Indice - Ateneonline

Indice
A
1
2
B
3
Introduzione all’elettronica
1
Introduzione
1.1 Il segnale elettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Segnale analogico . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2 Segnale digitale . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3 Spettro di frequenza di un segnale . . . . . . . .
1.2 L’amplificazione ideale . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Modelli circuitali equivalenti per gli amplificatori
1.2.2 Bilancio di potenza e alimentazione di un circuito
1.3 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3
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Proprietà dei materiali semiconduttori
2.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . .
2.2 Il silicio e la sua struttura cristallina
2.2.1 Un punto di vista alternativo:
2.3 La lacuna . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Semiconduttore estrinseco . . . . .
2.4.1 Esempio . . . . . . . . . .
2.5 Correnti nei semiconduttori . . . . .
2.5.1 La corrente ohmica . . . . .
2.5.2 La corrente di diffusione . .
2.6 Drogaggio disuniforme . . . . . . .
2.7 Iniezione di portatori . . . . . . . .
2.8 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . .
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le bande di energia
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Elettronica analogica
Il diodo
3.1 La giunzione p-n . . . . . . . . .
3.2 Barriera di energia . . . . . . . .
3.3 Polarizzazione della giunzione p-n
3.3.1 Polarizzazione inversa . .
3.3.2 Polarizzazione diretta . . .
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VI
Indice
3.4
3.5
3.6
Il diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Analisi di circuiti contenenti diodi . . . . . . . . . . . . .
Rappresentazioni circuitali semplificate del diodo . . . . .
3.6.1 Modello del diodo ideale . . . . . . . . . . . . . .
3.6.2 Modello a caduta di tensione costante . . . . . . .
3.6.3 Modello con resistenza serie . . . . . . . . . . . .
3.7 Analisi grafica: la retta di carico . . . . . . . . . . . . . .
3.8 Alcune applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8.1 Il raddrizzatore ad una semionda . . . . . . . . . .
3.8.2 Il rivelatore di picco . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8.3 Il raddrizzatore a doppia semionda . . . . . . . . .
3.9 La regione di Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9.1 La moltiplicazione a valanga . . . . . . . . . . . .
3.9.2 L’effetto Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10 Dipendenza dalla temperatura della caratteristica del diodo
3.11 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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74
Il transistore bipolare a giunzione
77
4.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 Il transistore bipolare a giunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Caratteristiche tensione-corrente del BJT . . . . . . . . . 82
4.2.2 Rappresentazione grafica delle caratteristiche del transistore 84
4.3 Regioni di funzionamento del transistore . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4 Rappresentazione ad emettitore comune . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5 L’effetto Early . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.6 Il transistore pnp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.7 Simboli circuitali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.8 Circuiti per la polarizzazione del transistore . . . . . . . . . . . . 94
4.8.1 Circuito di polarizzazione con due resistenze . . . . . . . 95
4.8.2 Circuito di polarizzazione con tre resistenze . . . . . . . . 98
4.8.3 Circuito di polarizzazione con quattro resistenze . . . . . 99
4.8.4 Polarizzazione con un resistore tra collettore e base . . . . 100
4.8.5 Polarizzazione con generatore di corrente . . . . . . . . . 101
4.9 Il transistore bipolare per la realizzazione dei circuiti amplificatori
di segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.10 Scelta del punto di funzionamento statico . . . . . . . . . . . . . 107
4.11 Condizione di linearità e approssimazione di piccolo segnale . . . 112
4.12 Circuito equivalente per piccolo segnale . . . . . . . . . . . . . . 114
4.13 Circuito equivalente a T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.14 La resistenza di uscita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.15 Modello equivalente per le alte frequenze . . . . . . . . . . . . . 120
4.16 Amplificatore a emettitore comune . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.16.1 Valutazione di Rin e Rout . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.17 Amplificatore a base comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.18 Amplificatore a collettore comune . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.18.1 Calcolo di Rin e Rout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Indice
VII
4.19 Risposta in frequenza di un circuito elettronico . . . . . . . . . . 134
4.19.1 Metodo delle costanti di tempo in bassa frequenza . . . . 137
4.19.2 Metodo delle costanti di tempo in alta frequenza . . . . . 138
4.20 Risposta in frequenza degli amplificatori a BJT . . . . . . . . . . 138
4.20.1 Risposta in bassa frequenza dell’amplificatore ad emettitore comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.20.2 Risposta in alta frequenza dell’amplificatore ad emettitore
comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.20.3 Risposta in alta frequenza dell’amplificatore a base comune 145
4.20.4 Risposta in alta frequenza dell’amplificatore a collettore
comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.21 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5
Il MOSFET
157
5.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.2 Il MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.2.1 Caratteristiche tensione corrente del MOSFET . . . . . . 161
5.3 Espressione analitica delle caratteristiche IV del n-MOSFET ad
arricchimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.3.1 La costante k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.4 Il MOSFET a canale p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.5 Il MOSFET a svuotamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.6 Simboli circuitali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.7 Polarizzazione del MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.7.1 Circuito di polarizzazione a 4 resistenze . . . . . . . . . . 174
5.7.2 Circuito di polarizzazione con generatore di corrente . . . 176
5.8 Linearizzazione delle caratteristiche e condizione di piccolo segnale177
5.9 Modello per piccolo segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.10 La resistenza di uscita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.11 Un approfondimento: la tensione di soglia e l’effetto Body . . . . 184
5.12 Amplificatori elementari a MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.13 Amplificatore a Source comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.13.1 Risposta in bassa frequenza dell’amplificatore a Source
comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.13.2 Risposta in alta frequenza dell’amplificatore a Source comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.14 Amplificatore a Gate comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.14.1 Risposta in alta frequenza dell’amplificatore a Gate comune193
5.15 Amplificatore a Drain comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.15.1 Calcolo della resistenza di uscita . . . . . . . . . . . . . . 197
5.15.2 Risposta in alta frequenza dell’amplificatore a Drain comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.16 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
VIII Indice
6
7
8
L’amplificatore differenziale
6.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Analisi ad ampi segnali . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Funzionamento differenziale e single-ended . . .
6.3 Calcolo del guadagno di tensione . . . . . . . . . . . . .
6.4 Risposta ai segnali di modo comune . . . . . . . . . . .
6.4.1 Rapporto di reiezione di modo comune - CMRR .
6.5 Risposta in frequenza del circuito differenziale . . . . .
6.5.1 Risposta in alta frequenza a segnali differenziali .
6.5.2 Un generatore di corrente per circuiti integrati . .
6.5.3 Risposta in frequenza del modo comune . . . . .
6.6 Il circuito differenziale completo . . . . . . . . . . . . .
6.7 L’amplificatore differenziale a MOSFET . . . . . . . . .
6.8 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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L’amplificatore operazionale
7.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Un semplice amplificatore basato sull’operazionale: la configurazione invertente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 L’amplificatore operazionale ideale . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Configurazioni fondamentali dell’amplificatore
operazionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.1 Amplificatore non invertente . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2 Le resistenze di ingresso e uscita ed il buffer di tensione
7.4.3 Amplificatore differenziale . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.4 Il sommatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.5 Amplificatore logaritmico . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.6 L’integratore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.7 Il derivatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5 Limiti di linearità dell’amplificatore operazionale . . . . . . . .
7.6 Comportamento in frequenza dell’amplificatore operazionale . .
7.7 Non idealità dell’amplificatore operazionale . . . . . . . . . . .
7.7.1 La slew rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.7.2 Tensione di offset e corrente di polarizzazione . . . . . .
7.8 Rete di reazione generalizzata . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.9 L’integratore reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.10 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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La retroazione
8.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2 L’operazionale non invertente come esempio di reazione negativa .
8.3 Le quattro configurazioni reazionate . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1 L’amplificatore di tensione e la reazione serie-parallelo . .
8.3.2 Le resistenze di ingresso e uscita nella configurazione serieparallelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.3 L’amplificatore di corrente e la reazione parallelo-serie . .
269
269
271
273
274
279
281
Indice
IX
8.3.4
8.4
8.5
8.6
8.7
9
C
Le resistenze di ingresso e uscita nella configurazione
parallelo-serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
8.3.5 L’amplificatore di transconduttanza e la reazione serie-serie 286
8.3.6 Le resistenze di ingresso e uscita nella configurazione serieserie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.3.7 L’amplificatore di transresistenza e la reazione paralleloparallelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.3.8 Le resistenze di ingresso e uscita nella configurazione
parallelo-parallelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Le resistenze di ingresso e uscita nei circuiti reazionati . . . . . . 291
Un cenno alla reazione positiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Esempi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
8.6.1 Circuito doppio carico come esempio di reazione serie-serie293
8.6.2 Il circuito con resistenza tra collettore e base come esempio di reazione parallelo-parallelo . . . . . . . . . . . . . 297
8.6.3 Circuito con stadio di uscita a collettore comune come
esempio di reazione serie-parallelo . . . . . . . . . . . . . 300
8.6.4 Circuito doppio stadio come esempio di reazione paralleloserie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Stadi di uscita
9.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 Stadio di uscita di classe A . . . . . . . . . .
