V - Studenti

Laboratorio di Elettronica
Dispositivi elettronici e circuiti
Linee di trasmissione.
Misure su linee di trasmissione.
Amplificatore operazionale e reazione.
Applicazioni dell'amplificatore operazionale.
Realizzazione di circuiti con operazionali e misura delle caratteristiche.
Trasporto di carica nei semiconduttori.
Dispositivi a semiconduttore: diodo a giunzione, transistor bjt, jfet e mosfet.
Modelli lineari e non lineari di diodi e transistor.
Misure dei comportamenti dinamici di un diodo.
Esempi di circuiti di impiego di diodi e transistor.
Elettronica digitale:
* porte logiche
* algebra di Boole
* famiglie logiche (CMOS e TTL)
* reti logiche combinatorie e sequenziali
Costruzione e collaudo di un contatore modulo N.
Marcello Carla' ­ carla@ fi.infn.it
Dip. di Fisica – lab. 22 ­ studio 126
tel. 055 457 2055 / 2013 / 2060
Prerequisiti
Leggi dei circuiti elettrici: Ohm, Kirchhoff, Thevenin, Norton
Elementi lineari dei circuiti:
resistenze, condensatori, induttanze, generatori
Analisi di Fourier
Testi di riferimento
J. Millman & A. Grabel – Microelectronics
(McGraw­Hill, 1987)
R.C. Jaeger – Microelectronic Circuit Design
(McGraw­Hill, 1997)
P. Horowitz & W. Hill – The Art of Electronics
(Cambridge University Press, 1989)
Appunti on line
http://studenti.fisica.unifi.it/~carla/appunti
Segnale: grandezza fisica che interessa conoscere o misurare (perche' contiene informazione)
Elettronica Analogica
Elettronica Digitale
Le variabili elettriche di un circuito (tensioni e correnti) sono funzioni, per lo piu' continue, ma non necessariamente lineari, dei segnali.
Le variabili elettriche hanno solo due valori discreti, indicati convenzionalmente con 0 ed 1. Codici di 0 e 1 rappresentano numericamente i segnali.
Elaborazione Elettronica Analogica dei segnali
Amplificazione (o attenuazione)
Lo strumento di misura ha un suo campo (range) di lavoro ottimale. I valori del segnale possono essere fuori di questo campo perche' troppo piccoli o troppo grandi.
Filtraggio
Ogni segnale ed ogni strumento di misura sono affetti da rumore. Rendere il piu' alto possibile il rapporto segnale/rumore significa ridurre l'errore di misura.
Trasformazioni non lineari
L'informazione che interessa puo' essere contenuta in una funzione non lineare del segnale. Ad esempio: l'intensita' del segnale supera o no un certo valore di soglia?
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Elaborazione Elettronica Digitale dei segnali
Operazioni logiche elementari
Gli elementi di base dell'elettronica digitale sono le porte logiche, circuiti che eseguono le operazioni logiche AND, OR, NOT tra le variabili logiche.
Operazioni logiche combinatorie
Utilizzando le porte logiche si possono realizzare reti capaci di eseguire operazioni logiche e matematiche che sono funzioni complesse dei valori delle variabili logiche di ingresso.
Operazioni logiche sequenziali
Reti logiche in cui il valore delle variabili di uscita dipende dal valore delle variabili di ingresso e dalla storia precedente della rete (reti dotate di memoria).
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Linee di trasmissione
Un sistema di conduttori paralleli, a sezione uniforme e caratteristiche costanti sulla lunghezza e' una linea di trasmissione.
Linea di trasmissione bifilare (piattina)
Linea di trasmissione coassiale
Linee di trasmissione
In una linea di trasmissione resistenza, capacita', induttanza e conduttanza sono distribuiti su tutta la lunghezza della linea
}
C capacita' L induttanza R resistenza G conduttanza per unita' di
lunghezza
Z = R + jL impedenza
}
Y = G + jC ammettenza
per unita' di
lunghezza
Linea di trasmissione coassiale per grosse potenze, con dielettrico aria.
Diametro conduttore interno: 32 mm
Diametro conduttore esterno: 76 mm
Potenza massima: 300 kW a 2 MHz
Linee di trasmissione – trasformazione di impedenza
senza perdite
Linea di trasmissione aperta con R0 = 50 .
Linea di trasmissione in cortocircuito con R0 = 50 .
Linea con perdite
Segnali a banda larga e a banda stretta
Segnale audio: 20 Hz – 20 kHz
Impulsi da fotomoltiplicatore: 20 kHz – 500 MHz
Segnale televisivo in banda UHF, canale 61: 790 – 798 MHz
Propagazione di un segnale a banda larga Riflessione di un segnale
a banda larga Riflessione di un segnale a gradino
Oscilloscopio Tektronix 2245A
Generatore di funzioni hp8111A
Misure su una linea di trasmissione
1) Misurare, in trasmissione o in riflessione, la lunghezza elettrica TL della linea.
2) Dal valore di TL e dalla lunghezza geometrica calcolare la velocita' di propagazione dei segnali lungo la linea e la costante dielettrica dell'isolante interno.
3) Terminare la linea con una resistenza variabile (0 ... 100 ); dalla condizione di riflessione nulla verificare l'impedenza caratteristica.
4) Misurare l'impedenza complessa della linea aperta per alcune frequenze, comprese tra 0 e 1 / TL . Tra la tensione V0 che si ha all'oscilloscopio con la linea non collegata e la tensione V1 che si ha con la linea collegata vale la relazione:
V1 = V0 ZL / (50  + ZL)
Dai valori complessi (modulo e fase) di V0 e V1 calcolare il valore (complesso) di ZL (sincronizzare oscilloscopio e generatore tramite trigger.
Misura della lunghezza elettrica di una linea di trasmissione
oscilloscopio
generatore di impulsi
Il generatore ha una resistenza di uscita di 50 
V
Linea a 50 
Segnale inviato dal generatore
L'oscilloscopio ha una impedenza di ingresso di 1 M
(e 20 pF) e permette di “osservare” il segnale al passaggio senza interferire
Misura in riflessione
Segnale riflesso con linea aperta
Terminazione della linea 2 TL
t
Segnale riflesso con linea in cortocircuito
fig:lunghezza_elettrica
Terminazione
V
Segnale all'inizio della linea
TL
Segnale alla fine della linea
Linea a 50 
t
Misura in trasmissione
1) Misurare, in trasmissione o in riflessione, la lunghezza elettrica TL della linea.
2) Dal valore di TL e dalla lunghezza geometrica calcolare la velocita' di propagazione dei segnali lungo la linea e la costante dielettrica dell'isolante interno.
fig:lunghezza_trasmissione
Misura della impedenza caratteristica di una linea di trasmissione
Linea di impedenza Z
Linea a 50 
3) Terminare la linea con una resistenza variabile (0 ... 100 ); dalla condizione di riflessione nulla verificare l'impedenza caratteristica.
Terminazione
della linea
V
Segnale inviato dal generatore
2 TL
Segnale riflesso con linea aperta
t
Segnale riflesso con linea in cortocircuito
Misura dell'impedenza trasformata da una linea di trasmissione
generatore di segnale sinusoidale
a frequenza variabile
Linea aperta
oscilloscopio
trigger
4) Misurare l'impedenza complessa della linea aperta per alcune frequenze, comprese tra 0 e 1 / TL V1
ZL
=
V 0 50 Z L
V0 tensione all'oscilloscopio con linea non collegata
V1 tensione all'oscilloscopio con linea collegata
ZL Impedenza equivalente della linea
V0, V1 e ZL sono quantita complesse