Informazioni logistiche e organizzative Applicazione di riferimento. caratteristiche e tipologie di moduli. Circuiti con operazionali reazionati

Transcript

1 Elettronica per telecomunicazioni Contenuto dell unità A Informazioni logistiche e organizzative Applicazione di riferimento caratteristiche e tipologie di moduli Circuiti con operazionali reazionati amplificatori AC filtri attivi Amplificatori con transistori modello lineare effetti e uso delle nonlinearità Oscillatori, Mixer 2

2 Lezione A2 Filtri Moduli filtro in termini funzionali Tipi, parametri, approssimazioni Diverse tecniche realizzative Esempio di uso strumenti CAD Esempi di circuiti per realizzare fdt del II ordine Esempio di progetto Riferimenti nel testo Filtri attivi con A.O Circuiti a capacità commutate Elettronica per telecomunicazioni

3 Indice della lezione A2 Filtri: caratteristiche funzionali tipi, parametri, approssimazioni Filtri attivi con A.O. (audio) sequenza di progetto esempio di strumenti CAD esempi di circuiti per realizzare fdt del II ordine circuiti a capacità commutate Esercitazione di laboratorio progetto e misure di filtro passa basso 5 Filtri: funzione e parametri Specifica funzionale di un filtro: Modulo con risposta in frequenza controllata Parametri: tipo di funzione di trasferimento Passa basso Passa alto Passa banda/risonanti Elimina banda/notch 6

4 Filtro passa basso Passa basso Anti-aliasing per A/D, ricostruzione per D/A filtri attivi R, C, A.O. capacità commutate (SC) Attenuazione w Banda passante Banda attenuata Frequenza di taglio 7 Filtro passa alto Passa alto w togliere la continua cella RC fissare un limite inferiore di banda per il segnale filtri attivi R, C, A.O. capacità commutate (SC) 8

5 Filtri passa banda Passa banda w Ingresso RF - LNA, uscita RF - PA eliminare segnali fuori banda ridurre emissione di armoniche e spurie circuiti risonanti Canali IF eliminare rumore fuori banda circuiti risonati LC, quarzo, SAW, digitali 9 Filtri: altri esempi Elimina banda Catene di amplificazione con disturbi Notch eliminare disturbi specifici Ingresso RF, canali IF eliminare disturbi specifici Eliminare disturbi a una frequenza ben precisa circuiti risonanti R, C, A.O. ω ω 10

6 Filtri: approssimazioni Riferimento: passa-basso 11 Filtri: approssimazioni Riferimento: passa-basso E possibile realizzare solo approssimazioni delle funzioni ideali principio di causalità banda limitata = segnale non limitato in tempo tolleranze dei componenti Approssimazione con funzioni polinomiali 12

7 Filtri: struttura Polinomia coeff. reali sono scomponibili in termini del I e II ordine a coeff. reali., con radici reali o complesse coniugate Fdt di ordine N (>2) sono realizzate come cascate di celle del II ordine (o I ordine) ω 13 Filtri: tecniche realizzative Filtri analogici Filtri LC (induttanze e capacità) ingombro, parametri parassiti 14

8 Filtri: tecniche realizzative Filtri analogici Filtri LC (induttanze e capacità) ingombro, parametri parassiti Filtri Attivi (Amplificatori + RC) consumo, limiti degli elementi attivi 15 Filtri: tecniche realizzative Filtri analogici Filtri LC (induttanze e capacità) ingombro, parametri parassiti Filtri Attivi (Amplificatori + RC) consumo, limiti degli elementi attivi Filtri a capacità commutate (SC) buona precisione degli elementi passivi tecnicacorrente attuale 16

9 Filtri: tecniche realizzative Filtri digitali o numerici richiedono conversione A/D e D/A errori per campionamento e quantizzazione più versatili maggiore complessità (numero di transistori) progetto semiautomatico realizzabile in SW o EPLD (modificabili!) maggiori consumi 17 Elettronica per telecomunicazioni

10 Indice della lezione A2 Filtri: caratteristiche funzionali tipi, parametri, approssimazioni Filtri attivi con A.O. (audio) sequenza di progetto esempio di strumenti CAD esempi di circuiti per realizzare fdt del II ordine circuiti a capacità commutate Esercitazione di laboratorio progetto e misure di filtro passa basso 19 Filtri: procedura di progetto Definizione delle specifiche (maschera del filtro) guadagno in banda passante frequenza di taglio, attenuazione 20

11 Filtri: procedura di progetto Definizione delle specifiche (maschera del filtro) guadagno in banda passante frequenza di taglio, attenuazione Progetto del filtro quale tipo di approssimazione, quanti poli/celle? 21 Filtri: procedura di progetto Definizione delle specifiche (maschera del filtro) guadagno in banda passante frequenza di taglio, attenuazione Progetto del filtro quale tipo di approssimazione, quanti poli/celle? Scelta della tecnologia analogico o digitale? con quale tecnica realizzare le celle? 22

12 Filtri: procedura di progetto Definizione delle specifiche (maschera del filtro) guadagno in banda passante frequenza di taglio, attenuazione Progetto del filtro quale tipo di approssimazione, quanti poli/celle? Scelta della tecnologia analogico o digitale? con quale tecnica realizzare le celle? Progetto del circuito valore dei componenti, tolleranze ammesse 23 Filtri: tipo di approssimazione La funzione di trasferimento ideale viene approssimata come rapporto di polinomi Diverse possibilità di approssimazione; esempi: Bessel fase lineare, nessuna ondulazione in banda Butterworth nessuna ondulazione in banda Chebycheff ondulazione in banda, molto ripido 24

13 Uso delle tabelle Ogni cella ha una risposta del II ordine definita dai due parametri ω O e ξ Progetto sviluppato partendo da ω O e ξ Per la verifica o taratura, ω O e ξ non sono direttamente misurabili misura di posizione e ampiezza del picco (ω α ) le tabelle devono fornire 4 parametri (due per il progetto e due per verifica/taratura) 25 Elettronica per telecomunicazioni

14 Indice della lezione A2 Filtri: caratteristiche funzionali tipi, parametri, approssimazioni Filtri attivi con A.O. (audio) sequenza di progetto esempio di strumenti CAD esempi di circuiti per realizzare fdt del II ordine circuiti a capacità commutate Esercitazione di laboratorio progetto e misure di filtro passa basso 27 Strumenti CAD Sono disponibili tabelle e numerosi strumenti CAD per il progetto dei filtri L esempio di questa lezione usa FilterCAD Può essere scaricato dal sito Linear Technology: Data sheet del componente usato come esempio: 28

15 Progetto di filtro: esempio 1 - a Definizione delle specifiche (maschera del filtro): Guadagno e ondulazione in banda passante frequenza di taglio (limite della banda passante) inizio banda attenuata (stopband) e attenuazione 29 Progetto di filtro: esempio 1 - b Progetto del filtro quale tipo di approssimazione? quanti poli/celle sono necessari? quali i parametri di ogni cella? 30

16 Progetto di filtro: esempio 1 - c Risposta frequenza tempo 31 Progetto di filtro: esempio 1 - d Scelta della tecnologia Capacità commutate o R + C + A.O. (active RC)? Con quale circuito realizzare le celle? 32

17 Progetto di filtro: schema finale Cella base interna 33 Elettronica per telecomunicazioni

18 Indice della lezione A2 Filtri: caratteristiche funzionali tipi, parametri, approssimazioni Filtri attivi con A.O. (audio) sequenza di progetto esempio di strumenti CAD esempi di circuiti per realizzare fdt del II ordine circuiti a capacità commutate Esercitazione di laboratorio progetto e misure di filtro passa basso 35 Celle del II ordine Le celle possono essere realizzate con: circuiti integrati specifici (esempio precedente) circuiti con A.O. reazionati guadagno infinito - reazioni multiple guadagno costante, doppio integratore Punto chiave: precisione componenti passivi con tolleranze strette difficili da integrare per l integrazione sono preferibili i circuiti SC 36

19 Cella II ordine con poli complessi Questo circuito permette di ottenere fdt del II ordine con poli complessi di tipo passa-alto, passa basso, passa banda. 37 Analisi di cella con poli complessi A v A Per il calcolo usare la tensione sul nodo A 38

20 Configurazione passa-basso Fdt generica: Scegliendo per ciascuna Z il componente (R o C) opportuno siottiene una funzione del II ordine tipo passa basso 39 Cella a guadagno costante Altro circuito per ottenere cella del II ordine 40

21 Cella a doppio integratore - a Calcolo fdt 41 Cella a doppio integratore - b Lo stesso circuito fornisce le tre uscite: passa basso/alto/banda Adatto per circuiti integrati di uso generale 42

22 Circuito a doppio integratore Schema elettrico completo 43 Analogia con celle LTC1562 La cella LTC 1562 comprende un anello con due integratori Il sommatore (di correnti) è realizzato direttamente sull ingresso del primo integratore (nodo INV). Dettaglio della cella LTC

