Page 1. Elettronica delle telecomunicazioni ETLCE - A1 08/09/ DDC 1. Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione. Contenuti del Gruppo A

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1 Modulo Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione Elettronica delle telecomunicazioni A Amplificatori, oscillatori, mixer A1- Amplificatori a transistori» Punto di funzionamento,» guadagno e banda» distorsioni, rumore,» amplificatori accordati (rev 19/09/ ) Contenuti del Gruppo A rete di polarizzazione analisi con modello lineare e nonlineare di BJT e MOS applicazioni della nonlinearità Oscillatori oscillatori sinusoidali Mixer a trasconduttanza, BJT e MOS, a diodi Circuiti nonlineari amplificatori logaritmici 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Amplificatori: dove? Contenuti di questa lezione (A1) LNA (ingresso RX) Canale FI Condizionamento per A/D circuito di riferimento e procedure di progetto analisi in linearità comportamento fuori linearità» distorsione e spettro di uscita, variazione di guadagno Laboratorio 1: misure a piccolo segnale (linearità) Laboratorio 2: misure ad ampio segnale (fuori linearità) PA (power amplifier) Riferimenti nel testo Circuiti con transistori 1.1, /09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Amplificatori discreti : dove? Amplificatori o altro? LNA (low noise amplifier) amplificatori di ingresso RX: - basso rumore - ampia dinamica PA (power amplifier) amplificatori di potenza TX: - alto rendimento - basso contenuto di armoniche Per amplificatori veri e propri interessano linearità, assenza di distorsioni rumore rendimento La nonlinearità è sempre presente; può essere combattuta» controreazione, circuiti acordati, utilizzata per realizzare» moltiplicatori di frequenza» compressori di dinamica» oscillatori»mixer 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Page DDC 1

2 Modelli di transistore Lezione A1 Transistore bipolare (BJT) modello linearizzato per piccolo segnale (ibrido) modello nonlineare per ampi segnali (esponenziale) Transistore MOS e MOS- FET modello linearizzato per piccolo segnale (ibrido)» metodi e risultati identici al BJT modello per ampi segnali (lin/log/quad) Ampi segnali: stesso metodo, diversi modelli modello analitico per BJT modelli euristici per MOS circuito di riferimento punto di funzionamento Modello lineare Analisi per piccolo segnale Comportamento in frequenza Modello nonlineare Comportamento per ampio segnale Effetti della nonlinearità» distorsione e spettro di uscita» variazione di guadagno 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Schema del circuito di riferimento Caratteristiche Amplificatore CE (Common Emitter) R E1 R E2 Amplificatore AC realizzato con stadio CE a transistore bipolare Accoppiamento AC all ingresso e all uscita C1, C4 Controreazione di emettitore controlla punto di funzionamento e guadagno Limite di banda superiore progetto: C3 capacità parassite 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Analisi di circuito con BJT Analisi di circuito con BJT Amplificatore CE con transistore bipolare punto di funzionamento (I C, V CE ) I C Amplificatore CE con transistore bipolare punto di funzionamento (I C, V CE ) verifica che Q1 lavori in zona attiva»v CE > 0,2 V V CE 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Page DDC 2

3 Analisi di circuito con BJT Modello di transistore bipolare Amplificatore CE con transistore bipolare punto di funzionamento (I C, V CE ) Modello semplificato per la polarizzazione (zona attiva) B I B β I B C verifica che Q1 lavori in zona attiva calcolo dei parametri per piccolo segnale: hie, hfe, gm... hie, hfe Modello semplificato per piccoli segnali in configurazione CE (h fe i B oppure g m vbe) h ie = V T * h fe /I C E g m = I C /V t 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Punto di funzionamento Maglia BE Punto di funzionamento i parametri del transistore dipendono da I C e (in minor misura) da V CE I C I E dipende dalla maglia Base-Emettitore V CE dipende dalla maglia Collettore-Emettitore Si inizia calcolando la I C lavorare sulla maglia BE in prima approssimazione I B = 0 (h FE ) Si verifica che V CE > 0,2 V circa (zona attiva) lavorare sulla maglia CE Parte di circuito che determina Ic Ic dipende solo dalla maglia BE Vcc, R1, R2 formano una unica maglia Vbb, Rb 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Maglia CE Analisi della maglia BE Parte di circuito che determina Vce Vce dipende dalla Ic e dai componenti presenti sul collettore Vce= Vcc-Ic-IeRe Vce Circuito equivalente maglia BE V BB 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Page DDC 3

