Appunti di Elettronica per Fisici

Università degli Studi di Firenze
Dipartimento di Fisica
Marcello Carlà
Appunti di Elettronica per Fisici
A.A. 2010-2011
Copyright
c 2005-2010
Marcello Carlà
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In copertina: schema elettrico del trasmettitore radio utilizzato nel maggio-giugno 1928 dal marconista Biagi per inviare i segnali di richiesta di soccorso dalla banchisa polare.
Indice
1 Linee di trasmissione
1.1 Circuiti a costanti concentrate e distribuite . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Linee di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Circuito equivalente di una linea di trasmissione . . . . . . . . . . . .
1.4 Correnti e tensioni lungo la linea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Cavo coassiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Linea senza perdite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Lunghezza d’onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8 Linea con perdite. Condizioni di Heaviside . . . . . . . . . . . . . . . .
1.9 Impedenza caratteristica della linea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10 Linea di trasmissione chiusa sulla sua resistenza caratteristica . . . . .
1.11 Linea di trasmissione chiusa su una resistenza diversa dalla resistenza
caratteristica. Coefficiente di riflessione. . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.12 Onde stazionarie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.13 Trasformazione di impedenza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.14 Segnali a banda larga e a banda stretta. . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.15 Riflessione di un segnale a banda larga . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.16 Resistenza interna del generatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.17 Riflessione di un segnale a gradino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2 Semiconduttori
2.1 Semiconduttori . . . . . . .
2.2 Resistività . . . . . . . . . .
2.3 Germanio e Silicio . . . . .
2.4 Elettroni e Lacune . . . . .
2.5 Modello a bande di energia
2.6 Semiconduttore estrinseco .
2.7 Legge di Azione di Massa .
2.8 Corrente di diffusione . . .
3 Diodi
3.1 Giunzione P-N . . . . .
3.2 Regione di Transizione .
3.3 Potenziale di giunzione .
3.4 Diodo a giunzione . . .
3.5 Polarizzazione diretta ed
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3.6
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3.20
3.21
Correnti in un diodo polarizzato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.1 Polarizzazione diretta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.2 Polarizzazione inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equazione della giunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.1 Diodo in conduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.2 Diodo in interdizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Contatti ohmici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Coefficiente di temperatura del diodo a giunzione . . . . . . . . . . .
Una applicazione dei diodi: il raddrizzatore . . . . . . . . . . . . . .
Tensione inversa di rottura (Reverse Breakdown Voltage) . . . . . . .
Effetti termici nel diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuiti non lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito linearizzato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conduttanza dinamica del diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.15.1 Diodo direttamente polarizzato . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.15.2 Diodo non polarizzato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.15.3 Diodo contropolarizzato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diodi stabilizzatori di tensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Interruttore a diodi per segnali analogici . . . . . . . . . . . . . . . .
Capacità della giunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.18.1 Diodo contropolarizzato - Capacità di transizione . . . . . . .
3.18.2 Diodo in conduzione - Capacità di diffusione . . . . . . . . .
3.18.3 Confronto tra capacità di transizione e capacità di diffusione
Spessore della regione di transizione . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tempi di commutazione di un diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dispositivi Optoelettronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.21.1 Fotodiodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.21.2 Relazione tensione-corrente in un fotodiodo . . . . . . . . . .
3.21.3 Rendimento dei generatori fotovoltaici . . . . . . . . . . . . .
3.21.4 Fotorivelatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.21.5 Diodi led (light emitting diode - diodi emettitori di luce) . . .
3.21.6 Diodi laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4 Misure su diodi
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4.1 Tempi di commutazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 Capacità di transizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.1 Fit dei dati sperimentali con il programma Gnuplot . . . . . . 65
5 Amplificazione
5.1 Circuiti attivi . . . . . . . . . . . . .
5.2 Amplificatore ideale . . . . . . . . .
5.3 Variabili indipendenti e dipendenti .
5.4 Modelli lineari per i dispositivi a due
5.4.1 Trasformazioni di parametri .
5.5 Circuito amplificatore . . . . . . . .
5.6 Amplificatori ideali . . . . . . . . . .
5.7 Reti passive . . . . . . . . . . . . . .
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porte
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INDICE
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6 Il transistor bjt
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6.1 Equazioni di Ebers-Moll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2 Regioni operative del bjt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.1 Regione di interdizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.2 Regione attiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.3 Regione di saturazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3 Configurazioni circuitali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3.1 base comune (common base) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3.2 emettitore comune (common emitter ) . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3.3 collettore comune (common collector ) . . . . . . . . . . . . . . 83
6.4 Curve caratteristiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.5 Effetto Early . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.6 Amplificatore ad emettitore comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.6.1 Modello lineare a emettitore comune . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.6.2 Valori dei parametri g ed h in corrente continua e bassa frequenza 87
6.6.3 Amplificazione di tensione e di corrente . . . . . . . . . . . . . 89
6.7 Amplificatore a collettore comune e base comune . . . . . . . . . . . . 91
6.7.1 Emitter follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.7.2 Reazione di emettitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.7.3 Amplificatore a base comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.7.4 Parametri a base comune e collettore comune . . . . . . . . . . 94
6.8 La polarizzazione del bjt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.8.1 Polarizzazione con singola resistenza di base . . . . . . . . . . . 96
6.8.2 Polarizzazione a quattro resistenze . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.8.3 Condensatori di accoppiamento e disaccoppiamento . . . . . . 98
6.9 Amplificatore differenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.9.1 Amplificazione di modo comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.9.2 Amplificazione di modo differenziale . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.9.3 Un esempio di amplificatore differenziale . . . . . . . . . . . . . 103
6.9.4 Reiezione di modo comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.10 Circuito current mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.11 Circuito Darlington . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.12 Circuiti a simmetria complementare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.13 Il transistor bjt in alta frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.13.1 Frequenza di transizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.13.2 Effetto Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.13.3 Banda passante di un amplificatore . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7 I transistor mosfet e jfet
7.1 Struttura del transistor mosfet . . . . . . . . . . .
7.2 Canale di conduzione . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 Conduttanza del canale . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Modulazione del canale . . . . . . . . . . . . . . .
