Sistemi e Tecnologie Elettroniche - Appunti

Corso di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni

Quaderno di appunti

Sistemi e Tecnologie Elettroniche

Federico Brunero

A.A. 2015-2016

Sommario

Questo quaderno di appunti ha l’intento di raccogliere le informazioni necessarie al superamento

1

dell’esame di (10 CFU) del secondo anno di Ingegneria delle

Sistemi e Tecnologie Elettroniche

Telecomunicazioni. Quanto riportato è frutto della rielaborazione delle lezioni tenute dal prof.

Fabrizio Bonani, per quanto riguarda la parte di Elettronica, e dal prof. Franco Ferraris, per

quanto riguarda la parte di Misure, durante il secondo semestre dell’A.A. 2015-2016.

1 Si ricorda che, trattandosi di un quaderno di appunti, potrebbero essere presenti degli errori; nel ca-

so in cui se ne trovassero si prega di scrivere all’indirizzo email per eventuali

federico.brunero@icloud.com

correzioni/delucidazioni. I

Indice

Sommario I

I Elettronica 1

1 Sistemi e segnali elettrici 3

1.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.1 I moduli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.2 Un sistema e la sua analisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.3 L’alimentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Tipi di segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1 Segnali audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.2 Segnali analogici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.3 Segnali digitali reali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.4 Segnali a radiofrequenza (RF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Rappresentazione del segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 Rumore e disturbi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4.1 Degradazione del segnale analogico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4.2 Degradazione del segnale digitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5 Verso il mondo esterno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5.1 Sequenza A/D/A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5.2 Limiti del digitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Gli amplificatori 9

2.1 L’amplificatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Modello di amplificatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.2 Procedura per la risoluzione di circuiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Tipi di amplificatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Da rete a doppio bipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.1 Parametri di un doppio bipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.2 Doppi bipoli in cascata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Comportamento in frequenza 13

3.1 Comportamento dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1.1 Richiami su analisi in tempo e frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1.2 Richiami sui diagrammi di Bode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1.3 Procedura per la risoluzione di circuiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1.4 Analisi di reti corrispondenza – . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

RC: t f

3.2 Celle passa-alto e passa-basso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

II

3.2.1 Effetto di una cella passa-alto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2.2 Effetto di una cella passa-basso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2.3 Combinazione di celle PB e PA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2.4 Cenni sulle celle del II ordine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.3 Gli amplificatori in frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.1 Amplificatore audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.2 Amplificatore di potenza RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.3 Amplificatore in continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.4 Classificazione in base a ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

G(f

3.4 Moduli lineari e non lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4.1 Moduli lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4.2 Moduli non lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4.3 Modelli lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5 Limiti e distorsione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5.1 Limiti di ingresso e di uscita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5.2 Limiti di banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.5.3 Distorsioni e non linearità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4 Amplificatore operazionale ideale 19

4.1 Amplificatori e AO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1.1 Caratteristiche di un AO ideale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1.2 Effetto della reazione sui parametri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2 Alcuni esempi di AO ideali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2.1 Inseguitore di tensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2.2 Inseguitore di corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2.3 Integratore attivo e derivatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.3 Procedura per la risoluzione di circuiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5 Circuiti con AO ideali 23

5.1 Analisi di circuiti AO + Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.2 Sommatore e amplificatore differenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.2.1 Segnali differenziali e modo comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.2.2 Sommatore generalizzato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6 Amplificatore operazionale reale 27

6.1 Caratteristiche di un AO reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.2 Parametri di un AO reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6.2.1 Guadagno finito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

A d

6.2.2 Effetto combinato di e su . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

A R R

d id i

6.2.3 Effetto combinato di e su . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

A R R

d o u

6.2.4 Riassunto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.3 Modello per senza correnti d’ingresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

V

off

6.4 Modello per con correnti di ingresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

V

off

6.4.1 Contributo a della corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

V I

u +

6.4.2 Contributo a della corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

V I

−

u

6.4.3 Effetto totale delle correnti di ingresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.4.4 Ridurre gli errori dovuti a e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

I I

−

+

6.5 Modello con e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

V I

off i

6.5.1 totale in uscita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Offset

6.5.2 Recupero dell’offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

III

6.6 Limiti sugli ingressi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.6.1 Dinamica di uscita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.6.2 Tensioni di ingresso per AO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.7 Moduli funzionali commerciali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.7.1 Struttura di un . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

data sheet

6.7.2 Valori tipici, minimi, massimi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.7.3 Quali valori per il progetto? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

7 I semiconduttori 35

7.1 Conduttori, semiconduttori, isolanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.1.1 I cristalli di atomi del IV gruppo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.1.2 Bande permesse e banda proibita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.1.3 Modello di Shockley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.1.4 Concentrazioni di carica libera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.1.5 Transizione da BV a BC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.1.6 Generazione e ricombinazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.2 Semiconduttore drogato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