23 Elettronica per telecomunicazioni Indice della lezione A2 Filtri: caratteristiche funzionali tipi, parametri, approssimazioni Filtri attivi con A.O. (audio) sequenza di progetto esempio di strumenti CAD esempi di circuiti per realizzare fdt del II ordine circuiti a capacità commutate Esercitazione di laboratorio progetto e misure di filtro passa basso 46

24 Capacità commutata In questo circuito ogni volta che SW commuta viene trasferita una carica dal lato A a quello B La carica trasportata è Q = C * (V A - V B ) 47 Capacità commutata L operazione avviene f volte al secondo; è come se tra A e B scorresse una corrente Q * f lo stesso avviene se tra A e B è presente la resistenza R eq 48

25 Resistenza equivalente Il gruppo SW-C svolge le stesse funzioni della resistenza R eq 49 Cella RC a capacità commutata Esempio di cella passa basso con SC R eq = 1/f C1 Costante di tempo legata a C2/C1 Frequenza di commutazione f 50

26 Integratore a capacità commutata Integratore attivo con A.O. 1 VU (s) = V(s) I scr Sostituendo R con SC FC2 VU (s) = V(s) I sc1 C V i R - + AO C1 V i R - F + C2 AO V U V U integratore non invertente 51 Vantaggi della tecnica SC Costanti di tempo legate a rapporti tra capacità rapporto tra valori di componenti dello stesso tipo, realizzabile con precisione (errori sistematici) tecnica adatta per circuiti integrati 52

27 Vantaggi della tecnica SC Costanti di tempo legate a rapporti tra capacità rapporto tra valori di componenti dello stesso tipo, realizzabile con precisione (errori sistematici) tecnica adatta per circuiti integrati Costanti di tempo variabili con frequenza esterna controllo esterno della frequenza di taglio più celle controllabili con lo stesso segnale 53 Vantaggi della tecnica SC e problemi Costanti di tempo legate a rapporti tra capacità rapporto tra valori di componenti dello stesso tipo, realizzabile con precisione (errori sistematici) tecnica adatta per circuiti integrati Costanti di tempo variabili con frequenza esterna controllo esterno della frequenza di taglio più celle controllabili con lo stesso segnale Sistema a dati campionati: multiplazione degli spettri e aliasing sempre un filtro tempo-continuo in uscita 54

28 Elettronica per telecomunicazioni Indice della lezione A2 Filtri: caratteristiche funzionali tipi, parametri, approssimazioni Filtri attivi con A.O. (audio) sequenza di progetto esempio di strumenti CAD esempi di circuiti per realizzare fdt del II ordine circuiti a capacità commutate Esercitazione di laboratorio progetto e misure di filtro passa basso 56

29 Laboratorio A: filtro passa-basso Progettare, montare e misurare un filtro passabasso con le specifiche indicate dalla maschera Scegliere: approssimazione tipo di cella 3 db 20 db Determinare numero di poli - 60 db con le tabelle con FilterCAD 1,5 khz 3kHz f 57 Laboratorio A: filtro passa-basso Approssimazione: ammessa ondulazione in banda approssimazione Chebyshev Tipo di cella minimo numero A.O. guadagno finito oppure reazioni multiple Progetto semplificato Progetto completo svolto: testo, 2.P1 Guida per le misure: testo, 2.L1 58

30 Sommario lezione A2 Filtri Tipi, parametri, approssimazioni, circuiti Esempio di uso strumenti CAD Sequenza completa di progetto Circuiti per celle del II ordine Tecnica SC: principio e vantaggi Analisi di una cella per filtro attivo Esercizi A2.1 (cella II ordine) e A2.2 (filtro) 59 Verifica lezione A2 Quali sono i parametri principali che definiscono le caratteristiche di un filtro? Quali sono le approssimazioni più usate? Cosa sono la banda passante e la banda attenuata? Quale approssimazine - tra quelle descritte - presenta ondulazione in banda passante? Quali sono i vantaggi deicircuitisc? 60

31 Prossima lezione (A3) Amplificatori con transistori tipi di amplificatori analisi lineare e ad ampio segnale analisi con modello non lineare come contrastare gli effetti della nonlinearità come sfruttare gli effetti della nonlinearità amplificatori accordati (LNA, PA, IF) Riferimenti nel testo Circuiti con transistori 1.1, Prerequisiti lezione A3 Modello di transistore bipolare Reti di polarizzazione Amplificatori con transistori Sviluppi in serie Circuiti risonanti R L C 62