Microelettronica Indice generale

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1 Microelettronica Indice generale Prefazione Rigraziamenti dell Editore Guida alla lettura Parte I Elettronica dello stato solido e dispositivi XV XVII XVIII Capitolo 1 Introduzione all elettronica Breve storia dell elettronica: dai tubi a vuoto ai sistemi ad altissima scala di integrazione Classificazione dei segnali elettronici Segnali digitali Segnali analogici Conversione D/A e A/D: i ponti fra i domini analogico e digitale Convenzioni sulle notazioni Metodologia per la soluzione dei problemi Richiami di teoria dei circuiti Partitore di tensione e di corrente Rappresentazioni circuitali di Thévenin e Norton Spettro di frequenza dei segnali elettronici Amplificatori L Amplificatore operazionale ideale Risposta in frequenza degli amplificatori Variazione dei parametri nella progettazione circuitale Il modello matematico delle tolleranze Analisi del caso peggiore Analisi Monte Carlo Coefficienti di temperatura Precisione numerica 28 Riepilogo 29 Riferimenti bibliografici 30 Letture addizionali 30 Problemi 30 Capitolo 2 Elettronica dello stato solido Materiali dell elettronica a stato solido Modello a legame covalente Correnti di deriva e mobilità nei semiconduttori Corrente di deriva Mobilità Saturazione della velocità di deriva Resistività del silicio intrinseco Impurità nei semiconduttori Impurità di tipo donatore per il silicio Impurità di tipo accettore per il silicio Concentrazioni degli elettroni e delle lacune nei semiconduttori estrinseci Semiconduttore di tipo n ðn D > N A Þ Semiconduttore di tipo p ðn A > N D Þ Mobilità e resistività nei semiconduttori estrinseci Corrente di diffusione Corrente totale Modello a bande di energia Generazione di coppie elettrone-lacuna in un semiconduttore intrinseco Modello a bande di energia per un semiconduttore estrinseco Semiconduttori compensati Cenni sulla fabbricazione dei circuiti integrati 55 Riepilogo 58 Riferimenti bibliografici 59 Letture addizionali 59 Problemi 59 Capitolo 3 Diodi a stato solido e circuiti a diodi Il diodo a giunzione pn Analisi elettrostatica della giunzione pn Correnti nel diodo Caratteristica i-v del diodo L equazione del diodo: un modello matematico per il diodo Diodo in polarizzazione inversa, nulla e diretta Polarizzazione inversa Polarizzazione nulla Polarizzazione diretta Coefficiente di temperatura del diodo Il diodo in polarizzazione inversa La corrente di saturazione nei diodi reali Rottura della giunzione Modello del diodo in regione di rottura Capacità della giunzione pn Polarizzazione inversa Polarizzazione diretta Diodo a barriera Schottky Modello SPICE e layout del diodo Analisi dei circuiti a diodi Analisi grafica con la retta di carico Analisi con il modello matematico del diodo Analisi con il modello del diodo ideale Analisi con il modello a caduta di tensione costante Confronto tra i metodi di analisi Circuiti a più diodi Un circuito a 3 diodi Analisi di diodi polarizzati nella regione di rottura Analisi grafica con la retta di carico Analisi con il modello lineare a tratti Regolatori di tensione Analisi in cui si tiene conto della resistenza di Zener Regolazione di linea e di carico Raddrizzatore a semionda Raddrizzatori a semionda

2 VIII Indice con carico resistivo Raddrizzatore con filtro capacitivo Raddrizzatore a semionda con carico RC Intervallo di conduzione e ondulazione della tensione Corrente del diodo Corrente di spunto (surge current) Specifica relativa alla tensione inversa di picco Dissipazione di potenza del diodo Raddrizzatore a semionda con tensione di uscita negativa Raddrizzatore a doppia semionda Raddrizzatore a doppia semionda con tensione di uscita negativa Raddrizzatore a ponte a doppia semionda Confronto tra i raddrizzatori e criteri di progetto Il diodo in commutazione Fotodiodi, celle solari e diodi emettitori di luce Fotodiodi e fotorivelatori Generazione di potenza elettrica con celle solari Diodi emettitori di luce (LED) 119 Riepilogo 119 Riferimenti bibliografici 120 Letture addizionali 120 