Programma del corso Elettronica Analogica - 9 CFU
Elettronica Analogica - Programma
Crediti: 9
Introduzione. Ruolo dell'elettronica analogica. Richiami: segnali analogici e digitali, leggi di Kirchoff, principio di sovrapposizione degli effetti. Esempi di analisi di partitori di tensione e corrente. Teorema di Thevenin e sua applicazione in presenza di generatori comandati. Amplificazione di potenza e necessità di componenti non lineari (dispositivi elettronici) per realizzarla. Esempio di operazione non lineare (conversione di frequenza).
Diodi. Cenni ai materiali semiconduttori, drogaggio e principi di funzionamento della giunzione pn. Diodo e relativa equazione. Cenni agli effetti parassiti e agli effetti della temperatura.
Esempio di analisi di circuito con diodo e resistenza: risoluzione numerica. Introduzione del modello del diodo approssimato e sua applicazione. Esempio di analisi di circuiti a più diodi.
Circuiti di alimentazione. Raddrizzatore a semplice semi onda con carico resistivo. Forme d'onda e valori di rating del diodo. Calcolo del fattore di ondulazione. Componente continua di corrente e saturazione del trasformatore di ingresso. Raddrizzatore a doppia semionda con carico resistivo. Forme d'onda e valori di rating dei diodi. Raddrizzatore a doppia semionda. Calcolo del fattore di ondulazione. Filtro LC. Progetto del filtro capacitivo ed implicazioni sulle prestazioni in ingresso e in uscita. Regolazione DC/DC. Regolazione con diodo Zener. Dimensionamento e vincoli (regolazione, rendimento, corrente del carico). Schema con amplificatore di corrente, OP-AMP e retroazione. Regolatore DC/DC switching. Relazione ingresso uscita. Modulatore PWM. DC/DC switching. Analisi e progetto del filtro. Utilizzo di trasformatori ed elementi filtranti compatti. Uso della retroazione per stabilizzare la tensione di uscita. Funzionamento come amplificatore switching.
Transistore bipolare. Struttura e principio di funzionamento; modello di Ebers-Moll; regioni di funzionamento ed equazioni corrispondenti; caratteristiche I/V di ingresso e uscita. Modello a singolo generatore di corrente. Effetto Early. Modelli semplificati ed analisi stazionaria. Esempi di applicazione. Richiami sulle equazioni di transistori MOS (FET). Il transistore come amplificatore: guadagno di tensione/corrente (potenza).
Polarizzazione e problema della dispersione dei parametri. Tensione impressa, resistenza di base, resistenza di emettitore. Specchio di corrente.
Amplificazione di piccoli segnali. Linearizzazione. Diodo: modello linearizzato; esempi di applicazione. Transistore bipolare: modello linearizzato; esempi di applicazione. Stadi amplificatori elementari. Capacità di accoppiamento e parassite. Concetto di banda passante e centro banda. Emettitore comune: analisi delle funzioni di rete fondamentali (Ri, Ro, Av, Ai). Proprietà di amplificatori di tensione, di corrente, cenni ad amplificatori a trans-conduttanza e trans-resistenza. Effetto della resistenza di emettitore sul guadagno di un E.C.. Funzioni di rete di amplificatore a collettore comune. Utilizzo del C.C. come separatore in ingresso e in uscita. Funzioni di rete di amplificatore a base comune. Circuito a piccoli segnali per FET. Funzioni di rete di amplificatore a drain comune ed analogia con amplificatore a collettore comune.
Risposta in BF di stadi amplificatori. Effetto della capacità CE e calcolo della funzione di risposta armonica (diagramma di Bode delle ampiezze). Effetto degli altri condensatori di disaccoppiamento. Ipotesi di polo dominante e calcolo della frequenza di taglio inferiore con il metodo delle costanti di tempo in corto circuito.
Risposta in AF di stadi amplificatori. Richiami su capacità parassite nei BJT e FET. Emettitore comune: guadagno di corrente in c.c., frequenza di taglio e di transizione; guadagno di tensione, effetto Miller, frequenza di taglio. Cenni a limiti di banda di stadi a collettore comune e base comune. Cenni a metodo delle costanti di tempo a circuito aperto. Osservazioni su frequenze di taglio per circuiti a FET.
Amplificatori operazionali. Richiami sulla retroazione negativa e proprietà di desensibilizzazione. Necessità di amplificatori ad elevato guadagno. Amplificatore operazionale: caratteristiche ideali. Corto circuito virtuale. Soluzione a riposo (retroazione negativa, positiva e Trigger di Smith). Amplificatore invertente, buffer, amplificatore differenziale, sommatore, convertitore corrente/tensione, tensione/corrente, invertitore di impedenza e cenni a filtri attivi. Integratore ideale e "reale" (filtro passa-basso attivo). Non idealità degli operazionali ed effetti sul guadagno di amplficatore invertente. CMRR. Correnti di polarizzazione e di offset. Offset di tensione. Compensazione dell'offset. Limiti in frequenza. Polo dominante e criterio di compensazione. Prodotto guadagno larghezza di banda. Risposta nel dominio del tempo e slew-rate.
Elaborazione differenziale dei segnali. Amplificatori a più stadi ed accoppiamento a condensatore e diretto. Vantaggi e svantaggi. Elaborazione differenziale dei segnali. Amplificatore differenziale. Analisi dei modi differenziale e comune. CMRR. Schemi con generatore di corrente e carico attivo.
Amplificatori di Potenza. Introduzione e generalità su distorsione (HD e THD) e rendimento. Modello trans-caratteristica. Definizione delle classi di funzionamento (A, B e C). Curva di carico statica e dinamica. Schema con accoppiamento a trasformatore. Amplificatori di potenza in classe A con accoppiamento a trasformatore: calcolo del rendimento (con e senza trasformatore) e dissipazione sul transistor (interpretazione grafica). Valutazione della distorsione armonica HD2 per BJT in classe A e relazione con il rendimento. Problematiche di dimensionamento termico dei dispositivi elettronici: massimizzazione della potenza utile e SOA (BJT), temperatura di giunzione, dissipazione di potenza, resistenza termica. Classi di funzionamento degli amplificatori. Amplificatore in classe B in controfase: generalità, distorsione di cross-over e schema a trasformatore. Calcolo del rendimento e della massima dissipazione sul transistor. Schema a simmetria complementare (push-pull) e compensazione della distorsione di cross-over con la retroazione. Amplificatori di potenza in classe C. Principio di funzionamento. Schemi circuitali e grafico del rendimento in funzione dell'angolo di conduzione. Amplificazione di segnali modulati angolarmente (modulazione, amplificazione ad alta efficienza, demodulazione). Analogia con amplificatore switching PWM.
Oscillatori. Oscillatori quasi sinusoidali a retroazione: principi di funzionamento; calcolo dell'ampiezza e della frequenza di oscillazione; condizione di innesco (cenni all'innesco duro). Esempio di oscillatore LC con amplificatore operazionale (vincoli sul blocco diretto ed inverso, calcolo di frequenza e ampiezza oscillazione). Oscillatori RC a bassa frequenza: oscillatore di Wien. Stabilizzazione dell'ampiezza dell'oscillazione: retroazione, stabilizzazione alimentazione, problemi legati all'elevata distorsione (selettività). Tecniche per la limitazione/stabilizzazione dell'ampiezza: (schemi AGC con zener e termistori). Oscillatori LC a tre punti: teoria generale, calcolo dell'ampiezza e della frequenza di oscillazione (definizione della rete a tre punti), condizione di innesco; reti di Colpitts e Hartley e loro impiego in schemi circuitali. Cenni a stabilità in frequenza: problematiche, cenni a risonatori elettrici e a quarzo.
Esercitazioni: Il corso comprende, oltre alle lezioni teoriche, esercitazioni in laboratorio e esercitazioni scritte svolte in aula consistenti nella analisi o nel progetto di circuiti.