9.2.1 Calcolo del rendimento di conversione
9.3 Stadio di uscita di classe B . . . . . . . . . .
9.3.1 Rendimento di conversione . . . . . .
9.3.2 Potenza dissipata dal circuito . . . . .
9.3.3 Polarizzazione in classe AB . . . . .
9.4 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Elettronica digitale
10 Introduzione
10.1 L invertitore logico ideale . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 L invertitore reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 I valori logici nominali . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.2 Caratteristica di trasferimento di un invertitore reale
10.2.3 Margini di rumore . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Potenza dissipata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4 Ritardo di propagazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Limitazioni in ingresso ed in uscita ad una porta logica . . .
10.6 L invertitore con carico resistivo . . . . . . . . . . . . . . .
10.6.1 Caratteristica di trasferimento . . . . . . . . . . . .
10.6.2 Calcolo analitico VOL . . . . . . . . . . . . . . . .
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X
Indice
10.7 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
11 Porte logiche in tecnologia MOS
11.1 Il MOSFET come bipolo di carico . . . . . . . . . . . . .
11.2 L’invertitore NMOS con carico ad arricchimento . . . . .
11.3 L’invertitore NMOS con carico a svuotamento . . . . . . .
11.3.1 Caratteristica di trasferimento e margini di rumore
11.3.2 Tempo di propagazione . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.3 Potenza dissipata . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.4 Dimensionamento del circuito . . . . . . . . . . .
11.3.5 La tecnologia pseudo-NMOS . . . . . . . . . . .
11.4 Porte logiche NOR e NAND in tecnologia NMOS . . . . .
11.5 L’invertitore CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5.1 La caratteristica di trasferimento . . . . . . . . . .
11.5.2 Tempo di propagazione . . . . . . . . . . . . . . .
11.5.3 Potenza dissipata . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6 Porte logiche NAND e NOR e funzioni complesse . . . . .
11.7 Stadi di adattamento - buffer . . . . . . . . . . . . . . . .
11.8 Riduzione di scala nei circuiti integrati . . . . . . . . . . .
11.9 Le porte di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.10Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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12 Circuiti combinatori e memorie
12.1 Circuiti di codifica/decodifica . . . . . . . .
12.1.1 Il decoder . . . . . . . . . . . . . .
12.1.2 L’encoder . . . . . . . . . . . . . .
12.2 Circuiti di instradamento dei segnali . . . .
12.2.1 Multiplexer . . . . . . . . . . . . .
12.2.2 Demultiplexer . . . . . . . . . . . .
12.3 Circuiti aritmetici . . . . . . . . . . . . . .
12.4 Circuiti di comparazione . . . . . . . . . .
12.5 Circuiti di memoria . . . . . . . . . . . . .
12.5.1 Memorie ad accesso casuale - RAM
12.5.2 Memorie non volatili . . . . . . . .
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13 Circuiti per la conversione A/D e D/A
13.1 Campionare un segnale analogico . . . . . . . .
13.1.1 Richiami di teoria del campionamento . .
13.1.2 La quantizzazione . . . . . . . . . . . .
13.2 Esempi di convertitori A/D . . . . . . . . . . . .
13.2.1 Convertitori a integrazione . . . . . . . .
13.2.2 Contatore ad approssimazioni successive
13.2.3 Convertitore flash . . . . . . . . . . . . .
13.3 Convertitore Σ − Δ (sigma-delta) . . . . . . . .
13.4 Esempi di convertitori D/A . . . . . . . . . . . .
13.4.1 Convertitore a resistenze pesate . . . . .
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Indice
XI
13.4.2 Convertitore R-2R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
13.5 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
A Richiami di teoria dei circuiti lineari
A.1 Caratteristiche I-V dei bipoli lineari
A.1.1 Resistore . . . . . . . . . .
A.1.2 Condensatore . . . . . . . .
A.1.3 Induttore . . . . . . . . . .
A.2 Teoremi di Thevenin e Norton . . .
A.3 Risposta al gradino di un filtro RC .
A.3.1 Configurazione passa-basso
A.3.2 Configurazione passa-alto .
B Il simulatore SPICE
B.1 Introduzione . . . . . . . . . .
B.2 La NETLIST . . . . . . . . .
B.3 Disegnare un circuito . . . . .
B.4 Analisi statica - .OP e .TRAN
B.5 La risposta in frequenza - .AC
B.6 Il transitorio - .TRAN . . . . .
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