7.2.1 Semiconduttore drogato di tipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

n

7.2.2 Semiconduttore drogato di tipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

p

7.2.3 Neutralità elettrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

7.2.4 Carica libera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.2.5 Riassunto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.3 Semiconduttore fuori equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.3.1 Trasporto di carica in presenza di un campo elettrico . . . . . . . . . . . . . 39

7.3.2 Corrente di trascinamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.3.3 Corrente di diffusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.3.4 Corrente totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.3.5 Concentrazioni in eccesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.3.6 Generazione e ricombinazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.3.7 Equazione di continuità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7.3.8 Regione neutra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7.3.9 Quasi-neutralità fuori equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8 La giunzione pn 43

8.1 La giunzione brusca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

pn

8.1.1 Esperimento ideale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8.1.2 Transitorio verso l’equilibrio termodinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8.1.3 Conseguenze dell’equilibrio dettagliato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

8.2 Condizione di equilibrio termodinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

8.2.1 Elettrostatica di equilibrio termodinamico – . . . . . . . . . . . . . . . 44

E(x)

8.2.2 Elettrostatica di equilibrio termodinamico – . . . . . . . . . . . . . . . 45

ϕ(x)

8.2.3 Potenziale di contatto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

8.2.4 Calcolo di e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

x x

n p

8.3 La giunzione fuori equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

pn

8.3.1 Prima approssimazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

8.3.2 Polarizzazione inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

8.3.3 Polarizzazione diretta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

8.3.4 Ampiezza della regione di svuotamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

8.4 Modello quantitativo: caratteristica statica ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

I(V

8.4.1 Composizione della corrente nelle regioni neutre . . . . . . . . . . . . . . . 47

IV

8.4.2 La legge della giunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

8.4.3 Correnti di diffusione dei portatori minoritari . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

8.4.4 Calcolo della corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

8.4.5 Caratteristica statica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

8.4.6 Fattore di idealità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.4.7 Concetto di punto di funzionamento a riposo . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.4.8 Modello statico semplificato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.5 Effetti capacitivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.5.1 Il caso della giunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

pn

8.5.2 Capacità di svuotamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

8.5.3 Capacità di diffusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

8.6 Modello equivalente di ampio segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.7 Modello equivalente di piccolo segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.7.1 Approssimazione di piccolo segnale per un circuito . . . . . . . . . . . . . . 53

8.7.2 Circuito equivalente per le variazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

8.8 Fenomeni di rottura (breakdown) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

8.8.1 I diodi Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

8.8.2 Circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

9 Il transistore bipolare 55

9.1 Il concetto di transistore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

9.1.1 Uso come amplificatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

9.1.2 Il transistore bipolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

9.1.3 Regioni di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

9.1.4 Considerazioni sulla struttura del BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

9.2 Parametri di un BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.2.1 Concentrazioni di carica in r.a.d. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.2.2 Flussi di carica in r.a.d. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.2.3 Fattori di merito in r.a.d. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.2.4 Amplificazione a base comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

9.2.5 Amplificazione ad emettitore comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

9.2.6 Efficienza dei parametri e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

γ b

9.3 Modello statico di Ebers-Moll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

9.3.1 Parametri e circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

9.3.2 Modello di Ebers-Moll: r.a.d. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

9.3.3 Modello di Ebers-Moll: r.a.i. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

9.3.4 Caratteristiche statiche ad emettitore comune . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

9.3.5 Caratteristiche approssimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

9.4 Effetto Early . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

9.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Breakdown

9.6 Comportamento dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

9.6.1 Modello di Ebers-Moll dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

9.6.2 Modello di piccolo segnale statico in r.a.d. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

9.6.3 Parametri differenziali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

9.6.4 Circuito per le variazioni del dispositivo intrinseco . . . . . . . . . . . . . . 62

9.6.5 Effetti capacitivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

V

10 Il transistore MOSFET 63

10.1 Il sistema MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.1.1 Descrizione qualitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.1.2 Esperimento ideale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

10.1.3 Densità di carica e campo elettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

10.1.4 Potenziale elettrostatico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

10.1.5 Polarizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

10.1.6 Condizione di banda piatta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

10.1.7 Concentrazione di carica nel semiconduttore . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

10.1.8 Regioni di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

10.2 Cariche in inversione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.2.1 La carica di inversione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.2.2 La legge di controllo di carica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.2.3 Tensione di soglia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.2.4 Effetto di substrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.2.5 Sistema MOS su substrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

n

10.2.6 La legge di controllo di carica su substrato . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

n

10.2.7 Effetti di non idealità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.3 Il transistore MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

10.3.1 Classificazione dei MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

10.3.2 ad arricchimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

nMOS

10.3.3 ad arricchimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .