ET Prof. Breglio

ET
Prof. Breglio
LEZIONE 1. introduzione, Modulazione FM...................................................................................... 3
LEZIONE 2. Presentazione programma .............................................................................................. 6
LEZIONE 3. (L’amplificatore: analisi lineare e non lineare) .............................................................. 8
LEZIONE 4. Compressione, moltiplicatore di frequenza, filtri antirisonanti, rumore. ..................... 18
LEZIONE 5. Rumore Flicker e burst, rumore in ingresso, figura di rumore, circuiti in cascata. ..... 28
LEZIONE 6. fattore di rumore e sua minimizzazione in un BJT ..................................................... 32
LEZIONE 7. linee di trasmissione, trasporto, Coefficiente di rifl., Return loss, Ros ....................... 39
LEZIONE 8. Adattamento, fattore Q, Coefficiente di riflessione, carta di Smith. ............................ 44
LEZIONE 9. Carta di Smith, Filtri LNA ........................................................................................... 54
LEZIONE 10. Parametri di qualità di un LNA, Moltiplicatore, Cella di Gilbert .............................. 61
LEZIONE 11. mixer reiezione di immagine e sfasatore................................................................... 70
LEZIONE 12. Moltiplicatore, oscillatore .......................................................................................... 76
LEZIONE 13. Oscillatori. .................................................................................................................. 79
LEZIONE 14. VCO, Filtri. ................................................................................................................ 86
LEZIONE 15. Filtri. ........................................................................................................................... 91
LEZIONE 16. Filtri, Capacità commutate. ........................................................................................ 98
LEZIONE 17. PPL ........................................................................................................................... 103
LEZIONE 18. PLL........................................................................................................................... 111
LEZIONE 19. PLL: cattura e mantenimento. .................................................................................. 115
LEZIONE 20. Demodulatore del PLL, Convertitori A/D, frequenza Niquist. ................................ 123
LEZIONE 21. Campionamento, quantizzazione. ............................................................................ 129
LEZIONE 22. Criticità del campionamento reale ........................................................................... 137
LEZIONE 23. Errori di quantizzazione ........................................................................................... 142
LEZIONE 24. Convertitori D/A modelli a confronto ...................................................................... 146
LEZIONE 25. Modelli convertitori D/A 2 ...................................................................................... 151
LEZIONE 26. Introduzione agli amplificatori di potenza ............................................................... 158
LEZIONE 27. Amplificatori di Classe A, Classe B, Classe AB ..................................................... 160
LEZIONE 28. Amplificatori di Classe C ........................................................................................ 167
LEZIONE 29 (adattamento amplificatori di classe C, Classe E).................................................... 174
LEZIONE 1. introduzione, Modulazione FM.
Telecomunicazione: comunicazione a distanza (parola composta da un elemento greco “tele” che
significa lontano e da uno latino “comunicare” che significa condividere).
Ambito di studio: ricezione e trasmissione del segnale elettromagnetico prescindendo dal canale di
trasmissione (etere, linea elettrica, fibra ottica). Ci concentriamo su oggetti (radio o cellulare) che
trasmettono e ricevono attraverso antenne un segnale che viaggia nell’area.
Il segnale in ingresso viaggia frequenze di gigaherz. Per poterne estrarre l’informazione contenuta
deve essere manipolato.
Innanzitutto captato in maniera selettiva in modo da discernere fra tutti i segnali in viaggio nella
zona di ricezione dell’antenna quello di interesse.
Nota storica: la prima trasmissione radio fu realizzata da Marconi che utilizzando onde a bassa
frequenza ed elevata lunghezza d’onda sfruttava l’effetto rimbalzo della troposfera per comunicare
tra zone della terra non a vista.
Successivamente la ricerca cercò di implementare altre forme di codificazione dell’informazione
passando dalla comunicazione in modulazione di ampiezza, AM, l’informazione con relativa
limitazione dei canali trasmissibili e limitazione della distanza di comunicazione. Con la FM è
possibile sfruttare lo stesso canale per più messaggi contemporaneamente.