4 Approssimazioni e variabili Punto di funzionamento : esempio Se h fe è grande, I B = (V BB V BE )/R B Variabili di progetto (Ic costante) V BB, R B /V B R1 R2 Re2 120 kω 82 kω 330 Ω 12 kω 10 kω C1 R1 I1 C3 Q1 Ie Vcc Alta V BB Buona stabilità per V BE (variazioni con la temperatura) Ridotta dinamica (V CE ) Bassa R B Buona stabilità per β (spreading dei parametri) Maggior consumo (R B = R 1 //R 2 ) Vcc 12 V R2 hfe 100 Vbb = 12 * 82 / 202 = 4,9 V Re2 Rb = 48,7 kω Ie = 4,3 / (12, ,7/100) = 0,335 ma Vce = 4,35 V hie = 7,76 kω C2 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Lezione A1 Analisi di circuito con BJT circuito di riferimento punto di funzionamento Modello lineare Analisi per piccolo segnale Comportamento in frequenza Modello nonlineare Comportamento per ampio segnale Effetti della nonlinearità» distorsione e spettro di uscita» variazione di guadagno Parte coinvolta nel calcolo del guadagno in banda (C3 aperto, C1, C2, C4 in corto) ricordare che per il segnale Vcc = 0 R1,R2 vanno in parallelo a 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Circuito per il calcolo del guadagno Risultato con modello lineare Calcolo del guadagno con modello lineare Guadagno con modello lineare I B hfe I B R1//R2 h ie Z E Z C Se hfe >> 1 hie diventa trascurabile rispetto a Z E hfe v u = i C Z C ; i C = i B h fe ; v i = i B h ie + i B (1+h fe ) Z E 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Page DDC 4

5 Calcolo del guadagno: esempio 1 Calcolo del guadagno: esempio 2 hie = 8,96k hfe = kω 330 Ω 10 kω R1//R2 Ib hie hfe Ib hie = 8,96k hfe = 100 g m = 12 kω 330 Ω 10 kω Vbe R1//R2 hie g m Vbe il carico complessivo sul collettore è // Av = - (12k//10k)*100 / (8,96k + 330*100) = -13 il carico complessivo sul collettore è // Av = - (12k//10k)*100 / (8,96k + 330*100) = /09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Calcolo di Ri e Ro: esempio Risposta in frequenza Amplificatore AC a larga banda hie = 8,96k hfe = 100 Ri =? Ro =? 12 kω 330 Ω 10 kω R1//R2 Ib hie hfe Ib Limite di banda inferiore: capacità serie di accoppiamento interstadio capacità nella Z E (eventuali trasformatori di accoppiamento) Limite di banda superiore capacità parallelo verso massa» capacità inserite in sede di progetto» capacità parassite del montaggio» capacità parassite dell elemento attivo 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Capacità parassita Amplificatore AC a larga banda C1 R1 Cp1 Q1 C3 C4 Vcc Cp2 V u /V i (db) Banda passante R2 Re2 Ie Cp: capacità parassita tra Base e Collettore (Cbc) C3: capacità volutamente inserita per limitare la banda C Frequenza di taglio inferiore (C1, C2, C4) f (Hz) Frequenza di taglio superiore (C3, Cp1, Cp2) 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Page DDC 5

