Indice. Introduzione 1

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1 Indice Introduzione 1 1 Circuiti con transistori Richiami sui transistori in linearità Polarizzazione di uno stadio amplificatore Dinamica di uscita Banda passante Altre tecniche di polarizzazione Transistori fuori linearità Stadi amplificatori fuori linearità Effetto della controreazione di emettitore Amplificatori a banda stretta Oscillatori sinusoidali Esercizi 34 1.P1 Esempio di progetto Amplificatore a transistore 37 1.L1 Esercitazione di laboratorio Amplificatore a transistore 45 Bibliografia 48 2 Amplificatori e circuiti non lineari Circuiti lineari Richiami sugli amplificatori operazionali Amplificatori per segnali alternati Filtri attivi con amplificatori operazionali Circuiti a capacità commutate Circuiti con funzione di trasferimento non lineare Classificazione e circuiti base Circuiti non lineari a tratti Amplificatori logaritmici ed esponenziali Moltiplicatori analogici Esercizi 91 2.P1 Esempio di progetto Filtro passa-basso con celle RC attive 94 2.P2 Esempio di progetto Amplificatore logaritmico L1 Esercitazione di laboratorio Filtro attivo L2 Esercitazione di laboratorio Amplificatore logaritmico 111 Bibliografia 113

2 VI Indice 3 Anelli ad aggancio di fase Generalità Definizione di PLL Esempio di impiego Analisi linearizzata del PLL Schema a blocchi di un PLL Funzione di trasferimento Errore di fase a regime Comportamento in transitorio Comportamento del PLL in presenza di rumore Rumore additivo sulla v i Rumore di fase equivalente Banda equivalente Caratteristica a farfalla Caratteristica ad anello aperto Caratteristica ad anello chiuso Campi di cattura e di mantenimento Analisi nel dominio del tempo Equazione generale Anelli del primo ordine Anelli del secondo ordine Circuiti per PLL Demodulatori di fase analogici Demodulatori di fase digitali Oscillatori a frequenza variabile (VCO) Applicazioni dei PLL Demodulatore di frequenza Demodulatori di ampiezza Sincronizzatori e separatori dati/portante Sintetizzatori e traslatori di frequenza Sintesi digitale diretta Moltiplicazione e risincronizzazione del segnale di clock Esercizi L1 Esercitazione di laboratorio PLL con circuito integrato CD L2 Esercitazione di laboratorio Decodificatore di tono con circuito integrato NE Bibliografia Conversione A/D e Rappresentazione numerica di grandezze analogiche Grandezze analogiche e grandezze numeriche Campionamento Quantizzazione Codici di rappresentazione 209

3 Indice VII Rapporto segnale/rumore di quantizzazione Il sistema di conversione Dimensionamento del filtro anti-aliasing Convertitori digitali/analogici Funzione di trasferimento Convertitori potenziometrici Convertitori a grandezze pesate Convertitori indiretti Convertitori bipolari e moltiplicativi Convertitori misti, a grandezze pesate e non pesate Analisi delle cause di errore Convertitori analogico/digitale Funzione di trasferimento Convertitori parallelo (flash) Convertitori con in reazione Convertitori parallelo codificati Analisi delle cause di errore Circuiti di sample/hold Funzione di trasferimento Circuiti S/H attivi Tecniche per il contenimento degli errori Sistemi di conversione senza S/H Convertitori A/D e per usi speciali Conversione A/D e non lineare Leggi di conversione A e μ Circuiti di conversione per PCM non lineare Convertitori differenziali Convertitore differenziale a integratore Convertitori differenziali a passo variabile Convertitori a sovracampionamento Sovracampionamento e sagomatura del rumore Esercizi P1 Esempio di progetto Dimensionamento di un sistema di acquisizione dati P2 Esempio di progetto Risoluzione effettiva: effetto del filtro anti-aliasing e del S/H L1 Esercitazione di laboratorio Convertitore con rete a scala 300 Bibliografia 306 Appendice Esercitazioni di laboratorio e stesura delle relazioni 309 Indice Analitico 317

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5 Introduzione Origine Il corso di Elettronica delle Telecomunicazioni al Politecnico di Torino è nato nel 1976 raccogliendo una serie di argomenti di elettronica applicata specifici per il settore delle telecomunicazioni, con taglio applicativo-progettuale. Questo testo è un rifacimento con ampie modifiche e integrazioni dei volumi già pubblicati nel 1980, 1985, 1990 e 1995 con lo stesso titolo. In questo arco di tempo, data la rapida evoluzione del settore, sono stati introdotti nuovi contenuti e argomenti originariamente considerati marginali o specialistici sono diventati conoscenze di base necessarie per tutti i progettisti elettronici. Il corso universitario ha via via incorporato questi nuovi sviluppi, inseriti pertanto nelle successive versioni del testo, che può ora essere considerato una Elettronica applicata per le tecnologie dell informazione, con orientamento prevalente ma non esclusivo verso le telecomunicazioni. Prerequisiti Questo testo presuppone familiarità con le nozioni di base di elettronica applicata: transistori bipolari e MOS, amplificatori operazionali e circuiti con reazione, semplici circuiti logici, tecnologie base di integrazione. Sono dati per acquisiti anche i concetti e metodi forniti nei corsi di teoria dei segnali: analisi spettrale, distribuzioni, modulazioni analogiche e numeriche. La guida didattica introduttiva di ciascun capitolo indica di volta in volta i prerequisiti più importanti per affrontare gli argomenti del capitolo stesso. Nelle esercitazioni di laboratorio si richiedono semplici montaggi e l esecuzione di miure tramite l utilizzazione degli strumenti base, quali generatori di segnale, multimetri, oscilloscopio. L Appendice fornisce indicazioni generali sull esecuzione delle esperienze e sulla stesura delle relazioni, ma è opportuno aver seguito un precedente corso di elettronica applicata o di misure, per l acquisizione dei primi elementi e l addestramento di base sull uso della strumentazione. Struttura e organizzazione Il volume comprende cinque capitoli, ciascuno dei quali dedicato a un argomento specifico, legati da un unico filo conduttore: l esplorazione di un sistema radiomobile di generazione intermedia. Questo sistema di riferimento offre una visuale più ampia rispetto ai più moderni SDR (Software Defined Radio) e corrisponde alla maggior parte degli apparati in uso e in produzione. Il Capitolo 3 descrive principi, circuiti e applicazioni per gli anelli ad aggancio di fase (PLL). Il Capitolo 4 riguarda i sistemi di conversione A/D e, con particolare attenzione alle tecniche usate per la codifica numerica della voce nei sistemi di telecomunicazione e ai convertitori ad alta velocità e dinamica richiesti nei sistemi software defined radio. Il Capitolo 5 tratta le tecniche di interconnessione, sia per gli aspetti di integrità dei segnali sia di protocolli, argomenti legati alle comunicazioni wireline e comunque fondamentali per il progetto di sistemi elettronici veloci e complessi.

6 2 Introduzione Tutti gli argomenti iniziano con la descrizione e identificazione funzionale (cosa fa un modulo, quali sono i parametri che ne definiscono il comportamento esterno); successivamente si passa all analisi circuitale (com è fatto il modulo, con la presentazione delle diverse possibilità), per concludere con una discussione delle cause di errore e dei loro legami con gli elementi circuitali. Questo metodo è stato scelto deliberatamente per riflettere una procedura di progetto, a livello di sistema e di modulo, di tipo top-down. Un sistema elettronico complesso non può essere progettato (o anche solo analizzato) come unico oggetto: è necessario appoggiarsi a una gerarchia di livelli. Il livello più alto è una descrizione comportamentale (cosa fa il sistema); questa viene poi suddivisa in una serie di funzioni di minore complessità (realizzate da moduli, per ciascuno dei quali devono essere indicate le modalità operative e di scambio delle informazioni con gli altri). Si ripete via via lo stesso procedimento fino a giungere a oggetti già disponibili o progettabili, realizzabili con i mezzi a disposizione. Separando la descrizione del cosa fa il sistema dal come lo fa possiamo valutare e confrontare le varie scelte di progetto. Antenna Amplificatore a basso rumore (LNA) 900 MHz/2 GHz Canale FI RX Canale RX - I/Q A/D A/D DEM. PLL DDS O O I/Q I/Q Oscillatori e sintetizzatori microp, DSP, memoria, CONTROLLO MOD. Amplificatore di potenza 900 MHz/2 GHz Canale FI TX Canale TX - I/Q Interfaccia utente Microfono, Auricolare, Display, Tastiera

7 Introduzione 3 Guida didattica All inizio di ogni capitolo compare una breve Guida didattica, rivolta a docenti e studenti, che descrive l organizzazione del capitolo e il materiale didattico disponibile. Ogni argomento comprende una parte di teoria, esercizi, esempi di progetto e laboratori. Gli esercizi più semplici, che tendono a chiarire l applicazione dei concetti via via introdotti, sono collocati nel corso del capitolo, a ridosso della teoria attinente. Gli esercizi più complessi, che in alcuni casi richiedono lo svolgimento di veri e propri progetti, sono collocati invece in coda al capitolo. Le esercitazioni di laboratorio sono strettamente collegate alla parte teorica e hanno come obiettivo principale quello di verificare la corrispondenza dei circuiti reali con quanto presentato nelle lezioni. Le esercitazioni possono essere utilizzate anche per abituare gli studenti al lavoro di gruppo e alla stesura di relazioni di attività sperimentali. L ingegnere lavora raramente da solo e deve imparare come collaborare in modo efficace con gli altri. Indicazioni su questo aspetto sono fornite nella guida Esercitazioni di laboratorio e stesura delle relazioni, nell Appendice. Le esercitazioni proposte sono dimensionate per essere completate in 3-4 ore con un opportuna organizzazione del lavoro e una sua ripartizione tra i diversi componenti del gruppo. Se sono disponibili circuiti premontati il tempo richiesto scende a 2-3 ore. Le guide di laboratorio sono strutturate in modo da permettere un esecuzione anche autoguidata dell esperienza. CD Rom In questa edizione il materiale cartaceo è affiancato da un CD Rom, in cui è possibile reperire materiale aggiuntivo e puntatori a materiali su siti web esterni. Il materiale aggiuntivo comprende simulatori e smart drawings : simulatori interattivi in tempo reale che permettono di osservare gli effetti di variazioni dei parametri in moduli e circuiti. Gli smart drawings sono utilizzabili dal docente per dimostrazioni visuali in aula e dagli studenti per condurre in modo autonomo esperimenti virtuali (che possono integrare ma non sostituire del tutto le reali attività di laboratorio). Altri riferimenti sono ai siti di fabbricanti di circuiti integrati, che mettono a disposizione data sheet, note applicative e tutorial per approfondimenti su argomenti specifici. Al libro verrà affiancato anche un sito web contenente alcune figure del libro in formato Powerpoint. L auspicio è che il sito di questo libro cresca e possa diventare un utile punto di riferimento per gli utenti, anche tramite la raccolta di altri contributi. Riferimenti Il complesso degli argomenti trattati in questo volume non è reperibile su un singolo testo. Alcuni temi sono in costante evoluzione e lo stato dell arte deve essere ricavato da articoli pubblicati su congressi e riviste professionali. Tra questi conviene riservare particolare attenzione alle pubblicazioni della IEEE (Circuit and Systems Society), principalmente al Journal Of Solid State Circuits (JSSC), che ogni anno pubblica numeri speciali dedicati ai circuiti integrati analogici per applicazioni specifiche quali mixer e PLL, alla conversione A/D e, ai circuiti logici veloci. Come riferimenti di base e di approfondimento valgono i testi citati nella Bibliografia al termine di ciascun capitolo. Dante Del Corso