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

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

2 Lezione A3 Amplificatori RF e FI tipi di amplificatori differenza tra analisi lineare e ad ampio segnale analisi con modello non lineare circuiti con BJT e con MOS come contrastare gli effetti della nonlinearità amplificatori accordati (LNA, PA, IF) Riferimenti nel testo Circuiti con transistori 1.1, Elettronica per telecomunicazioni 4

3 Indice della lezione A3 Amplificatori a transistori richiami su modelli e parametri punto di funzionamento calcolo del guadagno con modello lineare Circuiti con ampi segnali, amplificatori accordati analisi con ampio segnale distorsione, armoniche amplificatori accordati Esempio: analisi di amplificatore a transistore 5 Amplificatori discreti : dove? LNA (low noiseamplifier) amplificatori di ingresso RX: - basso rumore - ampia dinamica PA (power amplifier) amplificatori di potenza TX: - alto rendimento - basso contenuto di armoniche 6

4 Parametri di un amplificatore Per gli amplificatoriveri e propri interessa avere basso rumore alto rendimento alta linearità, assenza di distorsioni 7 Parametri di un amplificatore Per gli amplificatoriveri e propri interessa avere basso rumore alto rendimento alta linearità, assenza di distorsioni Possiamo usare la nonlinearità per realizzare moltiplicatori di frequenza compressori di dinamica oscillatori miscelatori (mixer) 8

5 Modelli di transistore Transistore bipolare (BJT) modello linearizzato per piccolo segnale (ibrido) modello nonlineare per ampi segnali (esponenziale) Transistore MOS e MOS-FET modello linearizzato per piccolo segnale (ibrido) modello per ampi segnali (quadratico/euristico) Stesso metodo, diversi modelli modello analitico per BJT modelli euristici per MOS 9 Circuito di riferimento Amplificatore AC realizzato con stadio CE a transistore bipolare Accoppiamento AC all ingresso e all uscita C1, C4 Controreazione di emettitore controlla punto di funzionamento e guadagno Limite di banda superiore progetto: C3 capacità parassite 10

6 Analisi di circuito con BJT Amplificatore CE con transistore bipolare punto di funzionamento (I C, V CE ) I C 11 Analisi di circuito con BJT Amplificatore CE con transistore bipolare punto di funzionamento (I C, V CE ) verifica che Q1 lavori in zona attiva V CE > 0,2 V V CE 12

7 Analisi di circuito con BJT Amplificatore CE con transistore bipolare punto di funzionamento (I C, V CE ) verifica che Q1 lavori in zona attiva hie, hfe calcolo dei parametri per piccolo segnale: hie, hfe, Modello di transistore bipolare Modello semplificato per la polarizzazione (zona attiva) B I B β I B C E Modello semplificato per il segnale in configurazione Emettitore Comune (CE) 14

8 Elettronica per telecomunicazioni 15 Indice della lezione A3 Amplificatori a transistori richiami su modelli e parametri punto di funzionamento calcolo del guadagno con modello lineare Circuiti con ampi segnali, amplificatori accordati analisi con ampio segnale distorsione, armoniche amplificatori accordati Esempio: analisi di amplificatore a transistore 16

9 Punto di funzionamento Punto di funzionamento i parametri del transistore dipendono da I C e (in minor misura) da V CE I C I E dipende dalla maglia Base-Emettitore V CE dipende dalla maglia Collettore-Emettitore 17 Punto di funzionamento Punto di funzionamento i parametri del transistore dipendono da I C e (in minor misura) da V CE I C I E dipende dalla maglia Base-Emettitore V CE dipende dalla maglia Collettore-Emettitore Si inizia calcolando la I C lavorare sulla maglia BE in prima approssimazione I B = 0 (h FE ) Si verifica che V CE > 0,2 V circa (zona attiva) lavorare sulla maglia CE 18

