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1 Ingegneria dell Informazione Obiettivi del gruppo di lezioni Modulo SISTEMI ELETTRONICI B.6 - LIMITI DEI MODELLI» Limiti dei modelli lineari» Altri moduli analogici Moduli di amplificazione e analogici in genere: Cosa è un amplificatore (concetti di guadagno, banda, impedenza di ingresso e di uscita, rendimento); Tipi di amplificatore (tensione, corrente, a larga banda, accordati, filtri); Modelli di amplificatori e limiti dei modelli lineari; Analisi del comportamento dinamico, in tempo e in frequenza; Altri moduli analogici (cenni) Rilevare caratteristiche di amplificatori con strumenti base di laboratorio; Confrontare i risultati ricavati da analisi di circuiti, simulazioni PSPICE, misure sperimentali; 19-Dec Dec-01-2 Obiettivi di questa lezione (B6) Moduli lineari Individuare i limiti del modello lineare in ampiezza (saturazione delle uscite, offset, etc..). in frequenza (banda, slew rate, distorsione/armoniche, ) come si riflettono sulle specifiche Identificare altri tipi di moduli e i loro parametri filtri, moltiplicatori e mixer, generatori di segnale e oscillatori, regolatori di tensione comparatori Vale il principio di sovrapposizione degli effetti: U(A+B) = U(A) + U(B) Uscita esprimibile come U = K I La relazione U(I) è rappresentata da una retta 19-Dec Dec-01-4 Moduli lineari reali Errore di offset Vale sovrapposizione degli effetti Uscita esprimibile come U = K I (nominale) U = (K + K) (I + I) + U (reale) Errori del primo ordine guadagno: K offset: U Fdt ideale: = 0 per = 0 Fdt reale per = 0 = off Errore di offset off off 19-Dec Dec-01-6 Page DDC 1

2 Errore di guadagno Errore complessivo Fdt ideale: = K Fdt reale = K K = K + K Errore di guadgno: εg Nei circuiti reali sono presenti più errori. Ipotesi di linearità: Si analizza un errore per volta Si sommano gli effetti Questi errori possono essere compensati si corregge il guadagno si somma una costante off εg εg = K/K 19-Dec Dec-01-8 Moduli non lineari Esempio di nonlinearità Non vale il principio di sovrapposizione degli effetti: U(A+B) U(A) + U(B) La relazione U(I) è una curva Separare gli errori errore di guadagno: K errore di offset: U nonlinearità εnl La nonlinearità può derivare da errori e limiti dei circuiti o essere voluta La relazione ingresso/uscita: non è lineare, (neanche su un campo limitato) Passi di analisi retta approssimante» errori lineari (compensabili) fascia di scostamento» errori non lineari (non compensabili) Fascia di Scostamento Retta approssimante 19-Dec Dec Nonlinearità voluta: raddrizzatore Saturazione in ampiezza - 1 Comportamento diverso per >< 0. FdT1 VU R C Uscita limitata entro due soglie V1 e V2 FdT2 VU R C V 1 V 2 19-Dec Dec Page DDC 2

3 Saturazione in ampiezza - 2 Saturazione in ampiezza - 3 Zona lineare, Saturazione per elevata, Fdt continua, Approssimazione asintotica, Parametri. Legame con alimentazione Limiti di dinamica in uscita: Qualunque modulo (rare eccezioni) può fornire in uscita solo tensioni comprese entro le tensioni di alimentazione, ridotte di un piccolo margine. Limiti di ingresso qualunque modulo ha un campo limitato di tensioni accettabili sugli ingressi. questo campo è generalmente prossimo all intervallo tra le alimentazioni. Problemi per circuiti alimentati a bassa tensione! 19-Dec Dec Campi operativi - 1 Campi operativi - 2 Due tipi di campi limite per le tensioni e : Corretto funzionamento il modulo funziona correttamente per tensioni o comprese nei campi VFimax/min, VFumin/max. In uscita generalmente anche un limite di corrente (legata alla tensione attraverso il carico!) Non danneggiamento Il modulo non si danneggia (in modo permanente) per tensioni o comprese nei campi VDimax/min, VDumin/max. Il campo di non danneggiamento deve essere più ampio del campo di funzionamento. Entrambi sono legati alle alimentazioni attenzione a Val = 0!! VF MAX V AL+ V VF MIN V AL- VD MAX VD MIN 19-Dec Dec Limitatori di ampiezza Fdt con offset e limitazione Un modulo con fdt non llneare può essere usato per limitare la tensione di ingresso entro livelli sicuri. Protezione da sovratensioni (contatti accidentali, ) Protezione da disturbi. La relazione ingresso/uscita: è lineare su un campo limitato (presenta saturazione), è affetta da offset (non passa per 0,0) εg Vmax Vmin LIMITATORE V i Vmax V i Vmin Questi errori possono essere corretti variando il guadagno sommando una tensione in uscita off 19-Dec Dec Page DDC 3

4 Offset, saturazione, nonlinearità Obiettivi di questa lezione (B6) La relazione ingresso/uscita: non è lineare, neanche su un campo limitato Questi errori non possono essere corretti lo scostamento in uscita è legato all ingresso può essere corretto solo con un altra nonlinearità. εg nonlinearità saturazione Individuare i limiti del modello lineare in ampiezza (saturazione delle uscite, offset, etc..). in frequenza (banda, slew rate, distorsione/armoniche, ) come si riflettono sulle specifiche Identificare altri tipi di moduli e i loro parametri filtri, moltiplicatori e mixer, generatori di segnale e oscillatori, regolatori di tensione comparatori 19-Dec Dec Limiti di banda Slew rate: definizioni Perchè i limiti di banda Qualunque amplificatore (modulo) deve avere banda limitata (per fornire in uscita segnali a energia finita) limite verso le frequenze basse:» Fa = 0 (amplificatore DC), oppure» Fa = F1 frequenza di taglio inferiore limite verso le frequenze alte:» Fb = frequenza di taglio superiore Il rumore generalmente occupa una banda larga Le limitazioni di banda permettono di ridurre il rumore Non serve fare amplificatori a banda illimitata La banda passante è una specifica di progetto Definizione SR = V/ T per sinusoide v(t) = V sen ωt SRmax = max(dv/dt) = max (ω=v cosωt) = ω=v per onda quadra tr/tf = V/SR deriva da nonlinearità 19-Dec Dec Slew rate: esercizi Armoniche Quale SR per segnale sinusoidale 10 khz 20 Vpp? Quale fmax da un modulo con SR 20 v/µs per segnale sinusoidale da 1 Veff? Segnale sinusoidale segnale onda quadra segnale sinusoidale distorto» (applet Berkeley) Quale SR per onda quadra con tr e tf < 1 % periodo, con f = 150 MHz? 19-Dec Dec Page DDC 4

5 Distorsione Specifiche di progetto Le armoniche possono essere generate da una fdt nonlineare Le specifiche di un amplificatore definiscono: guadagno limiti di banda Zu/dinamica di uscita/carico impedenza di ingresso (Zi) alimentazione/consumo parametri ambientali» θmax, radiazioni, ermeticità, accelerazione,...) errori:» offset (se DC)» distorsioni (se AC)»rumore 19-Dec Dec Esempio di specifiche Obiettivi di questa lezione (B6) Specifiche principali (AC): guadagno limiti di banda dinamica e carico Da cosa deriva la non-rispondenza? tolleranze, errori, derive per dispositivi passivi e attivi» errori su guadagno, offset presenza di componenti parassiti» R, L, C in posizioni e con valori poco controllabili Individuare i limiti del modello lineare in ampiezza (saturazione delle uscite, offset, etc..). in frequenza (banda, slew rate, distorsione/armoniche, ) come si riflettono sulle specifiche Identificare altri tipi di moduli e i loro parametri filtri, moltiplicatori e mixer, generatori di segnale e oscillatori, regolatori di tensione comparatori 19-Dec Dec Quali altri moduli analogici? Altri moduli analogici - quali? Receiver / Power Management / Synthesizer / Audio / Data Modulation IC Conversion IC Antenna Filtering Reg / DC-DC Bias Switch PLL AF AO Transceivers s C C Front End Modulation Mixer Converters Receive Signal s Conversion AOC Base-band Processing / MicroProcessor / MCIC DSP IC VCOs DSP Peripherals uproc Modem Peripherals UI / Data Peripherals Transmit Signal Generation Power Amplifier Control Memory Power Supply Driver Speaker Phone brator Alert Ear piece Display Keypad Mic. Accessory Connector Battery BlueTooth IrDA SIM Card Filtri controllare la risposta in frequenza Amplificatore sommatore e differenziale somma e differenza di segnali reiezione dei disturbi Funzioni nonlineari Moltiplicatori e mixer Oscillatori Comparatori 19-Dec Dec Page DDC 5

