Sommario. Presentazione xv Prefazione xvii L autore xx

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1 Sommario Presentazione xv Prefazione xvii L autore xx CAPITOLO 1 Introduzione alla progettazione elettronica 1.1 Introduzione Breve storia dell elettronica Sistemi elettronici 3 Sensori 3 Attuatori Segnali elettrici e simbologia 4 Convertitori analogico-digitale 4 Convertitori digitale-analogico 5 Simbologia Classificazione dei sistemi elettronici Specifiche dei sistemi elettronici 10 Risposta ai transitori 10 Distorsione 11 Specifiche di frequenza 11 Specifiche in continua e per piccoli segnali Progetto di sistemi elettronici Progetto dei circuiti elettronici 15 Confronto tra analisi e progetto 15 Definizione di progetto ingegneristico 16 Progettazione a livello di circuito 17 I vantaggi di studiare con un ottica progettuale 21 Tipi di progetto 21 Relazione di progetto Dispositivi elettronici 23 Diodi a semiconduttore 23 Transistori bipolari a giunzione 23 Transistori a effetto di campo 24 BIBLIOGRAFIA 27

2 iv Sommario CAPITOLO Introduzione 29 Diodi 2.2 Diodo ideale Caratteristica di trasferimento di circuiti a diodi Diodi reali Principio fisico di funzionamento del diodo a giunzione 34 Diodo a giunzione 34 Polarizzazione diretta 36 Polarizzazione inversa 36 Condizione di breakdown Caratteristica del diodo reale Determinazioni dei parametri del diodo Effetti della temperatura Analisi di circuiti a diodi 44 Metodo grafico 44 Metodo approssimato 45 Metodo iterativo Modelli di diodi reali 47 Modello dc a caduta di tensione costante 47 Modello dc con linearizzazione a tratti 47 Modello in alternata per bassa frequenza 49 Modello in alternata per alte frequenze 54 Modello del diodo SPICE/PSpice Diodi zener 59 Regolatore zener 60 Progetto di un regolatore di tensione a zener 63 Limitatori a zener 66 Effetti della temperatura sui diodi zener Diodo emettitore di luce (LED) Diodo a barriera Schottky Stima di potenza Dati e caratteristiche dei diodi 73 RIASSUNTO 77 BIBLIOGRAFIA 77 DOMANDE DI RASSEGNA 77 CAPITOLO 3 Applicazioni dei diodi 3.1 Introduzione Raddrizzatori a diodi 79 Raddrizzatori monofase a singola semionda 80 Raddrizzatore monofase a doppia semionda con trasformatore a presa centrale 87 Raddrizzatore monofase a doppia semionda con ponte a diodi Filtri d uscita per raddrizzatori 98 Filtri induttivi 98 Filtri capacitivi 101 Filtri LC Limitatori 108 Limitatori parallelo 108 Limitatori serie Fissatori 111 Fissatori a traslazione costante 111 Fissatori a traslazione variabile Rivelatori di picco e demodulatori 116

3 Sommario v 3.7 Moltiplicatori di tensione 119 Duplicatori di tensione 119 Triplicatori e quadruplicatori di tensione Generatori di funzioni 123 RIASSUNTO 126 BIBLIOGRAFIA 126 DOMANDE DI RASSEGNA 126 CAPITOLO 4 Introduzione agli amplificatori 4.1 Introduzione Caratteristiche degli amplificatori 128 Guadagno di tensione 128 Guadagno di corrente 129 Guadagno di potenza 129 Guadagno logaritmico 129 Resistenze d ingresso e di uscita 130 Saturazione dell amplificatore 130 Non linearità negli amplificatori Tipi di amplificatori 134 Amplificatori di tensione 134 Amplificatori di corrente 138 Amplificatori transconduttivi 143 Amplificatori transresistivi Modelli di amplificatori per PSpice/SPICE 146 Amplificatori di tensione 146 Amplificatori di corrente 146 Amplificatori transconduttivi 147 Amplificatori transresistivi Relazioni fra i guadagni 147 Amplificatori di tensione e di corrente 147 Amplificatori di tensione e transconduttivi 147 Amplificatori di tensione e transresistivi Amplificatori in cascata 149 Amplificatori di tensione in cascata 149 Amplificatori di corrente in cascata Introduzione agli amplificatori a transistori 151 Transistori bipolari a giunzione 151 Transistori a effetto di campo Risposta in frequenza degli amplificatori 160 Caratteristica passa-basso 161 Caratteristica passa-alto 163 Caratteristica passa-banda 165 Banda passante e guadagno Teorema di Miller Progetto di amplificatori 171 RIASSUNTO 173 DOMANDE DI RASSEGNA 174 CAPITOLO 5 Dispositivi per amplificatori 5.1 Introduzione Transistori bipolari a giunzione 176 Caratteristiche d ingresso e di uscita 176 Modelli per i BJT 179 Polarizzazione dei BJT 182 Progetto di una rete di polarizzazione 184