Problemi 120 Capitolo 4 Transistori a effetto di campo Il condensatore MOS Regione di accumulazione Regione di svuotamento Regione di inversione MOSFET a canale n (NMOS) Analisi qualitativa del comportamento i-v del transistore NMOS Regione di triodo del transistore NMOS Resistenza di conduzione Regione di saturazione del transistore NMOS Modello matematico della regione di saturazione Transconduttanza Modulazione della lunghezza di canale Caratteristiche di trasferimento e transistori a svuotamento Effetto body MOSFET a canale p (PMOS) Simboli circuitali del MOSFET Fabbricazione del transistore MOS e regole di progetto Dimensione minima e tolleranza di allineamento Layout del transistore MOS Capacità del MOSFET Capacità del transistore NMOS nella regione di triodo Capacità nella regione di saturazione Capacità nella regione di interdizione Modello SPICE del MOSFET Polarizzazione del MOSFET Caratteristiche della polarizzazione Polarizzazione dei transistori PMOS Riduzione delle dimensioni del transistore MOS (argomento avanzato) Corrente di drain Capacità di gate Densità di integrazione e di potenza Il prodotto ritardo-potenza Frequenza di transizione Limitazioni del funzionamento a campi elevati Corrente di sottosoglia 177 Riepilogo 179 Riferimenti bibliografici 180 Problemi 181 Capitolo 5 Il transistore bipolare a giunzione Struttura del transistore bipolare a giunzione Il modello del trasporto del transistore npn Caratteristiche in condizioni di funzionamento diretto Caratteristiche in condizioni di funzionamento inverso Il modello del trasporto completo in condizioni arbitrarie di polarizzazione Il transistore pnp Rappresentazioni circuitali del modello del trasporto Il modello di Ebers-Moll (argomento avanzato) Caratteristiche del transistore npn in polarizzazione diretta Caratteristiche del transistore in polarizzazione inversa Il modello di Ebers-Moll del transistore npn Il modello di Ebers-Moll del transistore pnp Rappresentazioni circuitali equivalenti per il modello di Ebers-Moll Caratteristiche i-v del transistore bipolare Caratteristiche di uscita Caratteristiche di trasferimento Regioni di funzionamento del transistore bipolare Forme semplificate del modello del trasporto Modello semplificato per la regione di interdizione Modello semplificato per la regione attiva diretta I diodi nei circuiti integrati bipolari Modello semplificato per la regione attiva inversa Modello semplificato per la regione di saturazione Effetti non ideali nel transistore bipolare Tensioni di rottura delle giunzioni Trasporto dei portatori minoritari nella regione di base Tempo di transito in base Capacità di diffusione Dipendenza del guadagno di corrente a emettitore comune dalla frequenza Effetto Early Modelli per l effetto Early Origine dell effetto Early Transconduttanza Tecnologia bipolare e modello SPICE del BJT Descrizione qualitativa Equazioni del modello SPICE Transistori bipolari avanzati Polarizzazione del BJT 230

3 Indice IX Rete di polarizzazione a quattro resistori Obiettivi di progetto relativi alla rete di polarizzazione a quattro resistori Tolleranze nei circuiti di polarizzazione Analisi del caso peggiore Analisi Monte Carlo 241 Riepilogo 244 Riferimenti bibliografici 245 Problemi 246 Parte II Circuiti integrati analogici Capitolo 6 Sistemi analogici Un esempio di sistema elettronico analogico Amplificazione Guadagno di tensione Guadagno di corrente Guadagno di potenza Rappresentazione del guadagno in decibel Polarizzazione dell amplificatore nella regione lineare Distorsione negli amplificatori Modelli a doppio bipolo degli amplificatori I parametri g Disadattamento delle impedenze del generatore e di carico Funzione di trasferimento e risposta in frequenza Diagrammi di Bode Amplificatori passa-basso Amplificatori passa-alto Amplificatori passa-banda Amplificatori a banda stretta Amplificatori a reiezione di banda Funzione di trasferimento passa-tutto Funzioni di trasferimento complesse 282 Riepilogo 284 Riferimenti bibliografici 285 Problemi 285 Capitolo 7 L amplificatore operazionale ideale L amplificatore differenziale Modello dell amplificatore differenziale L amplificatore differenziale ideale L amplificatore operazionale ideale Ipotesi per l analisi degli amplificatori operazionali ideali Circuiti con amplificatori operazionali ideali L amplificatore invertente L amplificatore non invertente Buffer a guadagno unitario o inseguitore di tensione L amplificatore sommatore L amplificatore sottrattore Amplificatore per strumentazione Filtro attivo passa-basso Integratore Derivatore Connessione in cascata di amplificatori Osservazioni sulla terminologia relativa agli amplificatori Filtri attivi Filtro passa-basso Sensibilità Filtro passa-alto con guadagno maggiore di Filtro passa-banda Filtro biquadratico Tow-Thomas Variazione delle impedenze e della frequenza secondo un fattore di scala Applicazioni non lineari Un raddrizzatore di precisione a semionda Circuito raddrizzatore di precisione senza saturazione Un voltmetro in alternata Circuiti a retroazione positiva Il comparatore e il trigger di Schmitt Il multivibratore astabile Il multivibratore monostabile (one shot) 337 Riepilogo 339 Riferimenti bibliografici 339 Letture addizionali 340 Problemi 340 Capitolo 8 Caratteristiche e limitazioni degli amplificatori operazionali Guadagno, resistenza di ingresso e resistenza di uscita Guadagno finito ad anello aperto Errore relativo al guadagno Resistenza di uscita diversa da zero Resistenza di ingresso di valore finito Riepilogo delle caratteristiche delle configurazioni non ideali invertente e non invertente Reiezione di modo comune e resistenza di ingresso Valore finito per il rapporto di reiezione del modo comune Perché èimportante il CMRR? Errore nel guadagno dell inseguitore di tensione dovuto al CMRR Resistenza di ingresso di modo comune Cause di errore in continua e limitazioni dell escursione in uscita Tensione di offset all ingresso Bilanciamento della tensione di offset Interpretazione alternativa della tensione di offset Correnti di polarizzazione e di offset all ingresso Limiti della tensione e della corrente di uscita Risposta in frequenza e larghezza di banda degli amplificatori operazionali Risposta in frequenza dell amplificatore non invertente Risposta in frequenza dell amplificatore invertente Risposta in frequenza di amplificatori a più stadi Funzionamento ad ampi segnali: slew rate e larghezza di banda a piena potenza Macromodello per la risposta in frequenza dell amplificatore operazionale Macromodelli completi di amplificatori operazionali in SPICE Esempi di amplificatori operazionali commerciali per applicazioni generali Conversione digitale-analogica Aspetti fondamentali dei convertitori D/A Errori nei convertitori D/A Realizzazione circuitale dei convertitori A/D Conversione analogico-digitale 406

4 X Indice Aspetti fondamentali dei convertitori A/D Errori nei convertitori analogico-digitali Tecniche di base per la conversione analogico-digitale 409 Riepilogo 418 Riferimenti bibliografici 419 Letture addizionali 419 Problemi 419 Capitolo 9 Modelli a piccolo segnale e amplificazione lineare - amplificatori invertenti Il transistore come amplificatore L amplificatore a BJT L amplificatore a MOSFET Condensatori di accoppiamento e di bypass Utilizzo dei circuiti equivalenti dc e ac Regole per le analisi in dc e in ac Introduzione ai modelli per piccoli segnali del diodo Interpretazione grafica del comportamento per piccoli segnali del diodo Modello a piccoli segnali del diodo Modelli per piccoli segnali per i transistori bipolari a giunzione Il modello a -ibrido Interpretazione grafica della transconduttanza Guadagno di corrente per piccoli segnali Il guadagno di tensione intrinseco del BJT Forme equivalenti del modello per piccoli segnali Modello a -ibrido semplificato Definizione di piccolo segnale per un transistore bipolare Modello per piccoli segnali per il transistore pnp Confronto fra analisi ac e analisi in transitorio in SPICE L amplificatore a emettitore comune (C-E) Guadagno di tensione dell amplificatore a emettitore comune Resistenza di ingresso Guadagno di tensione complessivo Limiti importanti e semplificazioni dei modelli Resistenza di emettitore nulla Guida per il progetto dell amplificatore a emettitore comune con carico resistivo Guadagno di corrente per l amplificatore a emettitore comune con elevata resistenza di emettitore Limiti per la condizione di piccolo segnale nell amplificatore a emettitore comune Resistenza vista guardando nel collettore del BJT Resistenza di uscita dell amplificatore a emettitore comune complessivo Guadagno di corrente ai terminali per l amplificatore a emettitore comune Modello per piccoli segnali per i transistori a effetto di campo Modello a piccoli segnali del MOSFET Guadagno di tensione intrinseco del MOSFET Definizione di piccolo segnale per un MOSFET L effetto body nel modello per piccoli segnali del MOSFET Modello per piccoli segnali per il transistore PMOS Confronto fra i modelli per piccoli segnali del BJT e del FET L amplificatore a source comune (C-S) Guadagno di tensione ai terminali per l amplificatore a source comune Guadagno di tensione complessivo per l amplificatore a source comune Guadagno di tensione dell amplificatore a source comune, per elevati valori di R S Resistenza nulla nel source Guida per il progetto di amplificatori a source comune con R S ¼ Limiti per la condizione di piccolo segnale nell amplificatore a source comune Resistenze di ingresso degli amplificatori a emettitore comune e a source comune Resistenze di uscita degli amplificatori a emettitore comune e a source comune Esempi di amplificatori a emettitore comune e a source comune Amplificatore a emettitore comune Differenze fra analisi ac e analisi in transitorio in SPICE ulteriori osservazioni Amplificatore MOSFET a source comune Confronto fra i due amplificatori Riepilogo e confronto delle caratteristiche degli amplificatori a emettitore comune e a source comune Retroazione negli amplificatori invertenti Condizioni in cui è possibile trascurare la resistenza differenziale di uscita del transistore Dissipazione di potenza ed escursione del segnale Dissipazione di potenza Escursione massima del segnale di uscita 492 Riepilogo 495 Problemi 496 Capitolo 10 Amplificatori a singolo transistore e multistadio accoppiati in ac Classificazione degli amplificatori Applicazione e prelievo del segnale Il BJT Applicazione e prelievo del segnale Il FET Amplificatori a emettitore comune (C-E) e a source comune (C-S) Le configurazioni a collettore comune (C-C) e a drain comune (C-D) Amplificatori a base comune (C-B) e a gate comune (C-G) Modello a piccolo segnale Amplificatori invertenti Circuiti a emettitore comune e a source comune Caratteristiche degli amplificatori a emettitore comune e a source comune Riepilogo delle caratteristiche degli amplificatori C-E e C-S Rappresentazione mediante transistori equivalenti Circuiti inseguitori amplificatori a collettore comune e a drain comune Guadagno di tensione ai terminali Resistenza di ingresso Guadagno di tensione complessivo Campo di variazione del segnale di ingresso

5 Indice XI dell inseguitore Resistenza al terminale di emettitore Guadagno di corrente Riepilogo delle caratteristiche degli amplificatori C-C e C-D Amplificatori non invertenti Circuiti a base comune e a gate comune Guadagno di tensione ai terminali e resistenza di ingresso Guadagno di tensione complessivo Campo di variazione del segnale di ingresso Resistenza ai terminali di collettore e drain Guadagno di corrente Resistenze di ingresso e di uscita complessive per gli amplificatori non invertenti Riepilogo delle caratteristiche degli amplificatori C-B e C-G Rassegna e confronto degli amplificatori elementari Gli amplificatori a BJT Gli amplificatori a FET Progetto dei condensatori di accoppiamento e di bypass Amplificatori a emettitore comune e a source comune Amplificatori a collettore comune e a drain comune Amplificatori a base comune e a gate comune Fissare la frequenza di taglio inferiore Esempi di progetto di amplificatori Verifica del progetto dell amplificatore a base comune con il metodo Monte Carlo Amplificatori multistadio accoppiati in ac Amplificatore a tre stadi accoppiato in ac Guadagno di tensione Resistenza di ingresso Guadagno di tensione complessivo Resistenza di uscita Guadagno di corrente e di potenza Campo di variazione del segnale di ingresso Come migliorare il guadagno di tensione dell amplificatore Stima della frequenza di taglio inferiore dell amplificatore multistadio 572 Riepilogo 574 Letture addizionali 575 Problemi 576 Capitolo 11 Amplificatori differenziali e operazionali Amplificatori differenziali Amplificatori differenziali a transistori bipolari e a MOS Analisi in dc dell amplificatore differenziale a transistori bipolari Caratteristica di trasferimento a piccolo segnale dell amplificatore differenziale a transistori bipolari Analisi in ac dell amplificatore differenziale a transistori bipolari Guadagno e resistenza di ingresso di modo differenziale Guadagno e resistenza di ingresso di modo comune Rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) Analisi del modo differenziale e del modo comune utilizzando metà circuito Polarizzazione con generatori di corrente elettronici Modello SPICE del generatore elettronico di corrente Analisi in dc dell amplificatore differenziale a MOSFET Segnali di ingresso di modo differenziale Caratteristica di trasferimento a piccolo segnale per l amplificatore differenziale a MOS Segnali di ingresso di modo comune Modello a doppio bipolo per la coppia differenziale Gli amplificatori operazionali Amplificatore operazionale elementare a due stadi Evoluzione dell amplificatore operazionale elementare Riduzione della resistenza di uscita Amplificatore operazionale elementare CMOS Amplificatori BiCMOS Stadi di uscita Stadio di uscita in classe A l inseguitore di source Rendimento degli amplificatori in classe A Stadio di uscita in classe B o push-pull Amplificatori in classe AB Stadi di uscita in classe AB per amplificatori operazionali Protezione dal cortocircuito Accoppiamento con trasformatore Generatori di corrente elettronici Generatori di corrente a singolo transistore Figura di merito per i generatori di corrente Generatori con elevata resistenza di uscita Esempi di progetto di generatori di corrente Specchi di corrente Analisi dc dello specchio di corrente MOS Modifica del rapporto di riflessione per lo specchio di corrente MOS Analisi dc dello specchio di corrente BJT Modifica del rapporto di riflessione per lo specchio di corrente BJT Generatori di corrente multipli Specchio di corrente con buffer Resistenza di uscita dello specchio di corrente Modello a doppio bipolo dello specchio di corrente Il generatore di corrente di Widlar Il generatore di corrente di Widlar MOS Specchi di corrente a elevata resistenza di uscita Il generatore di corrente di Wilson Resistenza di uscita del generatore di corrente di Wilson Il generatore di corrente cascode Resistenza di uscita del generatore di corrente cascode Riepilogo delle caratteristiche dei generatori di corrente Generatore di corrente di riferimento Generatori di riferimento indipendenti dalla tensione di alimentazione Polarizzazione indipendente dalla tensione

6 XII Indice di alimentazione in tecnologia MOS Lo specchio di corrente come carico attivo Amplificatore differenziale CMOS con carico attivo Amplificatore differenziale bipolare con carico attivo I carichi attivi negli amplificatori operazionali Guadagno di tensione dell amplificatore operazionale CMOS Considerazioni sul punto di lavoro Amplificatore operazionale bipolare Rottura dello stadio di ingresso L amplificatore operazionale A Circuito di polarizzazione Analisi statica dello stadio di ingresso del A Analisi in ac dello stadio di ingresso del A Guadagno di tensione dell amplificatore completo Stadio di uscita del A Resistenza di uscita Protezione dal cortocircuito Riepilogo delle caratteristiche dell amplificatore operazionale A Riepilogo 703 Riferimenti bibliografici 705 Letture addizionali 705 Problemi 705 Capitolo 12 Risposta in frequenza Risposta in frequenza degli amplificatori Risposta alle basse frequenze Stima di! L in assenza di polo dominante Risposta alle alte frequenze Stima di! H in assenza di polo dominante Determinazione diretta di poli e zeri in bassa frequenza L amplificatore a source comune Stima di! L con il metodo delle costanti di tempo in cortocircuito Stima di! L per l amplificatore a emettitore comune Stima di! L per l amplificatore a source comune Stima di! L per l amplificatore a base comune Stima di! L per l amplificatore a gate comune Stima di! L per l amplificatore a collettore comune Stima di! L per l amplificatore a drain comune Modelli del transistore alle alte frequenze Modello ibrido a dipendente dalla frequenza per il transistore bipolare Modello SPICE per C e C Frequenza di transizione f T Modello in alta frequenza per il FET Modello SPICE per C GS e C GD Dipendenza di f T dalla lunghezza di canale Limitazioni dei modelli ad alta frequenza Resistenza di base nel modello ibrido a Effetto della resistenza di base sull amplificazione di centro banda Analisi ad alta frequenza degli amplificatori a emettitore comune e a source comune L effetto Miller Risposta in alta frequenza degli amplificatori a emettitore comune e a source comune Analisi diretta della caratteristica di trasferimento dell emettitore comune Poli dell amplificatore C-E Polo dominante dell amplificatore a source comune Stima di! H con il metodo delle costanti di tempo a circuito aperto Amplificatore a source comune con resistenza di source Poli dell emettitore comune con resistenza sull emettitore Risposta in alta frequenza degli amplificatori a base comune e a gate comune Risposta in alta frequenza degli amplificatori a collettore comune e a drain comune Riepilogo della risposta in alta frequenza degli amplificatori a singolo stadio Limitazioni guadagno-banda degli amplificatori Risposta in frequenza degli amplificatori multistadio Amplificatore differenziale La connessione in cascata collettore-comune/base-comune Risposta in alta frequenza dell amplificatore cascode Frequenza di taglio dello specchio di corrente Esempio di amplificatore a tre stadi Amplificatori accordati Amplificatore accordato a singolo stadio Utilizzo dell induttore multipresa L autotrasformatore Circuiti accordati multipli Sintonizzazione sincrona e scalata 793 Riepilogo 794 Riferimenti bibliografici 795 Problemi 796 Capitolo 13 Retroazione, stabilità e oscillatori Sistema retroazionato classico Progetto dell amplificatore retroazionato mediante la teoria dei doppi bipoli Amplificatori di tensione retroazione serie-parallelo Calcolo del guadagno di tensione Resistenza di ingresso Resistenza di uscita Amplificatori di transresistenza retroazione parallelo-parallelo Analisi della transresistenza Resistenza di ingresso Resistenza di uscita Amplificatori di corrente retroazione parallelo-serie Calcolo del guadagno di corrente Resistenza di ingresso Resistenza di uscita Amplificatori di transconduttanza retroazione serie-serie Analisi della transconduttanza Resistenze di ingresso e di uscita Errori comuni nell applicazione della teoria della retroazione Determinazione del guadagno di anello 836

7 Indice XIII Calcolo diretto del guadagno d anello Calcolo del guadagno d anello mediante applicazione successiva di tensione e corrente Semplificazioni Teorema di Blackman Controllo della risposta in frequenza mediante la retroazione Stabilità degli amplificatori retroazionati Il diagramma di Nyquist Sistemi del primo ordine Sistemi del secondo ordine e margine di fase Sistemi del terzo ordine e margine di guadagno Analisi della stabilità mediante i diagrammi di Bode Compensazione a singolo polo dell amplificatore operazionale Analisi dell amplificatore operazionale a tre stadi Zeri negli amplificatori operazionali a FET Compensazione degli amplificatori bipolari Slew rate dell amplificatore operazionale Relazione tra slew rate e prodotto guadagno-larghezza di banda Oscillatori Il criterio di Barkhausen per le oscillazioni Oscillatori con reti RC selettive in frequenza Oscillatori LC Oscillatori a cristallo 881 Riepilogo 885 Riferimenti bibliografici 886 Problemi 886 Indice analitico I1