Appunti di Elettronica per Fisici

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1 Università degli Studi di Firenze Dipartimento di Fisica Marcello Carlà Appunti di Elettronica per Fisici A.A

2 Copyright c Marcello Carlà Ogni riproduzione completa o parziale di questo documento per uso privato o collettivo è assolutamente consentita per qualunque numero di copie. Ogni copia dovrà riportare il testo di questo Copyright o, per copie di una piccola parte del documento, almeno l indirizzo dove è disponibile la versione completa: carla/appunti/ Quest opera è stata rilasciata sotto la licenza Creative Commons Attribution-Non- Commercial-ShareAlike 2.5. Per leggere il testo completo della licenza visita il sito web o invia una richiesta a Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA. L autore sarà grato a chi vorrà inviare segnalazioni di errori e/o suggerimenti. carla@fi.infn.it In copertina: schema elettrico del trasmettitore radio utilizzato nel maggio-giugno 1928 dal marconista Biagi per inviare i segnali di richiesta di soccorso dalla banchisa polare.

3 Indice 1 Circuiti Segnali elettrici Leggi di Kirchhoff I Legge di Kirchhoff - Legge dei nodi II Legge di Kirchhoff - Legge delle maglie Reti lineari - principio di sovrapposizione Equazioni delle reti lineari Legge di Ohm Legge di Ohm complessa Teorema di Thévenin Teorema di Norton Massimo trasferimento di potenza Circuiti RC Filtri passa-alto e passa-basso - Il decibel Risposta all onda quadra Circuiti risonanti LRC Filtri LRC Circuito risonante parallelo - circuiti duali Linee di trasmissione Circuiti a costanti concentrate Linee di trasmissione Circuito equivalente di una linea di trasmissione Cavo coassiale Correnti e tensioni lungo la linea Linea senza perdite Lunghezza d onda, lunghezza elettrica Linea con perdite. Condizioni di Heaviside Impedenza caratteristica della linea Linea di trasmissione chiusa sulla sua resistenza caratteristica Coefficiente di riflessione Onde stazionarie Trasformazione di impedenza Linea di lunghezza variabile Tensioni alle estremità della linea Segnali a banda larga e a banda stretta iii

4 iv 2.13 Riflessione di un segnale a banda larga Resistenza interna del generatore Riflessione di un segnale a gradino Riflessioni multiple Riflessioni multiple in un sistema con perdite Velocità di fase e di gruppo Semiconduttori Resistività Germanio e Silicio Elettroni e Lacune Modello a bande di energia Semiconduttore estrinseco Legge di Azione di Massa Corrente di diffusione Diodi Giunzione P-N Regione di Transizione Potenziale di giunzione Diodo a giunzione Polarizzazione diretta ed inversa Correnti in un diodo polarizzato Polarizzazione diretta Polarizzazione inversa Equazione della giunzione Diodo in conduzione Diodo in interdizione Contatti ohmici Coefficiente di temperatura del diodo a giunzione Una applicazione dei diodi: il raddrizzatore Tensione inversa di rottura (Reverse Breakdown Voltage) Effetti termici nel diodo Circuiti non lineari Circuito linearizzato Conduttanza dinamica del diodo Diodo direttamente polarizzato Diodo non polarizzato Diodo contropolarizzato Diodi stabilizzatori di tensione Interruttore a diodi per segnali analogici Capacità della giunzione Diodo contropolarizzato - Capacità di transizione Diodo in conduzione - Capacità di diffusione Confronto tra capacità di transizione e capacità di diffusione Spessore della regione di transizione Tempi di commutazione di un diodo

5 v 4.21 Dispositivi Optoelettronici Fotodiodi Relazione tensione-corrente in un fotodiodo Rendimento dei generatori fotovoltaici Fotorivelatori Diodi led (light emitting diode - diodi emettitori di luce) Diodi laser Misure su diodi Tempi di commutazione Capacità di transizione Fit dei dati sperimentali con il programma Gnuplot Reti a due porte Circuiti attivi Amplificatore ideale Variabili indipendenti e dipendenti Modelli lineari per i dispositivi a due porte Trasformazioni di parametri Circuito amplificatore Amplificatori ideali Reti passive Il transistor bjt Equazioni di Ebers-Moll Regioni operative del bjt Regione di interdizione Regione attiva Regione di saturazione Configurazioni circuitali base comune (common base) emettitore comune (common emitter) collettore comune (common collector) Curve caratteristiche Effetto Early Amplificatore ad emettitore comune Modello lineare a emettitore comune Valori dei parametri g ed h in corrente continua e bassa frequenza Amplificazione di tensione e di corrente Amplificatore a collettore comune e base comune Emitter follower Reazione di emettitore Amplificatore a base comune Parametri a base comune e collettore comune La polarizzazione del bjt Polarizzazione con singola resistenza di base Polarizzazione a quattro resistenze

