Sistemi Elettronici. Introduzione e richiami. Amplificatori e doppi bipoli Politecnico di Torino 1

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1 Amplificatori e doppi bipoli 2005 Politecnico di Torino 1

2 Amplificatori e doppi bipoli Simulatore PSPICE Tipi di amplificatori e loro parametri Amplificatori Operazionali e reazione negativa Amplificatori AC e differenziali Amplificatori Operazionali reali Misure su circuiti con amplificatori Esempi ed esercizi Politecnico di Torino 2

3 Obiettivi e organizzazione del modulo Materiale didattico e prerequisiti Moduli funzionali Segnali in tempo e in frequenza Segnali analogici e numerici Vantaggi della tecnologia digitale riferimenti nel testo: Cap. 1 4 Corsi di Elettronica di base Matematica, informatica, elettrotecnica, fisica SISTEMI ELETTRONICI Concetti base e metodologie, funzioni dei moduli, segnali e interfacciamento Politecnico di Torino 3

4 Corsi di Elettronica di base Matematica, informatica, elettrotecnica, fisica SISTEMI ELETTRONICI COMPONENTI E TECNOLOGIE ELETTRONICHE SPECIALISTICHE ELETTRONICHE SPECIALISTICHE Concetti base e metodologie, funzioni dei moduli, segnali e interfacciamento Struttura interna dei moduli, modelli, componenti, tecnologie Applicazioni specifiche dell area (informatica, tlc, ) 6 Corso Sistemi Elettronici SISTEMA APPLICAZIONE MODULO FUNZIONE Corso di Sistemi Corso di Dispositivi STRUTTURA COMPONENTI TECNOLOGIA Politecnico di Torino 4

5 Struttura di questo corso A introduzione, moduli analogici, amplificatori operazionali B moduli digitali, circuiti combinatori, sistemi sequenziali C sistemi misti A/D, metodi di progetto, architetture Dante Del corso 8 Struttura di questo corso A introduzione, moduli analogici, amplificatori operazionali B moduli digitali, circuiti combinatori, sistemi sequenziali C sistemi misti A/D, metodi di progetto, architetture Danilo Demarchi Politecnico di Torino 5

6 Struttura di questo corso A introduzione, moduli analogici, amplificatori operazionali B moduli digitali, circuiti combinatori, sistemi sequenziali C sistemi misti A/D, metodi di progetto, architetture Mariagrazia Graziano 10 Organizzazione di ciascuna unità Indicazione dei prerequisiti e degli obiettivi Lezioni con elementi di teoria esempi ed esercizi documenti esterni informazioni di dettaglio o aggiuntive aperti con hotwords nelle slide stampabili prima di seguire la lezione domande di riepilogo Lezione dedicata esclusivamente ad esercizi Politecnico di Torino 6

7 Esempi, esercizi, test Esempi problemi completamente svolti, dalle specifiche al risultato numerico Esercizi Test vengono fornite le specifiche e i risultati, con indicazioni sulla soluzione domande al termine di ogni lezione viene indicato dove si può trovare la risposta verificare la comprensione dei punti chiave 12 Scopo di esercizi e test principio base: I guasti devono essere individuati prima possibile prima della consegna al cliente finale Politecnico di Torino 7

8 Scopo di esercizi e test principio base: I guasti devono essere individuati prima possibile prima della consegna al cliente finale lacune e incomprensioni vanno corrette PRIMA dell esame Scopo dei test individuare prontamente eventuali lacune Scopo degli esercizi applicare la teoria a nuove situazioni 14 Esercitazioni di laboratorio l ingegnere utilizza modelli matematici per descrivere/progettare il comportamento del mondo fisico la correttezza di un modello deve essere verificata con esperimenti Politecnico di Torino 8

9 Esercitazioni di laboratorio l ingegnere utilizza modelli matematici per descrivere/progettare il comportamento del mondo fisico la correttezza di un modello deve essere verificata con esperimenti Il corso comprende esercitazioni di laboratorio, con l obiettivo di verificare correttezza e limiti dei modelli usati abituare al lavoro sperimentale e all uso degli strumenti Politecnico di Torino 9

10 Obiettivi e organizzazione e del modulo Materiale didattico e prerequisiti Moduli funzionali Segnali in tempo e in frequenza Segnali analogici e numerici Vantaggi della tecnologia digitale riferimenti nel testo: Cap Testi di riferimento R.C. Jaeger, T.N. Blalock: MICROELETTRONICA McGraw Hill (IT) 2004 riferimenti in ciascuna lezione Politecnico di Torino 10