6 Stadio CE: limiti in frequenza Effetto Miller Fmax dipende dai parametri parassiti C e L Capacità in uscita (carico)» riducibile con stadi di isolamento (CC) Capacita e induttanze parassite del montaggio» ridurre dimensioni, SMD Capacità interne al dispositivo attivo» CBC: capacità Base-Collettore» dispositivi specifici per HF a bassa CBC» circuiti opportuni (CB, cascode)» analisi con modelli più completi (Giacoletto) La capacità tra Base e Collettore (C BC ) è collegata a due nodi (B e C) tra i quali è presente guadagno di tensione invertente A Corrente Icond nel condensatore C BC : Icond = jωc BC (V B V C ) = jωc BC (V B +AV B ) = jωc BC (A+1) V B (effetto Miller) Ammettenza moltiplicata per il guadagno (+1) La capacità equivalente sul nodo di Base è Ceffettiva = C BC * (A+1) Una capacità elevata limita la risposta alle alte frequenze Occorre usare configurazioni senza effetto Miller 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Altre configurazioni per amplificatori Stadio cascode Stadio Collettore (Drain) Comune alta impedenza di ingresso bassa impedenza di uscita No effetto Miller (Av 1) Stadio Base (Gate) Comune bassa impedenza di ingresso alta impedenza di uscita No effetto Miller (C BC ha un capo a massa) Schema di principio (senza polarizzazione) da a Va Q1: stadio CE, con bassa Zc: guadagna in corrente - Bassa Vce - Scarso effetto MIller Base comune Va Q2 Q1 Emettitore comune Vcc Stadio Cascode CE + CB minor sensibilità ai parametri parassiti (specie C BC ) da Va a Q2: stadio CB, guadagna in tensione - No effetto Miller 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Amplificatore cascode Laboratorio: specifiche di progetto Stadio Base Comune (CB) capacità parassita C BC verso massa assenza di effetto Miller (moltiplicazione C) guadagno di tensione Uscita del CE su un nodo a bassa impedenza piccole escursioni di tensione guadagno di corrente minimo effetto della capacità C BC Risultato complessivo maggior guadagno a frequenze elevate Specifiche Amplificatore con un transistore con: Guadagno di tensione / = 15 (nominale) Banda passante a -3 db da 300 Hz a 20 khz (almeno) Dinamica di uscita 3 Vpp su un carico da 10 kω (almeno) Tensione di alimentazione 12 V (nominale). Caratteristiche verificate entro un margine del +/-10%, a temperatura ambiente. Le specifiche su guadagno e dinamica valgono per segnali di ingresso di 1 khz. E un vero progetto: più soluzioni, occorre fare scelte 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Page DDC 6

7 Procedura di progetto Verifiche e misure Circuito scelto: CE con Ze, polarizzazione Vb/Re Scelta della dinamica a vuoto, o della Ve o di Compromessi stabilità/dinamica Calcolo di, o della Ve o della dinamica a vuoto Calcolo di Ic Rete di polarizzazione per fissare Ic: R1, R2, +Re2 Specifiche sul guadagno: Specifiche sulla banda: C1, C2, C3, C4 I componenti passivi (R e C) sono disponibili solo in serie normalizzate Occorre passare dai valori calcolati a quelli normalizzati opportuni ene modificata la funzione di trasferimento Le tolleranze dei componenti determinano una fascia di valori possibili (per il diagramma di Bode) Bisogna verificare se rientra nelle specifiche Confrontare i risultati delle misure con la fascia ammessa per il diagramma di Bode 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Lezione A1 Transistore BJT: modello nonlineare circuito di riferimento punto di funzionamento Modello lineare Analisi per piccolo segnale Comportamento in frequenza Modello nonlineare Comportamento per ampio segnale Effetti della nonlinearità» distorsione e spettro di uscita» variazione di guadagno Il modello lineare è una approssimazione La relazione I C (V BE ) è logaritmica per v i (t) = V i cos ωt posto x = V i /V T V BE = V i + V E corrente di collettore: 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Analisi con modello nonlineare BJT Tabella In(x) Il termine e x cos ωt può essere sviluppato in serie I n (x): funzione di Bessel modificata di I specie, ordine n: Corrente di collettore con modello nonlineare 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Page DDC 7

8 Andamento di In/Io al variare di x Corrente Ic e tensione di uscita La componente continua di I C è I Tensione di uscita Vo: raccogliendo I si evidenzia la dipendenza da x delle varie componenti dell uscita 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Transistori MOS - modello lineare Analisi con modello nonlineare MOS Circuito e polarizzazione per determinare il punto di funzionamento occorre usare l equazione quadratica I D = I DSS (1 - V GS /V P ) 2 Modello nonlineare caratteristica in parte quadratica altri tratti con caratteristica esponenziale o lineare vengono utilizzati modelli euristici Risultati analoghi al BJT: Per piccolo segnale (modello lineare) relazione analoga al BJT presenza di armoniche in uscita compressione del guadagno V o = g m R D V i 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Lezione A1 Effetti della nonlinearità circuito di riferimento punto di funzionamento Modello lineare Analisi per piccolo segnale Comportamento in frequenza Modello nonlineare Comportamento per ampio segnale Effetti della nonlinearità» distorsione e spettro di uscita» variazione di guadagno Distorsione segnale di ingresso sinusoidale segnale di uscita non sinusoidale» presenza di armoniche Variazione del guadagno il guadagno per la fondamentale dipende dal livello del segnale di ingresso compressione:» aumentando il segnale di ingresso il guadagno diminuisce Effetti visualizzabili con il simulatore distorsioni del CD-ROM (impostare nonlinearità esponenziale) 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Page DDC 8

9 Fondamentale e armoniche in uscita Armoniche in uscita: x = 1 Il contenuto di armoniche è dato dallo sviluppo di ex cos ωt Segnale di medio livello = 26 mv, x = 1 distorsione appena visibile 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Armoniche in uscita: x = 5 Armoniche in uscita: x = 10 Segnale di livello alto = 130 mv, x = 5 Segnale di livello molto alto = 260 mv, x = 10 forte distorsione distorsione molto forte armoniche elevato contenuto di armoniche 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Esempio di spettro di uscita Nonlinearità: combattere o sfruttare? Livelli delle armoniche per pari a 13 mvp e 52 mvp Per ridurre distorsione e compressione: Controreazione con resistenza su emettitore» viene ridotta l ampiezza effettiva del segnale presente sull elemento nonlineare (giunzione BE) altri tipi di controreazione circuito accordato in uscita» attenua le componenti armoniche (non modifica l effetto di compressione) Utilizzare armoniche e variazione di guadagno: moltiplicatori, compressori, oscillatori 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Page DDC 9

10 Esercizi Esercizio 1.1.1: amplificatore a trans. Calcolo di armoniche (in db, rispetto alla fondamentale) in uscita al variare di. Tracciare lo spettro di uscita (fondamentale a odb) per» = 52 mv» = 130 mv Nel circuito progettato per il laboratorio Calcolo del guadagno in linearità» Modello con g m o h ie Calcolo del guadagno per diversi livelli di ingresso» Modello nonlineare Progettare di amplificatore con specifiche: Guadagno di tensione / = 15 (nominale) Banda passante a -3 db da 300 Hz a 20 khz (almeno) Dinamica di uscita 3 Vpp su un carico da 10 kω (almeno) Alimentazione 12 V (nominale), transistore 2N2222A Quesiti Usando il modello lineare:» calcolare il guadagno Usando il modello nonlineare» Calcolare il contenuto di armoniche in uscita» calcolare guadagno e compressione 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Laboratorio 1: amplificatore con BJT Sommario lezione A1 Specifiche: Slide precedenti o da lezione Sequenza di misure» Punto di funzionamento» misure a piccolo segnale (guadagno e diagramma di Bode)» dinamica di uscita Procedura di progetto: Cap 1, 1.P1 Laboratorio: Cap 1, 1.L1 circuito di riferimento Polarizzazione analisi in linearità Transistori bipolari fuori linearità Modello per BJT Modelli per MOS Analisi degli effetti» distorsione e spettro di uscita» variazione di guadagno Laboratorio 1 specifiche e guida per il progetto 08/09/ ETLCE - A DDC 08/09/ ETLCE - A DDC Prossima lezione (A2) Come ridurre gli effetti della nonlinearità controreazione circuito accordato in uscita Trasconduttanza per ampio segnale Come utilizzare le nonlinearità Sfruttare la presenza di armoniche: Sfruttare la variazione di guadagno: Laboratorio 2: compoeramento per ampio segnale (nonlinearità) Riferimento nel testo: amplificatori a banda stretta: /09/ ETLCE - A DDC Page DDC 10