6 Altri moduli analogici Altri moduli analogici - moltiplicatori Filtri, sommatore, differenziale vale sovrapposizione degli effetti Moltiplicatori e mixer eseguire il prodotto di segnali Oscillatori generare segnali Comparatori confrontare segnali Altre funzioni nonlineari Moltiplicatori Funzione: eseguire il prodotto di due segnali (analogici)» = Km Vx Vy + errori Parametri:» dinamica di ingresso e di uscita»precisione (statica)» banda (massima frequenza dei segnali) Impiego» amplificatori a guadagno variabile» aritmetica tra segnali» fdt nonlineari V X VU = K V X V Y V Y 19-Dec Dec Altri moduli analogici - mixer Altri moduli analogici - oscillatori Mixer: moltiplicatori AC Funzione:» traslazione in frequenza di segnali (moltiplicatori per frequenze elevate) Parametri:» banda» errori (feedthrough) impiego» battimenti di sinusoidi (traslazione)» raddrizzatori/demodulatori sincroni Oscillatori Funzione:» generare segnale sinusoidale o di altro tipo (Generatori di segnale) Parametri: frequenza, ampiezza purezza spettrale Precisione» massima: elemento risonante preciso e stabile (quarzo)» frequenza variabile: VCO, CCO, Dec Dec Altri moduli: oscillatori/generatori Esempio: traslazione di frequenza Terminologia» uscita sinusoidale: oscillatori» altre forme: generatori di segnale Parametri forma d onda» quadra, sinusoide, triangolo, rumore, caratteristiche del segnale» frequenza, livello DC, tensione Veff,» modulazioni,... caratteristiche del generatore» potenza/dinamica,» resistenza di uscita Obiettivo: Traslare la frequenza del segnale Il moltiplicatore genera le frequenze somma e differenza: Sen A sen B = sen (A-B) + sen (A+ B) Il filtro F isola la frequenza voluta O X f I F f O f f O - f I 19-Dec Dec Page DDC 6

7 Altri moduli: comparatori Comparatori - b Funzione: Eseguire un confronto tra segnali» generalmente segnale variabile con riferimento fisso» interfaccia tra parti analogiche e parti numeriche Soglia di confronto: parametro del modulo segnale esterno V S Parametri soglia di confronto» fissa, data dall esterno, legata ad altre variabili, V S Caratterisitiche di ingresso (analogico!)» risoluzione» dinamica (funzionamento/non danneggiamento), Ri,... V S H livelli di uscita (digitale!)» tensioni, correnti L 19-Dec Dec Esempio: convertitore A/D Struttura di convertitore A/D Funzione da grandezza analogica a numerica Esempio: Conversione A/D a 2 bit: 4 valori possibili: 00, 01, 10, 11 attribuire il valore analogico a uno dei 4 campi confronto con 3 soglie occorrono 3 comparatori ricodifica dell uscita dinamica ingresso analogico V A A/D D 1, D 2 Valori numerici in uscita Convertitore A/D a 2 bit (3 comparatori) V A 1 1 V S1 1 0 V codifica S1 0 1 V S1 0 0 B A 19-Dec Dec Generalizzazione di convertitore A/D Altri moduli: regolatori di tensione Risoluzione e complessità Convertitore A/D a 2 bit: 3 comparatori Convertitore a 3 bit: 7 comparatori Convertitore a N bit: 2 N - 1 comparatori V A Funzione: fornire tensione costante con corrente variabile Parametri tensione di uscita corrente minima/massima regolazione (dv/di) stabilità (d/d)... D 19-Dec Dec Page DDC 7

8 Struttura di un regolatore di tensione Regole generali moduli [analogici] La tensione di uscita viene confrontata conun riferimento Vr, e corretta in modo da avere = Vr, indipendentemente dalla corrente di uscita Iu. E un primo esempio di sistema con reazione negativa. V S1 Vr I U Ingresso accetta campi I o V limitati» generalmente entro le alimentazioni» se eccede, serve protezione (circuiti nonlineari) Uscita dinamica limitata dalle alimentazioni potenza limitata» dinamica legata al carico Funzione di trasferimento banda finita (sempre un limite superiore!) può avere offset, errore di guadagno, nonlinearità 19-Dec Dec Sommario lezione B6 Prerequisiti B7 e gruppo C Limiti del modello lineare in ampiezza (saturazione delle uscite, etc..). Limiti del modello in frequenza (banda, slew rate, distorsione, ) Specifiche di progetto per un amplificatore: banda, guadagno, Altri tipi di moduli e i loro parametri (moltiplicatori, oscillatori, regolatori,... ) Laboratorio B7 Strumentazione di laboratorio Stesura di relazioni Organizzazione lavoro di gruppo Homework (verificare guida all esercitazione) Argomenti gruppo C Amplificatori operazionali ideali» Riferimenti sul testo» 12.2 Amplificatori Operazionali ideali» 12.3 Circuiti con A.O. ideali (parte iniziale)» 12.4 Terminologia 19-Dec Dec Page DDC 8