10 Analisi della maglia BE Circuito equivalente maglia BE calcoli numerici 19 Elettronica per telecomunicazioni 20

11 Indice della lezione A3 Amplificatori a transistori richiami su modelli e parametri punto di funzionamento calcolo del guadagno con modello lineare Circuiti con ampi segnali, amplificatori accordati analisi con ampio segnale distorsione, armoniche amplificatori accordati Esempio: analisi di amplificatore a transistore 21 Analisi di circuito con BJT Parte coinvolta nel calcolo del guadagno in banda (C3 aperto, C1, C2, C4 in corto) ricordare che per il segnale Vcc = 0 R1,R2 vanno in parallelo a Vi 22

12 Circuito per il calcolo del guadagno Calcolo del guadagno con modello lineare I B h fe I B Vi R1//R2 h ie Vu Z C Z E v u = i C Z C ; i C = i B h fe ; v i = i B h ie + i B (1+h fe ) Z E 23 Risultato con modello lineare Guadagno con modello lineare Se h fe >> 1 h ie diventa trascurabile rispetto a Z E h fe calcolo numerico 24

13 Risposta in frequenza Amplificatore AC a larga banda Limite di banda inferiore: capacità serie di accoppiamento interstadio capacità nella Z E (eventuali trasformatori di accoppiamento) 25 Risposta in frequenza Amplificatore AC a larga banda Limite di banda inferiore: capacità serie di accoppiamento interstadio capacità nella Z E (eventuali trasformatori di accoppiamento) Limite di banda superiore capacità parallelo verso massa capacità inserite in sede di progetto capacità parassite del montaggio capacità parassite dell elemento attivo 26

14 Stadio CE: limiti in frequenza Fmax dipende dai parametri parassiti C e L Capacità in uscita (carico) riducibile con stadi di isolamento (CC) 27 Stadio CE: limiti in frequenza Fmax dipende dai parametri parassiti C e L Capacità in uscita (carico) riducibile con stadi di isolamento (CC) Capacita e induttanze parassite del montaggio ridurre dimensioni, SMD 28

15 Stadio CE: limiti in frequenza Fmax dipende dai parametri parassiti C e L Capacità in uscita (carico) riducibile con stadi di isolamento (CC) Capacita e induttanze parassite del montaggio ridurre dimensioni, SMD Capacità interne al dispositivo attivo C BC : capacità Base-Collettore dispositivi specifici per HF a bassa C BC circuiti opportuni (CB, cascode) analisi con modelli più completi (Giacoletto) 29 Altre configurazioni per amplificatori Stadio Base (Gate) Comune bassa impedenza di ingresso alta impedenza di uscita Stadio Collettore (Drain) Comune alta impedenza di ingresso bassa impedenza di uscita Stadio Cascode CE + CB minor sensibilità ai parametri parassiti 30

16 Stadio cascode Schema di principio (senza polarizzazione) da Vi a Va Q1: stadio CE, con bassa Zc: guadagna in corrente da Va a Vu Q2: stadio CB, guadagna in tensione Rc Base comune Vi Va Q1 Q1 RL Emettitore comune Vcc Vu 31 Elettronica per telecomunicazioni 32

17 Indice della lezione A3 Amplificatori a transistori richiami su modelli e parametri punto di funzionamento calcolo del guadagno con modello lineare Circuiti con ampi segnali, amplificatori accordati analisi con ampio segnale distorsione, armoniche amplificatori accordati Esempio: analisi di amplificatore a transistore 33 Transistore BJT: modello nonlineare Il modello lineare è una approssimazione La relazione I C (V BE ) è logaritmica per v i (t) = V i cos ωt posto x = V i / V T V BE = V i + V E 34

18 Transistore BJT: modello nonlineare Il modello lineare è una approssimazione La relazione I C (V BE ) è logaritmica per v i (t) = V i cos ωt posto x = V i / V T V BE = V i + V E corrente di collettore: 35 Analisi con modello nonlineare BJT Il termine e xsen wt può essere sviluppato in serie I n (x): funzione di Bessel modificata di I specie, ordine n: tabelle Corrente di collettore con modello nonlineare 36

19 Componenti del segnale in uscita La corrente di collettore comprende componente continua 37 Componenti del segnale in uscita La corrente di collettore comprende componente continua componenti a pulsazione n ω i n = 1 è la fondamentale n > 1 sono armoniche 38

20 Componenti del segnale in uscita La corrente di collettore comprende componente continua componenti a pulsazione n ω i n = 1 è la fondamentale n > 1 sono armoniche Il coefficiente per N=1 dipende da x il guadagno dipende dall ampiezza del segnale 39 Analisi con modello nonlineare BJT La componente continua di I C è I Tensione di uscita Vo: raccogliendo I si evidenzia la dipendenza da x delle varie componenti dell uscita calcolo completo tabelle I n (x) 40

21 Elettronica per telecomunicazioni 41 Indice della lezione A3 Amplificatori a transistori richiami su modelli e parametri punto di funzionamento calcolo del guadagno con modello lineare Circuiti con ampi segnali, amplificatori accordati analisi con ampio segnale distorsione, armoniche amplificatori accordati Esempio: analisi di amplificatore a transistore 42

22 Effetti della nonlinearità S cos n? i : presenza di armoniche segnale di uscita non sinusoidale distorsione 43 Effetti della nonlinearità S cos n? i : presenza di armoniche segnale di uscita non sinusoidale distorsione In(x): variazione del guadagno il guadagno per la fondamentale dipende dal livello del segnale di ingresso compressione: aumentando il segnale di ingresso il guadagno diminuisce Effetti visualizzabili con il simulatore distorsioni nel CD del testo (impostare nonlinearità esponenziale) 44

23 Fondamentale e armoniche in uscita Armoniche x = 0,5 x = 1 x = 5 x = Esempio di spettro di uscita Livelli delle armoniche per Vi pari a 13 e 52 mvp 46

24 Trasconduttanza per ampio segnale Piccolo segnale: 47 Trasconduttanza per ampio segnale Piccolo segnale: Ampio segnale: G m (x) è la trasconduttanza per ampio segnale dipende da g m e da x 48

25 Variazione del guadagno All aumentare del segnale di ingresso diminuisce il guadagno tabella numerica piccolo segnale 49 Transistori MOS - modello lineare Circuito e polarizzazione per determinare il punto di funzionamento occorre usare l equazione quadratica I D = I DSS (1 - V GS /V P ) 2 Per piccolo segnale (modello lineare) relazione analoga al BJT V o = g m R D V i 50

26 Analisi con modello nonlineare MOS Modello nonlineare caratteristica in parte quadratica altri tratti con caratteristica esponenziale o lineare vengono utilizzati modelli euristici Risultati analoghi al BJT: presenza di armoniche in uscita compressione del guadagno 51 Nonlinearità: combattere o sfruttare? Per ridurre distorsione e compressione: Controreazione con resistenza su emettitore viene ridotta l ampiezza effettiva del segnale presente sull elemento nonlineare (giunzione BE) altri tipi di controreazione circuito accordato in uscita attenua le componenti armoniche (non modifica l effetto di compressione) 52

27 Nonlinearità: combattere o sfruttare? Per ridurre distorsione e compressione: Controreazione con resistenza su emettitore viene ridotta l ampiezza effettiva del segnale presente sull elemento nonlineare (giunzione BE) altri tipi di controreazione circuito accordato in uscita attenua le componenti armoniche (non modifica l effetto di compressione) Utilizzare armoniche e variazione di guadagno: moltiplicatori, compressori, oscillatori 53 Elettronica per telecomunicazioni 54

28 Indice della lezione A3 Amplificatori a transistori richiami su modelli e parametri punto di funzionamento calcolo del guadagno con modello lineare Circuiti con ampi segnali, amplificatori accordati analisi con ampio segnale distorsione, armoniche amplificatori accordati Esempio: analisi di amplificatore a transistore 55 Circuiti risonanti LRC Parametri pulsazione di risonanza ω o smorzamento ξ Q z(ω) ξ X fattore di qualità: Q = 1/2 ξ Attenuazione X: k ω X = Q k 1 k ω I kω I 56

29 Amplificatori accordati 57 Amplificatori accordati 58

30 Come valutare lo spettro in uscita Armoniche nella Ic dipendono solo dalla ampiezza di Vi Effetto del gruppo LC sulla Vu Vu dipende anche da Zc, quindi dal Q sommare (in db) il livello dovuto alla nonlinearità con l attenuazione X del circuito risonante X dipende dallo scostamento in frequenza e dal Q relazione semplificata per valutare X: Z Z ( ω ) i ( ) = X = Qk k 1 kω i 59 Intermodulazione Esempio numerico: amplificatore accordato con banda MHz segnale di ingresso Vi = Va + Vb, fa = 100 MHz, fb = 101 MHz 60

31 Intermodulazione Esempio numerico: amplificatore accordato con banda MHz segnale di ingresso Vi = Va + Vb, fa = 100 MHz, fb = 101 MHz il segnale in uscita può essere espresso come Vu = A1 Vi + A2 Vi 2 + A3 Vi 3 +. Il termine Vi 3 viene espanso come (Va + Vb) 3 Vi 3 = Va Va 2 Vb + 3 Va Vb 2 + Vb 3 61 Intermodulazione Esempio numerico: amplificatore accordato con banda MHz segnale di ingresso Vi = Va + Vb, fa = 100 MHz, fb = 101 MHz il segnale in uscita può essere espresso come Vu = A1 Vi + A2 Vi 2 + A3 Vi 3 +. Il termine Vi 3 viene espanso come (Va + Vb) 3 Vi 3 = Va Va 2 Vb + 3 Va Vb 2 + Vb 3 quindi contiene le frequenze (termini differenza)..., 2fa - fb, 2fb fa,...., 99 MHz, 102 MHz,.. In banda! 62

32 Interercept Point La distorsione genera segnali spuri in banda non possono essere filtrati aumentando il segnale, il livello delle armoniche cresce più rapidamente della fondamentale 63 Interercept Point La distorsione genera segnali spuri in banda non possono essere filtrati aumentando il segnale, il livello delle armoniche cresce più rapidamente della fondamentale Intercept Point (IP3) fondamentale e termini di III armonica hanno la stessa ampiezza non raggiunto per la compressione Pout IP3 Fond. III armonic a Pin 64

33 Elettronica per telecomunicazioni 65 Indice della lezione A3 Amplificatori a transistori richiami su modelli e parametri punto di funzionamento calcolo del guadagno con modello lineare Circuiti con ampi segnali, amplificatori accordati analisi con ampio segnale amplificatori accordati distorsione, armoniche Esempio: analisi di amplificatore a transistore 66

34 Analisi di un amplificatore a transistore Sequenza per l analisi di amplificatore accordato Calcolo del punto di funzionamento Guadagno e banda con modello lineare Guadagno con modello nonlineare Spettro di uscita (Ic) Spettro con circuito risonante (Vo) Dinamica (IP3) (Rumore) 67 Sommario lezione A3 Amplificatori a transistori modelli, parametri, punto di funzionamento guadagno con modello lineare Circuiti con ampi segnali analisi fuori linearità, distorsione, armoniche amplificatori accordati Come ridurre gli effetti della nonlinearità Esercizi A3.1 e A3.2: amplificatori a transistori 68

35 Verifica lezione A3 Per calcolare il guadagno di un amplificatore a transistore BJT, occorre conoscere la Ic? Dato un amplificatore CE con BJT, fatto lavorare con ampio segnale (fuori linearità): il guadagno aumenta o diminuisce se il segnale di ingresso aumenta? Come possiamo stabilizzare il guadagno? Come ridurre il contenuto di armoniche? Quale è il significato della sigla IP (in questo contesto, + altri 2 diversi ) 69 Prossima lezione (A4) Descrizione funzionale di oscillatori sinusoidali Parametri, struttura degli oscillatori sinusoidali Circuiti amplificatore-lc, a gm, differenziali Moltiplicatori e mixer parametri ed errori moltiplicatori a trasconduttanza, cella di Gilbert Riferimenti nel testo oscillatori sinusoidali moltiplicatori analogici