11 Testi di riferimento R.C. Jaeger, T.N. Blalock: MICROELETTRONICA McGraw Hill (IT) 2004 riferimenti in ciascuna lezione altri testi adeguati: J. Millman, A. Grabel: Microelectronics (II ed.), McGraw Hill/Boringhieri A.Sedra, K.Smith: Circuiti per la microelettronica, Saunders publishing/ediz. Ingegneria Per tutti meglio l edizione inglese! 20 Altro materiale didattico CD con videolezioni esercizi e test di autovalutazione esempi di scritti di esame documenti di approfondimento Materiale in rete collocazione indicata nei tutorati versioni aggiornate di quanto presente sul CD Materiale per il corso in presenza stessi contenuti, esami molto simili Politecnico di Torino 11

12 Materiale dai corsi in presenza Sviluppato dal gruppo di docenti di Sistemi Elettronici Disponibile attraverso il portale della didattica o il servizio Ulisse esercizi esempi di scritti di esame scritti di esame risolti manuali di laboratorio simulatori credits 22 Prerequisiti Matematica sistemi di equazioni lineari equazioni differenziali serie di Fourier Elettrotecnica risoluzione di reti RLC con generatori pilotati metodo simbolico Informatica algebra di Boole Politecnico di Torino 12

13 Verifica dei prerequisiti E disponibile un test di prerequisiti obiettivo: valutare se si è in grado di seguire proficuamente il modulo, selezionare cosa è bene ripassare Stampare e compilare il modulo: domande a risposte multiple dedicare alla compilazione 20 Verificare le soluzioni Politecnico di Torino 13

14 Obiettivi e organizzazione e del modulo Materiale didattico e prerequisiti Moduli funzionali Segnali in tempo e in frequenza Segnali analogici e numerici Vantaggi della tecnologia digitale riferimenti nel testo: Cap Sistemi elettronici e moduli Un sistema elettronico è fatto di moduli interconnessi Politecnico di Torino 14

15 Come usare i moduli La maggior parte dei progettisti utilizza moduli e componenti costruiti da altri 28 Perché iniziamo dai sistemi? Per usare un modulo occorre conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna cosa fa il modulo? FUNZIONE Politecnico di Torino 15

16 Perché iniziamo dai sistemi? Per usare un modulo occorre conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna cosa fa il modulo? FUNZIONE quanta e quale energia richiede? ALIMENTAZIONE 30 Perché iniziamo dai sistemi? Per usare un modulo occorre conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna cosa fa il modulo? FUNZIONE quanta e quale energia richiede? ALIMENTAZIONE come parla con gli altri moduli? SEGNALI Politecnico di Torino 16

17 Oggetto dell analisi Come possiamo analizzare, capire, progettare oggetti complessi? Come possiamo descrivere funzioni e strutture? analisi della struttura come è fatto? scomposizione funzionale cosa fa? 32 Sistema di riferimento Sistema di riferimento per questa lezione: telefono cellulare sistema complesso (~ transistori) campionario di diversi aspetti dell elettronica funzioni diversificate tecnologie moderne Politecnico di Torino 17

18 Scomposizione funzionale MODULI FUNZIONALI SENSORI tastiera, microfono, antenna,.. ATTUATORI auricolare, display, antenna,... SISTEMA ELETTRONICO (telefono cellulare) 34 Struttura: schema a blocchi Vista dettagliata Politecnico di Torino 18

19 Schema a blocchi comprensibile DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE A/D D/A MICROP. DSP, MEM CATENA RX OSCILLATORI RX E TX MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY 36 Blocco 1: deviatore di antenna ANTENNA DEVIATORE DI ANTENNA RC Filter TxEN GSM EN DCS EN PCS EN ANTENNA SWITCH RX GSM HARMONIC FILTER DCS TX (PA) PCS Politecnico di Torino 19

20 Deviatore di antenna: funzione Descrizione FUNZIONALE Commutare l antenna tra trasmettitori e ricevitori Gruppo di moduli correlati a questa specifica funzione HARMONIC FILTER ANTENNA ANTENNA SWITCH RX RC Filter TxEN GSM EN DCS EN PCS EN GSM DCS TX (PA) PCS 38 V1 V2 Deviatore di antenna: schema Schema elettrico del deviatore Tx Ant Rx3 Rx1 Rx2 Sono riconoscibili componenti elementari (R, C, FET) e le loro interconnessioni ANTENNA SWITCH V Politecnico di Torino 20