7.5 Pinch-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6 Curve caratteristiche per il transistor nmos . . . .
7.7 Il transistor pmos - mosfet complementari . . . . .
7.8 Transistor mosfet di tipo enhancement e depletion
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vi
INDICE
7.9
7.10
7.11
7.12
Struttura del transistor jfet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Modulazione della corrente di canale nel transistor jfet . . . . . . . . .
Varietà di transistor ad effetto di campo . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuiti con transistor ad effetto di campo . . . . . . . . . . . . . . . .
7.12.1 Amplificatore common source . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.12.2 Modello per piccoli segnali per i transistor ad effetto di campo
7.12.3 I transistor fet in alta frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8 Elettronica digitale
8.1 Algebra di Boole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.1 Operazioni logiche elementari . . . . . . . . . . . .
8.1.2 Circuiti logici elementari (porte) . . . . . . . . . .
8.1.3 Le leggi di De Morgan . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.4 NAND e NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2 Il transistor come interruttore . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3 Le famiglie logiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1 Famiglia CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.2 Porta N AN D e N OR in tecnologia CMOS . . . .
8.3.3 Famiglia TTL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.4 Caratteristiche elettriche di famiglie CMOS e TTL
8.4 Logica combinatoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.1 Esempi di circuiti a logica combinatoria . . . . . .
8.5 Tempi di commutazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6 Logica sequenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7 I flip-flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.1 Set-Reset (SR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.2 Clocked-SR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.3 D-type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8 I flip-flop di tipo Master-Slave . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.1 Shift register (Registro a scorrimento) . . . . . . .
8.8.2 Flip-flop JK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.3 Contatore binario . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.4 Contatore sincrono . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9 Amplificatore Operazionale e Reazione
9.1 Guadagno ad anello aperto e ad anello chiuso . . . . . .
9.2 Reazione positiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3 Reazione negativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4 L’Amplificatore Operazionale . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.1 Amplificatori Operazionali reali . . . . . . . . . .
9.5 Amplificatore di tensione (amplificatore non invertente)
9.5.1 Voltage follower . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6 Effetti della reazione negativa . . . . . . . . . . . . . . .
9.6.1 Stabilizzazione del guadagno . . . . . . . . . . .
9.6.2 Riduzione della distorsione . . . . . . . . . . . .
9.6.3 Aumento della banda passante . . . . . . . . . .
9.6.4 Rete di reazione non lineare . . . . . . . . . . . .
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INDICE
9.7
9.8
vii
9.6.5 Effetto della reazione negativa sul rumore . . . . . . . . . .
Resistenze di ingresso e uscita per l’amplificatore non invertente .
9.7.1 Amplificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7.2 Resistenza di ingresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7.3 Resistenza di uscita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Amplificatore invertente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8.1 Resistenze di ingresso e uscita per l’amplificatore invertente
9.8.2 Resistenza di uscita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8.3 Resistenza di ingresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10 Applicazioni dell’amplificatore operazionale
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10.1 Convertitore corrente-tensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
10.1.1 Una applicazione del convertitore corrente-tensione: amplificatore per fotorivelatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
10.2 Circuito sommatore - Nodo di somma . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
10.3 Amplificatore vero differenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
10.4 Instrumentation Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
10.4.1 Ricevitore differenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
10.5 NIC (Negative impedance converter ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
10.5.1 Oscillatore a resistenza negativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
10.5.2 Generatore di corrente (Pompa di Howland) . . . . . . . . . . . 186
10.6 Integratore di Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
10.7 Differenziatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
10.8 Calcolatore Analogico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11 Stabilità delle reti lineari
11.1 Risposta stazionaria di una rete lineare . . . . .
11.2 Comportamento durante un transitorio . . . . .
11.3 Condizione di stabilità di un anello di reazione
11.4 Anelli del primo e del secondo ordine . . . . . .
11.4.1 Anello del secondo ordine . . . . . . . .
11.5 Teorema di Nyquist . . . . . . . . . . . . . . .
11.5.1 Anello di reazione stabile . . . . . . . .
11.5.2 Anello di reazione instabile . . . . . . .
11.6 Il teorema di Nyquist nei diagrammi di Bode .
11.7 Margine di fase e di guadagno . . . . . . . . . .
11.8 Compensazione degli anelli di reazione . . . . .
11.8.1 Polo dominante . . . . . . . . . . . . . .
11.8.2 Polo-zero . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.9 Stabilità condizionata . . . . . . . . . . . . . .
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12 Le configurazioni della reazione
12.1 Le quattro configurazioni della reazione . . . . .
12.2 Condizioni all’ingresso ed all’uscita . . . . . . . .
12.3 Quattro modelli per l’amplificatore operazionale
12.4 Quattro esempi di rete di reazione . . . . . . . .
12.5 Amplificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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viii
INDICE
12.6 Resistenza e conduttanza di ingresso e di uscita . . . . . . . . . . . . . 219
A Circuiti a transistor
A.1 Amplificatore con transistor bjt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 Comportamento dinamico di un amplificatore . . . . . . . . . . . . .
A.2.1 Banda passante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2.2 Risposta all’onda quadra in un amplificatore a larga banda .
A.2.3 Risposta all’onda quadra in un amplificatore a banda stretta
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B Trasformazioni di impedenza a banda stretta
231
C
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