6 vi Condensatori di accoppiamento e disaccoppiamento Amplificatore differenziale Amplificazione di modo comune Amplificazione di modo differenziale Un esempio di amplificatore differenziale Reiezione di modo comune Circuito current mirror Circuito Darlington Circuiti a simmetria complementare Amplificatori a transistor e misure Amplificazione Banda passante Risposta all onda quadra in un amplificatore a larga banda Frequenze di taglio multiple Amplificatore con transistor bjt Misure sui circuiti Sonda compensata Partitore compensato Misura dell amplificazione Impedenza di ingresso e di uscita Impedenza di uscita Impedenza di ingresso I transistor mosfet e jfet Struttura del transistor mosfet Canale di conduzione Conduttanza del canale Modulazione del canale Pinch-off Curve caratteristiche per il transistor nmos Il transistor pmos - mosfet complementari Transistor mosfet di tipo enhancement e depletion Struttura del transistor jfet Modulazione della corrente di canale nel transistor jfet Varietà di transistor ad effetto di campo Circuiti con transistor ad effetto di campo Amplificatore common source Modello per piccoli segnali per i transistor ad effetto di campo Elettronica digitale Algebra di Boole Operazioni logiche elementari Circuiti logici elementari (porte) Le leggi di De Morgan NAND e NOR Il transistor come interruttore

7 vii 10.3 Le famiglie logiche Famiglia CMOS Porta NAND e NOR in tecnologia CMOS Famiglia TTL Caratteristiche elettriche di famiglie CMOS e TTL La serie Logica combinatoria Exclusive-OR (XOR) Semiaddizionatore (Half adder) Addizionatore (Full adder) Addizionatore a 4 bit Convertitori di codice Tempi di commutazione Logica sequenziale I flip-flop Set-Reset (SR) Clocked-SR D-type I flip-flop di tipo Master-Slave Shift register (Registro a scorrimento) Flip-flop JK Contatore binario Contatore sincrono Contatore modulo N Orologio digitale Frequenzimetro digitale Elaboratore digitale Amplificazione e Reazione Amplificazione Anello di reazione (feedback loop) Guadagno ad anello aperto e ad anello chiuso Reazione positiva Reazione negativa L Amplificatore Operazionale L amplificatore operazionale nei circuiti Amplificatori Operazionali reali Altri limiti degli amplificatori operazionali reali Amplificatore di tensione non invertente Voltage follower Effetti della reazione negativa Stabilizzazione del guadagno Riduzione della distorsione Aumento della banda passante Resistenza di ingresso Resistenza di uscita Effetto di r i ed r o su G

8 viii Rete di reazione non lineare Effetto della reazione negativa sul rumore Amplificatore invertente Resistenza di uscita Resistenza di ingresso Teorema di Miller Applicazioni dell amplificatore operazionale Convertitore corrente-tensione Una applicazione del convertitore corrente-tensione: amplificatore per fotorivelatori Circuito sommatore - Nodo di somma Amplificatore vero differenziale Instrumentation Amplifier Ricevitore differenziale Filtri RC Integratore di Miller Differenziatore NIC (Negative impedance converter) Generatore di corrente (Pompa di Howland) Integratore non invertente Oscillatore a resistenza negativa Comparatore Comparatore con isteresi (trigger di Schmitt) Generatore di funzioni Elaborazione analogica dei segnali Il Calcolatore Analogico Moltiplicatore a quattro quadranti Oscillatore armonico Reti non lineari Filtri attivi Filtro KHN Filtri Sallen-Key Le configurazioni della reazione Le quattro configurazioni della reazione Condizioni all ingresso ed all uscita Quattro modelli per l amplificatore operazionale Quattro esempi di rete di reazione Amplificazione Guadagno d anello Resistenza e conduttanza di ingresso e di uscita

9 ix 15 Stabilità delle reti lineari Risposta stazionaria di una rete lineare Comportamento durante un transitorio Condizione di stabilità di un anello di reazione Anelli del primo e del secondo ordine Anello del secondo ordine Teorema di Nyquist Anello di reazione stabile Anello di reazione instabile Il teorema di Nyquist nei diagrammi di Bode Margine di fase e di guadagno Compensazione degli anelli di reazione Polo dominante Polo-zero Stabilità condizionata I transistor in alta frequenza Transistor bjt Amplificazione di corrente Amplificazione di tensione - Effetto Miller Transistor fet Amplificatore a larga banda Amplificatori a banda stretta Adattamento di impedenza Trasformatore di impedenza ad L Generazione di segnali Anello con reazione positiva. Il moltiplicatore di Q Oscillatore Colpitts Stabilità della frequenza Oscillatore a quarzo Rumore di fase Analisi numerica delle reti Analisi per nodi di una rete Composizione del file di descrizione del circuito Nodi Valori numerici Componenti passivi semplici Resistenze, condensatori ed induttanze Mutua induttanza Generatori indipendenti Generatori di tensioni e correnti continue Generatori AC per analisi lineare Generatori per analisi di transitorio Circuiti indefiniti o impossibili Analisi dei circuiti

10 x Determinazione del punto di lavoro Funzione di trasferimento in continua Funzione di trasferimento in alternata Analisi di transitorio Studio di un circuito risonante Presentazione dei risultati Semiconduttori Modelli Diodi a giunzione Transistor bjt Transistor fet Esempi di circuiti con semiconduttori Curve caratteristiche di un transistor bjt Tempi di commutazione di un diodo Circuito current mirror Emitter follower complementare Porta TTL Generatori controllati Generatori controllati lineari Generatori controllati non lineari Sottocircuiti Il comando.include Modelli lineari per l amplificatore operazionale Anello di reazione con operazionale A A-1