21 Deviatore di antenna: struttura V1 V2 Tx Ant Rx3 Rx1 Rx2 V3 Aspetto fisico del deviatore; all interno sono presenti resistenze, condensatori, transistori collegati come indicato nello schema elettrico ANTENNA SWITCH 40 Altri moduli Amplificatori, filtri Oscillatori Convertitori A/D e D/A Memoria, microprocessori Interfaccia display, SIM ALTRI MODULI A/D D/A MICROP DSP, MEM,.... TASTIERA, DISPLAY, AURICOLARE, ANTENNA, Politecnico di Torino 21

22 Perché iniziamo dai sistemi? Per usare un modulo occorre conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna cosa fa il modulo? FUNZIONE quanta e quale energia richiede? ALIMENTAZIONE come parla con gli altri moduli? SEGNALI 42 Da dove arriva l energia? Segnali (trasportano informazione) Alimentazioni (trasportano energia) Val INFO IN INFO OUT GND L energia richiesta per il funzionamento viene distribuita come tensione continua Politecnico di Torino 22

23 Sottosistema di alimentazione Obiettivi Moduli ridurre la produzione di calore massima durata e rapida ricarica delle batterie minimo inquinamento (batterie) alimentatore da rete, regolatori, caricabatterie batteria circuiti per distribuzione e gestione della potenza E un sottosistema complesso! 44 Perché iniziamo dai sistemi? Per usare un modulo occorre conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna cosa fa il modulo? FUNZIONE quanta e quale energia richiede? ALIMENTAZIONE come parla con gli altri moduli? SEGNALI Politecnico di Torino 23

24 Cosa sono i segnali? Nei sistemi elettronici l informazione è associata a grandezze elettriche tensioni correnti frequenza. Queste grandezze sono i segnali Per trasportare informazione occorrono variazioni delle grandezze che rappresentano segnali Politecnico di Torino 24

25 Obiettivi e organizzazione e del modulo Materiale didattico e prerequisiti Moduli funzionali Segnali in tempo e in frequenza Segnali analogici e numerici Vantaggi della tecnologia digitale riferimenti nel testo: Cap Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE A/D D/A MICROP. DSP, MEM CATENA RX OSCILLATORI RX E TX MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY Politecnico di Torino 25

26 Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE A/D D/A MICROP. DSP, MEM CATENA RX Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM OSCILLATORI RX E TX MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY 50 Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE A/D D/A MICROP. DSP, MEM CATENA RX OSCILLATORI RX E TX CATENA TX ALIMENTAZIONE MODULATORE CONTROLLO POTENZA Segnali analogici bassa frequenza 300 Hz-3 khz TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY Politecnico di Torino 26

27 Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE Segnali digitali 1 bit/n bit CATENA RX A/D D/A MICROP. DSP, MEM OSCILLATORI RX E TX MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY 52 Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE A/D D/A MICROP. DSP, MEM CATENA RX OSCILLATORI RX E TX MODULATORE Alimentazione: tensioni continue stabilizzate, per CATENA tutti i moduli TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY Politecnico di Torino 27

28 Segnali analogici a bassa frequenza DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE A/D D/A MICROP. DSP, MEM CATENA RX OSCILLATORI RX E TX CATENA TX ALIMENTAZIONE MODULATORE CONTROLLO POTENZA Segnali analogici bassa frequenza 300 Hz-3 khz TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY 54 Segnali audio Nei circuiti associati a microfono e auricolare sono presenti segnali analogici a bassa frequenza (audio) Banda audio telefonica: frequenze da 300 Hz a 3 khz Banda audio HiFi frequenze da 20 Hz a 20 khz Politecnico di Torino 28

29 Esempio: segnale sinusoidale (tono) v(t) = V sen (ωt + φ) V = valore di picco (volt, V) ω = pulsazione (radianti/secondo), (frequenza f = ω/2π, in Hz; periodo T = 1/f) φ = fase (radianti) V(t) tempo Tono a 500 Hz 2 ms 56 Altri segnali analogici Triangolare Voce somma di componenti sinuosoidali, a frequenze tra 300 Hz e 3 khz Altre forme d onda Politecnico di Torino 29

30 Segnali a frequenza elevata DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE A/D D/A MICROP. DSP, MEM CATENA RX Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM OSCILLATORI RX E TX MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY 58 Segnali a radiofrequenza Nei circuiti in prossimità dell antenna sono presenti segnali sinusoidali a radiofrequenza (frequenza elevata: 800 MHz - 1,8 GHz circa) amplificatori e interconnessioni particolari. esempio: segnale non modulato a 800 MHz 1 ns tempo (2 ms per segnale audio) tabella riassuntiva Politecnico di Torino 30

31 Rappresentazione in tempo Un segnale può essere visualizzato in funzione del tempo: asse Y ampiezza Strumento: oscilloscopio asse X: tempo 60 Rappresentazione in frequenza Un segnale può essere visualizzato indicando le sue componenti in funzione della frequenza Strumento: analizzatore di spettro asse Y ampiezza II armonica III armonica fondamentale Componente continua (DC) Rumore di base f = 0 asse X: frequenza Politecnico di Torino 31

32 Legame tempo - frequenza Variazioni rapide del segnale corrispondono a componenti a frequenza elevata t 0 banda f criteri generali Politecnico di Torino 32

33 Obiettivi e organizzazione e del modulo Materiale didattico e prerequisiti Moduli funzionali Segnali in tempo e in frequenza Segnali analogici e numerici Vantaggi della tecnologia digitale riferimenti nel testo: Cap Segnali analogici Il segnale analogico è continuo in tempo: definito per qualsiasi istante di tempo (entro un intervallo) in ampiezza: qualsiasi valore (entro un intervallo) Parametri: intervallo di ampiezza max e min (dinamica), contenuto spettrale limiti di banda, forma dello spettro Politecnico di Torino 33

34 Segnali digitali DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE A/D D/A MICROP. DSP, MEM CATENA RX Segnali digitali 1 bit/n bit OSCILLATORI RX E TX MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY 66 Segnali digitali reali Il segnale digitale è una sequenza di numeri, generalmente in base Politecnico di Torino 34

35 Segnali digitali reali Il segnale digitale è una sequenza di numeri, generalmente in base 2 discreto in tempo: è definito solo per alcuni istanti di tempo entro un intervallo t1 t2 t3 t4 t5 68 Segnali digitali reali Il segnale digitale è una sequenza di numeri, generalmente in base 2 discreto in tempo: è definito solo per alcuni istanti di tempo entro un certo intervallo discreto in ampiezza: può assumere solo alcuni valori entro un certo intervallo 8 bit, 2 8 = 256 valori Politecnico di Torino 35

36 Limiti della rappresentazione digitale I valori sono definiti solo a determinati tempi: campionamento intervallo tra campioni Ts, Fs = 1/Ts rappresentabili segnali con banda Fa < Fs/2 (criterio di Nyquist) esempio: Fs = 20 khz, Fa = 10 khz Il numero di valori rappresentabili è limitato quantizzazione: N bit : 2 N valori simulatore degli effetti della quantizzazione 70 Segnali binari nel tempo L evoluzione nel tempo di un segnale binario è rappresentata da una sequenza di bit: due livelli 1/0, o H/L (1 bit) (discreto in ampiezza) definito a intervalli Ts (discreto nel tempo) valore H L Ts tempo Politecnico di Torino 36

37 Diagrammi temporali La rappresentazione discreta (punti) diventa un diagramma temporale, analogo a quello utilizzato per i segnali analogici valore H L Ts tempo 72 Rappresentazione degli stati logici Gli stati logici (H/L, 0/1, ) sonorappresentati con tensioni (V), con una regola ben definita: stato alto, H, 1,... 3 V stato basso, L, 0,... 0,5 V 3 V 0,5 V t H L H H L Politecnico di Torino 37

38 Obiettivi e organizzazione e del modulo Materiale didattico e prerequisiti Moduli funzionali Segnali in tempo e in frequenza Segnali analogici e numerici Vantaggi della tecnologia digitale riferimenti nel testo: Cap Politecnico di Torino 38

39 Rumore e disturbi L informazione è spesso associata all ampiezza di un segnale, ma 76 Rumore e disturbi a ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore di entità variabile Politecnico di Torino 39

40 Rumore e disturbi a ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore di entità variabile il rumore NON trasporta informazione utile 78 Degrado del segnale analogico Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore Politecnico di Torino 40

41 Degrado del segnale analogico Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore 80 Degrado del segnale analogico Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore Per il segnale analogico il rumore determina una degradazione non recuperabile dell informazione Politecnico di Torino 41

42 Degrado del segnale digitale Nel segnale digitale la degradazione del segnale dovuta al rumore è ancora presente 82 Degrado del segnale digitale Nel segnale digitale la degradazione del segnale dovuta al rumore è ancora presente Politecnico di Torino 42