4 vi Sommario Amplificatori a emettitore comune 187 Inseguitori di emettitore 192 Amplificatori a base comune 196 Amplificatori con carichi attivi Transistori a effetto di campo 206 MOSFET ad arricchimento 206 MOSFET a svuotamento 210 Transistori a effetto di campo a giunzione 213 Modelli per i FET 215 Polarizzazione dei FET 219 Amplificatori a source comune 225 Amplificatori a drain comune 230 Amplificatori a gate comune 233 Amplificatori a FET con carichi attivi Confronto tra FET e BJT Progetto di amplificatori 238 Progetto di amplificatori a BJT 239 Progetto di amplificatori a FET 242 RIASSUNTO 245 BIBLIOGRAFIA 246 DOMANDE DI RASSEGNA 246 CAPITOLO 6 Introduzione agli amplificatori operazionali 6.1 Introduzione Caratteristiche degli amplificatori operazionali ideali Modelli PSpice/SPICE per gli amplificatori operazionali 253 Modelli lineari in continua 253 Modelli lineari in alternata 254 Macromodello non lineare Analisi di circuiti con amplificatori operazionali ideali 256 Amplificatori non invertenti 256 Amplificatori invertenti 259 Amplificatori differenziali Applicazioni degli amplificatori operazionali 263 Integratori 263 Derivatori 269 Amplificatori da strumentazione 272 Sommatori non invertenti 274 Sommatori invertenti 275 Sommatori e sottrattori 276 Circuiti di pilotaggio per fotoaccoppiatori 279 Fotorivelatori 280 Convertitori tensione-corrente 280 Voltmetri in corrente continua 281 Millivoltmetri in corrente continua 282 Convertitori di impedenza negativa 283 Generatori di corrente costante 284 Integratori non invertenti 284 Simulatori di induttanza 285 Inseguitori di tensione in ac con bootstrap Circuiti con amplificatori operazionali e diodi 288 Rivelatore del maggiore tra più segnali positivi 288 Rivelatori di picco di precisione 289 Raddrizzatori di precisione a singola semionda 289 Raddrizzatori di precisione a doppia semionda 290

5 Sommario vii Fissatori di precisione 292 Limitatori a tensione fissa 293 Limitatori a tensione regolabile 293 Limitatori di tensione con diodi zener 299 Limitatori hard Progetto di circuiti con amplificatori operazionali 303 RIASSUNTO 304 BIBLIOGRAFIA 305 DOMANDE DI RASSEGNA 306 CAPITOLO 7 Caratteristiche degli amplificatori operazionali reali 7.1 Introduzione Struttura interna degli amplificatori operazionali Parametri degli amplificatori operazionali reali 308 Resistenza d ingresso 309 Resistenza d uscita 309 Capacità d ingresso 309 Rapporto di reiezione del modo comune 310 Guadagno in tensione per grandi segnali 311 Tempo di salita 312 Guadagno ad anello aperto e larghezza di banda 312 Slew rate 316 Limiti della tensione d ingresso 318 Limiti della tensione d uscita 318 Tensione di sbilanciamento in ingresso 318 Corrente di polarizzazione di ingresso 319 Sbilanciamento di corrente in ingresso 321 Rapporto di reiezione delle variazioni della tensione di alimentazione 324 Deriva termica Regolazione dello sbilanciamento di tensione Misura dei parametri di sbilanciamento 328 RIASSUNTO 329 BIBLIOGRAFIA 329 DOMANDE DI RASSEGNA 329 CAPITOLO 8 Risposta in frequenza degli amplificatori 8.1 Introduzione Modello dipendente dalla frequenza e risposta in frequenza di BJT 332 Modello per piccoli segnali PSpice/SPICE 334 Risposta in frequenza del BJT Modello dipendente dalla frequenza e risposta in frequenza dei FET 338 Modello e risposta in frequenza dei JFET 338 Modello e risposta in frequenza dei MOSFET 339 Modello per piccoli segnali PSpice/SPICE Diagrammi di Bode 343 Amplificatori passa-basso 343 Amplificatori passa-alto 343 Amplificatori passa-banda Risposta in frequenza degli amplificatori 346 Limite inferiore di banda 347 Limite superiore di banda 348

6 viii Sommario 8.6 Metodo del corto circuito e del circuito aperto per la determinazione delle frequenze di polo 353 Metodo del corto circuito 353 Metodo del circuito aperto (o del valore nullo) 355 Guadagno a centro banda Risposta in frequenza di un amplificatore a BJT a emettitore comune 357 Limite inferiore di banda 358 Limite superiore di banda Risposta in frequenza di un amplificatore a BJT a collettore comune 363 Limite superiore di banda Risposta in frequenza di un amplificatore a BJT a base comune 367 Limite inferiore di banda 367 Limite superiore di banda Risposta in frequenza degli amplificatori a FET 370 Amplificatori a source comune 371 Amplificatori a drain comune 374 Amplificatori a gate comune Amplificatori a più stadi Risposta in frequenza di circuiti ad amplificatori operazionali 385 Risposta in frequenza di integratori ad amplificatore operazionale 385 Risposta in frequenza di un derivatore ad amplificatore operazionale Progettare amplificatori con risposta in frequenza assegnata 389 RIASSUNTO 390 BIBLIOGRAFIA 390 DOMANDE DI RASSEGNA 390 CAPITOLO 9 Filtri attivi 9.1 Introduzione Confronto tra filtri attivi e filtri passivi Tipologie di filtri attivi La funzione biquadratica Filtri di Butterworth 395 Funzione di Butterworth per n Funzione di Butterworth per n Filtri passa-basso 397 Filtri passa-basso del primo ordine 397 Filtro passa-basso del secondo ordine 400 Filtri passa-basso di Butterworth Filtri passa-alto 406 Filtri passa-alto del primo ordine 407 Filtri passa-alto del secondo ordine 408 Filtri passa-alto di Butterworth Filtri passa-banda 413 Filtri a banda larga 414 Filtri a banda stretta Filtri elimina-banda 419 Filtri a reiezione di banda a banda larga 420 Filtri a reiezione di banda a banda stretta 422

7 Sommario ix 9.10 Filtri passa-tutto Filtri a condensatori commutati 425 Resistori a condensatori commutati 425 Integratori a condensatori commutati 427 Filtri universali a condensatori commutati Linee guida per il progetto di filtri 429 RIASSUNTO 430 BIBLIOGRAFIA 430 DOMANDE DI RASSEGNA 431 CAPITOLO 10 Amplificatori in reazione 10.1 Introduzione Reazione Analisi della reazione 436 Sensitività del guadagno 437 Sensitività del fattore di reazione 438 Risposta in frequenza 439 Distorsioni Topologie di amplificatori in reazione Analisi di amplificatori reazionati Reazione di tensione-serie 446 Analisi di una rete con reazione di tensione-serie ideale 448 Analisi di una rete reale in reazione di tensione-serie Reazione di corrente-serie 455 Analisi di una rete in reazione di corrente-serie ideale 456 Analisi di una rete in reazione di corrente-serie reale Reazione di tensione-parallelo 463 Analisi di una rete ideale in reazione di tensione-parallelo 464 Analisi di una rete reale in reazione di tensione-parallelo Reazione di corrente-parallelo 472 Analisi di una rete ideale in reazione di corrente-parallelo 473 Analisi di una rete reale in reazione di tensione-serie Progetto del circuito in reazione Analisi della stabilità 492 Poli e instabilità 483 Criterio di Nyquist per la stabilità 485 Stabilità relativa 487 Effetti del margine di fase 488 Analisi della stabilità con i diagrammi di Bode Tecniche di compensazione 492 Aggiunta di un polo dominante 492 Modifica del polo dominante 494 Compensazione di Miller e separazione dei poli 496 Modifica del circuito di reazione 497 RIASSUNTO 501 BIBLIOGRAFIA 501 DOMANDE DI RASSEGNA 502 CAPITOLO 11 Oscillatori 11.1 Introduzione Principi di funzionamento degli oscillatori 504 Stabilità di frequenza 507 Stabilità di ampiezza Oscillatori a rete di sfasamento 508

8 x Sommario 11.4 Oscillatori in quadratura Oscillatori trifase Oscillatori a ponte di Wien Oscillatori di Colpitts Oscillatori di Hartley Oscillatori quarzati Oscillatori a filtro attivo accordato Progetto di oscillatori 534 RIASSUNTO 536 BIBLIOGRAFIA 536 DOMANDE DI RASSEGNA 536 CAPITOLO 12 Introduzione all elettronica digitale 12.1 Introduzione Stati logici Porte logiche Parametri di prestazione delle porte logiche 540 Caratteristica di trasferimento in tensione 541 Margini di immunità al rumore 542 Fan-Out e Fan-In 543 Ritardo di propagazione 545 Dissipazione di potenza 546 Prodotto ritardo-consumo Invertitori NMOS 549 Invertitore NMOS con carico ad arricchimento 549 Invertitore NMOS con carico a svuotamento 556 Confronto tra gli invertitori NMOS Circuiti logici NMOS 563 Porte di trasmissione NMOS 564 Porte NOR NMOS 564 Porte NAND NMOS Invertitori CMOS Circuiti logici CMOS 570 Porte di trasmissione CMOS 570 Porte NOR e NAND CMOS 572 Famiglie logiche CMOS Confronto tra porte logiche NMOS e CMOS Invertitori a BJT 574 Caratteristica di trasferimento in tensione 575 Caratteristiche in commutazione Porte logiche TTL 580 Porte TTL Standard 581 Porte NAND TTL ad alta velocità 587 Porte NAND TTL Schottky Porte OR/NOR in logica a emettitori accoppiati (ECL) Invertitori BiCMOS 599 Ritardo di propagazione Interfacciamento di porte logiche 601 Interfacciamento TTL-CMOS 602 Interfacciamento CMOS-TTL Confronto tra porte logiche Progetto di circuiti logici 606 RIASSUNTO 608 BIBLIOGRAFIA 609 DOMANDE DI RASSEGNA 609

9 Sommario xi CAPITOLO Introduzione 611 Generatori attivi 13.2 Struttura interna degli amplificatori differenziali 612 e amplificatori differenziali 13.3 Generatori di corrente a BJT 613 Generatore di corrente elementare 613 Generatore di corrente elementare modificato 615 Generatore di corrente di Widlar 617 Generatore di corrente cascode 621 Generatore di corrente di Wilson 621 Generatori di corrente multipli Generatori di corrente a JFET Generatori di corrente a MOSFET 628 Generatori di corrente elementare 628 Generatori di corrente multipli 631 Generatore di corrente cascode 631 Generatore di corrente di Wilson Progetto di generatori di corrente attivi Generatori di tensione attivi 634 Trasformazione d impedenza 634 Reazione negativa 635 Trasformazione d impedenza con reazione negativa Caratteristiche degli amplificatori differenziali Amplificatori differenziali a BJT 639 Caratteristica di trasferimento in continua 639 Analisi per piccoli segnali Amplificatori differenziali a BJT con carico attivo 648 Analisi per piccoli segnali 649 Amplificatore differenziale con specchio di corrente modificato 650 Amplificatore differenziale cascode Amplificatori differenziali a JFET 653 Coppia differenziale a JFET 654 Coppia differenziale JFET con carico attivo Amplificatori differenziali a MOS 662 Coppia differenziale NMOS 662 Coppia differenziale MOS con carico attivo Amplificatori differenziali BiCMOS 668 Confronto tra amplificatori a BJT e CMOS 668 Amplificatori BiCMOS 669 Amplificatori BiCMOS cascode Risposta in frequenza degli amplificatori differenziali Progetto di amplificatori differenziali 675 RIASSUNTO 675 BIBLIOGRAFIA 676 DOMANDE DI RASSEGNA 676 CAPITOLO 14 Amplificatori di potenza 14.1 Introduzione Classificazione degli amplificatori di potenza Inseguitori di emettitore 679 Caratteristica di trasferimento 680 Forme d onda 680 Potenza di uscita e rendimento 681

