Elettronica per la telematica 03/03/2006

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1 Unità A: Amplificatori, oscillatori, mixer Lezione A.2 Filtri Specifica funzionale e parametri uso di strumenti CAD esempi di realizzazioni con AO tecniche SC 1 Contenuto dell unità A Lezione A2 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 3 Filtri Moduli filtro in termini funzionali Tipi, parametri, approssimazioni Diverse tecniche realizzative Esempio di uso di 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 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 6 Lezione A2 - DDC-CP

2 Filtri: funzione e parametri Filtro passa basso Specifica funzionale di un filtro: Modulo con risposta in frequenza controllata Parametri: tipo di funzione di trasferimento Passa basso Passa basso Anti-aliasing per A/D, ricostruzione per D/A filtri attivi R, C, A.O. capacità commutate (SC) Attenuazione Passa alto Passa banda/risonanti Banda passante Banda attenuata Elimina banda/notch 7 Frequenza di taglio 8 Filtri BF Filtro passa alto Passa alto togliere la continua cella RC Filtri banda base o banda audio (questa lez.). fissare un limite inferiore di banda per il segnale filtri attivi R, C, A.O. capacità commutate (SC) 9 10 Filtri passa banda Filtri RF Passa banda Ingresso RF - LNA, uscita RF - PA eliminare segnali fuori banda ridurreemissionedi armonichee spurie circuiti risonanti Canali IF eliminare rumore fuori banda circuiti risonati LC, quarzo, SAW, digitali Filtri RF per segnali di antenna (Lez. A3) Lezione A2 - DDC-CP

3 Filtri IF Filtri: altri esempi Filtri canale IF Elimina banda Catene di amplificazione con disturbi eliminare disturbi specifici Ingresso RF, canali IF eliminare disturbi specifici Notch Eliminare disturbi a una frequenza ben precisa circuiti risonanti R, C, A.O Filtri: approssimazioni Filtri: approssimazioni Riferimento: passa-basso 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 Filtri: struttura Filtri: struttura Polinomi a coeff. reali sono scomponibili in termini del I e II ordine a coeff. reali., con radici reali o complesse coniugate Funzioni del II ordine Fdt di ordine N (>2) sono realizzate come cascate di celle del II ordine (o I ordine) Lezione A2 - DDC-CP

4 Filtri: tecniche realizzative 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 tecnica corrente attuale 19 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 20 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 22 Filtri: procedura di progetto Filtri: tipo di approssimazione 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 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 Lezione A2 - DDC-CP

5 Approssimazione tipo Bessel Approssimazione tipo Butterworth Approssimazione tipo Chebicheff Uso delle tabelle Ognicellaha unarispostadel II ordine definita dai due parametri O e ξ Progetto sviluppato partendo da O e ξ Per la verifica o taratura, O e ξ non sono direttamente misurabili misura di posizione e ampiezza del picco ( α ) le tabelle devono fornire 4 parametri (due per il progetto e due per verifica/taratura) Esempio di tabelle 29 Lezione A2 - DDC-CP

6 Indice della lezione A2 Strumenti CAD 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 31 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: 32 Progetto di filtro: esempio 1 - a Esempio di maschera 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 33 La maschera individua le zone entro cui deve passare la fdt del filtro; una volta scelta l approssimazione definisce il numero minimo di poli (in questo esempio 7). 34 Progetto di filtro: esempio 1 - b Progetto di filtro: esempio 1 - c Progetto del filtro quale tipo di approssimazione? quanti poli/celle sono necessari? quali i parametri di ogni cella? Risposta frequenza tempo Lezione A2 - DDC-CP

7 Progetto di filtro: esempio 1 - d Scelta della tecnologia Capacità commutate o R + C + A.O. (active RC)? Con quale circuito realizzare le celle? 37 Indice della lezione A2 Celle del II ordine 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 Le celle possono essere realizzate con: circuiti integrati specifici 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 Cella II ordine con poli complessi Analisi di cella con poli complessi A v A Questo circuito permette di ottenere fdt del II ordine con poli complessi di tipo passa-alto, passa basso, passa banda. Per il calcolo usare la tensione sul nodo A Lezione A2 - DDC-CP

8 Configurazione passa-basso Cella a guadagno costante Fdt generica: Altro circuito per ottenere cella del II ordine Scegliendo per ciascuna Z il componente (R o C) opportuno si ottiene una funzione del II ordine tipo passa basso 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 46 Capacità commutata 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 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 Lezione A2 - DDC-CP

9 Resistenza equivalente Cella RC a capacità commutata Esempio di cella passa basso con SC Il gruppo SW-C svolge le stesse funzioni della resistenza R eq 49 R eq = 1/f C1 Costante di tempo legata a C2/C1 Frequenza di commutazione f 50 Integratore a capacità commutata Integratore non invertente Integratore attivo con A.O. 1 VU (s) = V(s) I scr C V i R - + AO V U L integratore SC non invertente usa una differente configurazione del gruppo SC Il circuito inverte la polarità della tensione Vi C1 Sostituendo R con SC FC2 VU (s) = V(s) I sc1 C1 V i - F + C2 AO V U V i FC2 VU (s) = V(s) I sc1 C2 F - + AO V U Vantaggi della tecnica SC e problemi Sommario lezione A2 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 Filtri Tipi, parametri, approssimazioni, circuiti Circuiti per celle del II ordine Tecnica SC: principio e vantaggi Esercizi A2.1 (cella II ordine) e A2.2 (filtro) Sistema a dati campionati: multiplazione degli spettri e aliasing sempre un filtro tempo-continuo in uscita Lezione A2 - DDC-CP

10 Verifica lezione A2 Prossima lezione (A3) 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 approssimazione - tra quelle descritte - presenta ondulazione in banda passante? Quali sono i vantaggi dei circuiti SC? 55 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 57 Lezione A2 - DDC-CP