43 Degrado del segnale digitale Nel segnale digitale la degradazione del segnale dovuta al rumore è ancora presente ma recuperabile (se contenuta entro certi limiti) 84 Ripristino del segnale digitale Grazie alla discretizzazione in ampiezza del segnale digitale, è possibile ricostruire il valore originario confrontando il segnale con una soglia Politecnico di Torino 43

44 Recupero del segnale digitale Il segnale digitale può essere ripristinato a intervalli regolari, quindi gli effetti del rumore non sono cumulativi Questo consente di eseguire sul segnale catene di operazioni complesse (con tecniche digitali) Perché non vi sia perdita di informazione il rumore deve essere limitato il segnale deve essere periodicamente ricostruito. simulatori degli effetti del rumore sul sito Ulisse 86 Interfaccia verso il mondo esterno I segnali fisici (trasduttori e attuatori) sono prevalentemente analogici L interfaccia tra elettronica e mondo esterno deve essere di tipo analogico SISTEMA ELETTRONICO SEGNALI ANALOGICI Politecnico di Torino 44

45 Sequenza A/D/A L elettronica è prevalentemente digitale occorre convertire i segnali da analogici a numerici, e viceversa: conversione ANALOGICO/DIGITALE (A/D) conversione DIGITALE/ANALOGICO (D/A) SISTEMA ELETTRONICO A/D SISTEMA NUMERICO D/A SEGNALI ANALOGICI 88 Sequenza A/D/A Un sistema elettronico comprende una catena di unità funzionali: interfacce verso il mondo esterno analogico (sensori, trasduttori IN) trattamentoanalogico del segnale convertitori A/D trattamento numerico del segnale convertitori D/A trattamentoanalogico del segnale interfacce verso il mondo esterno analogico (attuatori, trasduttori OUT) Politecnico di Torino 45

46 Sequenza A/D/A Più in dettaglio SENSORI SISTEMA (ANALOG.) A/D D/A NUMERICO ATTUATORI (ANALOG.) 90 Dove va l elettronica Da SENSORI (ANALOG.) A/D SISTEMA NUMERICO D/A ATTUATORI (ANALOG.) Politecnico di Torino 46

47 Dove va l elettronica Da SENSORI (ANALOG.) A/D SISTEMA NUMERICO D/A ATTUATORI (ANALOG.) a SENSORI SISTEMA (ANALOG.) A/D D/A NUMERICO ATTUATORI (ANALOG.) 92 Migrazione verso il digitale, perchè Sono disponibili strumenti automatici per il progetto e la realizzazione di moduli digitali Politecnico di Torino 47

48 Migrazione verso il digitale, perchè Sono disponibili strumenti automatici per il progetto e la realizzazione di moduli digitali Si possono ottenere circuiti integrati digitali di complessità più alta rispetto a quelli analogici 94 Migrazione verso il digitale, perchè Sono disponibili strumenti automatici per il progetto e la realizzazione di moduli digitali Si possono ottenere circuiti integrati digitali di complessità più alta rispetto a quelli analogici La realizzazione di circuiti integrati digitali ha costi più bassi Politecnico di Torino 48

49 Migrazione verso il digitale, perchè Sono disponibili strumenti automatici per il progetto e la realizzazione di moduli digitali Si possono ottenere circuiti integrati digitali di complessità più alta rispetto a quelli analogici La realizzazione di circuiti integrati digitali ha costi più bassi Il comportamento dei circuiti digitali è facilmente modificabile (attraverso il SW o altra programmazione) 96 Limiti del digitale a Presenza intrinseca di errori dovuti a risoluzione finita (quantizzazione delle ampiezze) legata al numero di bit N, campionamento legato alla densità nel tempo dei campioni Politecnico di Torino 49

50 Limiti del digitale a Presenza intrinseca di errori dovuti a risoluzione finita (quantizzazione delle ampiezze) legata al numero di bit N, campionamento legato alla densità nel tempo dei campioni Le variabili digitali sono rappresentate da segnali analogici (V, I, ) segnali digitali ad alta velocità vanno trattati come analogici 98 Limiti del digitale b Alcuni tipi di segnale possono essere solo analogici radiofrequenza uscite di trasduttori comandi ad attuatori Il limite si sposta continuamente 2005: al di sotto di ~100 MHz è possibile avere tutto digitale Politecnico di Torino 50

51 Sommario lezione A0 Obiettivi e organizzazione e del modulo Materiale didattico e prerequisiti Moduli funzionali Segnali in tempo e in frequenza Segnali analogici e numerici Vantaggi della tecnologia digitale Domande di riepilogo Politecnico di Torino 51