Approfondiremo la comunicazione AM ed FM come ambito paradigmatico degli altri processi
comunicativi (GSM, satellitare..). In tutti i casi l’articolazione tecnologica dello strumento di
ricezione/trasmissione è lo stesso. Varia la frequenza di trasmissione che ad esempio è:
˗ 87-108 MHz per le onde radio FM
˗ 2,5 Giga Hz per i GSM
˗ 10 GigaHz per la comunicazione satellitare
Modulazione FM
Nella modulazione FM il segnale trasmesso subisce continue variazioni di frequenza dovute alla
modulante.
Apparentemente dalla formula di un processo di modulazione sembrerebbe che a variare sia la fase
piuttosto che la frequenza. In realtà la frequenza è la derivata della fase e ad una variazione della
legge che caratterizza la fase corrisponde una variazione della frequenza. La variazione della
frequenza è analiticamente la derivata della variazione della fase.
t


u(t ) = Ac cos 2π fct + 2π k f ∫ m(t )dτ 
0


Ampiezza Portante
Segnale modulato
Frequenza Portante
Constante di Modulazione
Per comprendere meglio la formula appena espressa si può partire dalla definizione di frequenza
istantanea di un segnale modulato in frequenza che si può scrivere come
f i (t ) = f c + k f m(t ) , dove:
•
•
•
k f è una costante che viene detta fattore di sensibilità in frequenza del modulatore
m(t) è il segnale modulante
f c è la frequenza della portante non modulata
La fase istantanea del segnale modulato si può scrivere come:
t
t
0
0
θ i (t ) = 2π ∫ f i (τ )dτ = 2πf c t + 2πk f ∫ m(τ )dτ
t
In definitiva il segnale modulato avrà quindi proprio la forma Ac cos 2πf c t + 2πk f ∫ m(τ )dτ  o
0


equivalentemente: Ac cos 2π [( f c + ∆f )t + θ 0 ] con ∆f variazione della frequenza introdotta dalla
modulazione proporzionale a m(t)
Comunicazione stereofonica
La comunicazione in FM consente una ottimizzazione dell’impiego della banda passante
disponibile. Questa viene anche utilizzata per trasmettere segnali stereofonici grazie ad un
procedimento di multiplexing che permette di manipolare i segnali relativi ai due canali della
stereofonia e di trasmetterli sotto forma di un segnale di somma (sinistro + destro) e un segnale di
differenza (sinistro - destro). Il segnale di differenza viene traslato con un particolare procedimento
al di sopra della banda udibile. In questa maniera si ha la compatibilità con i ricevitori monofonici
che riproducono il solo segnale di somma, mentre i ricevitori stereofonici riescono a rigenerare gli
originali segnali stereo.
F{m(t)}
Tono
pilota
L+R
15
19 23
L-R
38
RDS
53
57
f, KHz
Nella figura i contenuti denominati RS in trasmessi in alta frequenza corrispondono alle
informazioni digitali associate alla trasmissione del canale radiofonico (immagino quelle che
consentono alla radio di visualizzare sul display il nome del canale captato).
Rapporto distanza/bitrate sistemi di telecomunicazione a confronto
Le differenti famiglie tecnologiche nell’ambito delle telecomunicazioni possono essere classificate
in base alle distanze che riescono a coprire e alla velocità di bitrate che possono garantire.
Il 3 G garantisce elevato bitrate perché utilizza 3 canali contemporaneamente.
Il sistema GPS lavora su grandi distanze ma si limita a comunicare i pochi dati inerenti
l’identificazione del satellite e l’orario di trasmissione in modo che, incrociando le informazioni di
4 satelliti (3 per la localizzazione sulla superficie sferica supposta piatta ed uno per l’altimetria).
LEZIONE 2. Presentazione programma
Schema di radiotrasmettitore
Nel nostro corso fra tutti, possibili strumenti di rice-trasmissione, concentreremo l’attenzione su un
sistema radiofonico a medie frequenze.
Dall’immagine è abbastanza immediato osservando la direzione delle frecce individuare due
principali sub - articolazioni dedicate appunto alla ricezione e alla trasmissione.
I simboli dei blocchi presenti in ciascuna delle due sub articolazioni, pur identici, identificano
sistemi circuitali completamente differenti a seconda che operino in trasmissione o in ricezione. I
due blocchi sono progettati in modo completamente autonomo l’uno dall’altro.
I differenti colori utilizzati (trasversali alle due articolazioni principali) identificano la frequenza di
lavoro. Nella modulazione FM si trasmette un segnale che nasce nell’intervallo fra 5 e 20KHz , ma
che viene trasmesso e ricevuto nell’ambito dei Mega Hz per poi tornare alla frequenza media dei 10
KHz. Per ogni range di frequenza i dispositivi assumono configurazioni peculiari impiegando
dispositivi e materiali differenti.
Il cuore del sistema è il PLL. Una fra le principali evoluzioni in ambito radiofonico è stata
l’introduzione della ricezione a supereterodina che ha consentito l’ottimizzazione di impiego della
banda di trasmissione e l’aumento di canali. Un ulteriore evoluzione altrettanto importante è stata
l’introduzione della codifica digitale.
Le due sub-articolazioni principali funzionano in modo alternato. La frequenza di alternanza è
inferiore alla soglia di discontinuità percepita dall’orecchio umano e viene gestita da un elettronica
dedicata che switcha in continuazione il collegamento all’antenna fra le due articolazioni.
In trasmissione l’intensità e la qualità del mio segnale dipende dal mio sistema. In ingresso il
segnale sarà condizionato dalle condizioni ambientali di ricezione. Può determinarsi, ad esempio, il
fenomeno del FAILING: il segnale in arrivo è la sommatoria di repliche dello stesso segnale che,
rimbalzando sugli ostacoli frapposti tra emittente e ricevente, seguono percorsi e distanze differenti,
giungendo in tempi diversi al ricevente configgendo fra loro.
LNA
Il segnale in ingresso di solito ha potenza molto piccola (nel caso della comunicazione GSM il
satellite trasmette un segnale che parte a 10 watt e percorre migliaia di km abbatendosi in ragione
del quadrato della distanza).
Il segnale captato dovrà quindi essere amplificato. E’ necessario, però, che il circuito dedicato non
produca rumore elettronico che rischierebbe di rendere inintellegibile un segnale cosi debole. Allo
scopo vengono impiegati gli LNA (Low Noise Amplifier). Tali dispositivi oltre a non caricare il
segnale di rumore aggiuntivo devono avere ampia dinamica: adattarsi alla potenza in ingresso in
condizioni di vicinanza o lontananza dall’antenna trasmittente (nel caso di un ricevente in
movimento).
Segue presentazione sintetica dei dispositivi che caratterizzano il circuito ricetrasmittente e che
costituiscono i vari argomenti del programma:
˗ Amplificatori con transistori
˗ Rumore nei sistemi elettronici
˗ Oscillatori
˗ Mixer
˗ Filtri Attivi
o Di rilievo solo l’accenno alla differenza di implementazione di filtri in alta frequenza
(che non tratteremo e che di solito consistono in filtri risonanti) ed in bassa frequenza.
Questi ultimi lavorando a frequenze più basse, per mantenere un fattore di qualità Q
elevato devono avvalersi di dispositivi ad elevata induttanza. Utilizzeremo un
circuito con operazionale che garantisce elevate prestazioni da induttore senza
richiedere ingombri particolari.
˗ Carta di Smith
˗ Adattamenti
˗ PLL
˗ Conversione Analogica/Digitale
˗ Simulatori
LEZIONE 3. (L’amplificatore: analisi lineare e non lineare)
Analisi del funzionamento di un circuito di amplificazione a singolo resistore
Dalla polarizzazione (analisi statica) all’analisi in frequenza (analisi dinamica)
B
IB
βIB
C
E
Nella figura osserviamo una possibile rappresentazione schematizzata del circuito in funzionamento
statico. Si assume la polarizzazione del transistore in regione attiva diretta (VBE > 0,6V e VBC < 0V ):
il diodo rappresenta la caduta di tensione tra base ed emettitore ed il generatore costante di corrente
comandato in corrente esemplifica una delle caratteristiche salienti del funzionamento statico del
transistore. Il BJT si comporta come generatore di corrente: iniettando una corrente in base ne
scorrerà un’altra beta (β = guadagno di corrente ad emettitore comune in forward-diretta) volte più
grande fra collettore ed emettitore
Analisi circuito per piccolo segnale (approfondendo la simbologia delle slide del prof)
Analizziamo il comportamento dell’amplificatore schematizzandolo in termini di doppio bipolo:
Una possibilità è, ad esempio, data dallo scegliere come variabili indipendenti v1 ed i2 mentre come
variabili dipendenti v2 ed i1. In tal caso i coefficienti della matrice di legame hanno dimensioni che
possono essere sia di impedenze, sia di ammettenze, sia numeri puri. Per questa ragione tali
coefficienti vengono definiti ibridi (hybrid) ed indicati con la lettera “h”:
Applicando tale schematizzazione alle tre possibili configurazioni per i
circuiti a transistori, emettitore comune (CE), base comune (CB), collettore comune (CC), si hanno
tre distinte possibilità di definizione del set dei parametri ibridi. Si adotta quindi la convenzione di
porre due pedici di identificazione dei parametri h, il primo col significato di designare il tipo di
legame:
˗ “i” (input) ossia tra le due grandezze di ingresso
˗ “o” (output) ossia tra le due grandezze di uscita
˗ “f” (forward) ossia una grandezza di uscita rispetto ad una grandezza di ingresso
˗ “r” (reverse) ossia una grandezza di ingresso rispetto ad una grandezza di uscita
il secondo pedice con il significato di designare il tipo di configurazione circuitale:
˗ “e” (emitter) valido per la connessione ad emettitore comune
˗ “b” (base) valido per la connessione a base comune
˗ “c” (collector) valido per la connessione a collettore comune
Nel caso particolare della tipologia del circuito ad emettitore comune, per la quale:
Dalla definizione stessa dei parametri ibridi può essere ricavato il circuito equivalente di un
transistore. Nel caso della tipologia ad emettitore comune, ad esempio, per la quale valgono le
relazioni riportate nella prima equazione del sistema, la tensione di ingresso vbe è pari alla somma
delle tensioni hie ib ed hre vce, che formano perciò delle tensioni poste in serie. La corrente di uscita ic
è pari invece alla somma delle due correnti hfeib ed hoevce, che formano perciò il parallelo di correnti.
Trascurando gli apporti di hre vce e hoevce si ottiene il modello per piccolo segnale proposto dalle
slide del prof
Con D’Aliento, invece il nostro modello assumeva queste altre nomenclature:
Per un rapido confronto fra i due modelli si evince che
hie = rπ
hfeib = gmVπ
A ben vedere hfe corriponde proprio al parametro β (guadagno di corrente ad emettitore comune).
Parametro a cui, invece gm è legata attraverso la relazione: β = gm ⋅ rπ
Determinazione del punto di lavoro;
Sia per motivi legati ai margini di errore nel processo teconologico di produzione dei transistor che
per la forte dipendenza del funzionamento di questi ultimi dalle condizioni ambientali è preferibile
attuare schemi circuitali che rendano più controllabile il punto di lavoro dell’amplificatore.
Un circuito a quattro resistori mi consente di sganciarmi dalla dipendenza dai parametri ibridi in
continua del circuito (o equivalentemente dal parametro β)