10 xii Sommario 14.4 Amplificatori in classe A 684 Amplificatore a emettitore comune elementare 684 Amplificatori a emettitore comune 686 Amplificatore con carico accoppiato a trasformatore Amplificatori push-pull in classe B 690 Amplificatori push-pull complementari 690 Amplificatori push-pull accoppiati a trasformatore Amplificatori push-pull complementari in classe AB 698 Caratteristica di trasferimento 699 Potenza di uscita e rendimento 700 Polarizzazione a diodi 700 Polarizzazione con diodi e generatore di corrente attivo 701 Polarizzazione con moltiplicatore di V BE Amplificatori push-pull in classe AB quasi-complementari Amplificatori push-pull in classe AB accoppiati a trasformatore Protezione termica e contro il corto circuito 710 Protezione contro il corto circuito 710 Protezione termica Amplificatori operazionali di potenza 711 Amplificatori di potenza integrati 712 Amplificatore a ponte Considerazioni termiche 715 Resistenza termica 715 Dissipatore e flusso di calore 716 Dissipazione di potenza in funzione della temperatura Progetto di amplificatori di potenza 719 RIASSUNTO 719 BILIOGRAFIA 719 DOMANDE DI RASSEGNA 720 CAPITOLO 15 Amplificatori operazionali 15.1 Introduzione Struttura interna degli amplificatori operazionali Parametri degli amplificatori operazionali 722 Correnti di polarizzazione in ingresso 723 Sbilanciamento delle correnti di ingresso 723 Tensione di sbilanciamento in ingresso e deriva termica 724 Rapporto di reiezione del modo comune 726 Resistenza di ingresso 726 Resistenza di uscita 729 Risposta in frequenza 730 Pendenza massima Amplificatori operazionali a JFET 735 Amplificatore operazionale JFET LH Amplificatore operazionale JFET LF Amplificatore operazionale JFET LH Amplificatore operazionale JFET LH Amplificatori operazionali CMOS 743 Amplificatore operazionale CMOS MC Amplificatore operazionale CMOS TLC Amplificatori operazionali BiCMOS 748 Amplificatore operazionale BiCMOS CA Amplificatore operazionale BiCMOS CA

11 Sommario xiii 15.7 Amplificatori operazionali bipolari 750 Amplificatore operazionale bipolare LM Amplificatore operazionale bipolare LM Analisi dell amplificatore operazionale LM Analisi statica 754 Analisi dinamica per piccoli segnali 760 Analisi della risposta in frequenza 768 Circuito equivalente per piccoli segnali Progetto di amplificatori operazionali 769 RIASSUNTO 769 BIBLIOGRAFIA 770 DOMANDE DI RASSEGNA 770 CAPITOLO 16 Circuiti integrati analogici e loro applicazioni 16.1 Introduzione Comparatori 771 Confronto tra comparatori e amplificatori operazionali 772 Collegamento dell uscita 773 Comparatori a soglia Rivelatori di attraversamento di zero Trigger di Schmitt 776 Trigger di Schmitt invertente 776 Trigger di Schmitt non invertente 779 Trigger di Schmitt con tensione di riferimento 780 Effetti dell isteresi sulla tensione di uscita Generatori di onda quadra Generatori di onda triangolare Generatori di onda a dente di sega Oscillatori controllati in tensione 794 Modalità di carica 794 Modalità di scarica 794 Implementazione del circuito 795 Il VCO NE/SE Il timer Schema a blocchi funzionale 799 Multivibratore monostabile 800 Applicazioni dei multivibratori monostabili 802 Multivibratori astabili 804 Applicazioni dei multivibratori astabili Anelli ad aggancio di fase 811 Rivelatore di fase 811 PLL integrati 813 Applicazioni del PLL Convertitori tensione-frequenza e frequenza-tensione 818 Convertitore V/F 818 Convertitore F/V Circuiti di campionamento e mantenimento 825 Amplificatori operazionali campionatori 827 Circuiti campionatori integrati Convertitori digitale-analogico 829 Convertitore D/A a resistenze pesate 829 Convertitore D/A con rete a scala R-2R 830 Convertitori D/A integrati 832

12 xiv Sommario Convertitori analogico-digitale 835 Convertitore A/D ad approssimazioni successive 835 Convertitori A/D integrati Progettazione di circuiti con IC analogici 839 RIASSUNTO 840 BIBLIOGRAFIA 840 DOMANDE DI RASSEGNA 840 A PPENDICI Appendice A: Introduzione a PSpice Appendice B: Riepilogo di teoria dei circuiti Le appendici sono disponibili online nel booksite abbinato al libro: