

: r =V / I

resistenza differenziale

• d T D

3.4

Diodi Zener

corrente di ginocchio: livello di corrente inversa oltre il quale la caratteristica corrente-

• 1/r

tensione del diodo è praticamente una retta, sebbene con una minima pendenza ( )

z

r

resistenza differenziale ( ): è l'inverso della pendenza della curva corrente-tensione in un

• z

certo punto di funzionamento Q (valore specifico del dispositivo)

la caratteristica corrente-tensione praticamente lineare indica che il diodo può essere

• modellizzato come un generatore di tensione in serie alla resistenza differenziale, dove il

r

generatore vale Vz0 che sarebbe il punto per il quale la retta di pendenza (1/ ) interseca

z

l'asse delle tensioni, che è un valore sostanzialmente coincidente con la tensione di

ginocchio

r

ΔV = ΔI

• z

V = V + r I

• Z Z0 Z Z

3.5

Circuiti raddrizzatori

Singola semionda

nella scelta del diodo incorrono due parametri importanti

• corrente che il diodo può sopportare (massima corrente che il diodo conduce)

◦ tensione inversa di picco (PIV, ovvero la tensione senza che si verifichi il breakdown)

◦ PIV = Vs

◦

Doppia semionda

viene utilizzato un trasformatore a presa centrale in modo da fornire due tensioni uguali vS

• PIV = 2Vs – V

• D

Raddrizzatore a ponte di diodi

PIV = Vs - V

• D

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Capitolo 6

Blocchi circuitali fondamentali degli amplificatori per CI (Circuiti Integrati)

6.2

Cella di guadagno elementare

6.2.1

Gli amplificatori a Source Comune e ad Emettitore comune con generatore di corrente di carico

gli amplificatori a CS e CE hanno come carico un generatore di corrente costante al posto

• delle resistenze Rd e Rc

questo viene fatto perché:

• è difficile implementare resistenze con valori precisi in tecnologia integrata

◦ è molto più facile utilizzare generatori a loro volta implementati da transistori

◦ utilizzando generatori stiamo facendo funzionare gli amplificatori con resistenze di

◦ carico elevate (idealmente infinite) potendo così ottenere un guadagno molto più grande

in entrambi i circuiti i transistori sono polarizzati in modo da avere la corrente che scorre

• attraverso essi uguale a quella del generatore, e per funzionare rispettivamente per il

MOSFET e per il BJT in regione di saturazione e in regione attiva diretta (o per entrambi

“regione attiva”) A = -g r

guadagno intrinseco: massimo guadagno ottenibile mediante questi

• vo m o

amplificatori, ovvero ritenendo i generatori di corrente ideali e quindi ad impedenza infinita

6.2.2

Il Guadagno Intrinseco

per i BJT

A = g r = V / V

• 0 m o A T

è indipendente dall'area di giunzione e dalla corrente di polarizzazione del transistore (non

• vero per i MOSFET)

per i MOSFET

A = V / (V / 2)

• 0 A OV

la grandezza V è un parametro di progetto

• OV

la grandezza al numeratore è dipendente sia dal processo che dal dispositivo

• V